城市軌道交通仿真系統(tǒng)事件記錄與回放

魏 靜，郭秀清

（同濟大學 控制理論與控制工程系，上海200331）

近年來，軌道交通迅速發(fā)展，已成為人們生活必不可少的交通工具。但是近期上海地鐵10號線追尾事故、北京地鐵的扶梯事故及溫州動車追尾脫軌事故等頻繁發(fā)生，引起人們對速度和安全的反思。記錄回放模塊是城軌交通列車自動控制(ATC)仿真系統(tǒng)子系統(tǒng)-自動列車監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)的組成部分。該模塊在仿真系統(tǒng)中十分有用：(1)事后回顧,對查找故障起著非常重要的作用;(2)演示,利于維修及調度人員反復教學學習;(3)分析,對仿真系統(tǒng)做數(shù)據(jù)檢驗;(4)調試,在系統(tǒng)開發(fā)期間進行診斷調試。

1 記錄回放功能設計需求分析

(1)記錄需求：記錄與列車運行有關的數(shù)據(jù)。保存當天的記錄（第二天啟動程序時將前一天的記錄刪除）。

分析：設計記錄模塊時首先明確要記錄的數(shù)據(jù)有哪些，其次建立一個以時間為關鍵字的索引，以便回放時能根據(jù)具體的時間快速地定位。

(2)回放需求：進入回放模式后，彈出回放窗口，用戶輸入起始日期和時間、結束日期和時間，系統(tǒng)獲得回放的數(shù)據(jù)。用戶可以通過點擊開始、暫停、停止來控制回放界面。在回放期間，用戶還可任意設定回放速度、界面，使用戶可控制回放的速度。

分析：數(shù)據(jù)記錄的最終目的是能夠回放數(shù)據(jù)，重現(xiàn)事件發(fā)生和發(fā)展的過程?；胤旁O計的關鍵是能夠找到準確的信息對列車、道岔等狀態(tài)進行設定。

2 記錄回放模塊的總體方案設計

2.1 記錄數(shù)據(jù)

需要記錄的ATC信息包括：ATS數(shù)據(jù)、組件庫及一些相關數(shù)據(jù)。

ATS數(shù)據(jù)為列車信息數(shù)據(jù)，包括列車車次號、列車所在的軌道ID等；站場狀態(tài)數(shù)據(jù)包括進路的占用狀態(tài)、道岔信號機的占用狀態(tài)和空閑狀態(tài)，以及一些控制操作命令的傳輸與執(zhí)行狀態(tài)信息。組件庫為繪制站場圖所需的相關組件的信息。另外還有ATC系統(tǒng)的配置文件以及繪制站場圖所需的列車軌道信息等。

數(shù)據(jù)總體上可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。全場戰(zhàn)場圖的鋪畫需要大量的車站及車站設備元素組件數(shù)據(jù)和線路的設備構成元件數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)一般隨物理位置的固定而保持不變，稱之為靜態(tài)數(shù)據(jù)，如信號燈的位置和名稱，軌道區(qū)段的ID等。列車在實際運行中，由于股道、道岔、信號燈等設備元件的設備狀態(tài)信息是不斷變化的，稱之為動態(tài)數(shù)據(jù)。動態(tài)數(shù)據(jù)主要是軌道區(qū)段的占用狀態(tài)、道岔信號機的狀態(tài)及一些控制操作命令的傳輸與執(zhí)行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。

為了方便快捷地讀取和記錄數(shù)據(jù),本文采用.ini文件。

2.2 ATC仿真系統(tǒng)記錄回放模塊的開發(fā)流程

圖1為初步設計記錄回放模塊的流程圖。

圖1 記錄回放模塊程序流程圖

記錄模塊中，輸入帶記錄的數(shù)據(jù)監(jiān)控信息，輸出為記錄文件；回放模塊中,輸入為記錄文件，輸出為記錄文件中提取的對應信息。監(jiān)控要求長時間記錄，但長時間記錄會造成記錄文件過大,影響文件加載和回放的速率，所以本模塊采用分段記錄的方法。當時間超過1s就會自動創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)塊,記錄文件的最大存儲量為60000幀。當記錄文件已存儲特定數(shù)目的數(shù)據(jù)幀信息后，自動創(chuàng)建新的記錄文件，并采取加后綴編號的方式與用戶最初創(chuàng)建的文件進行關聯(lián)。這樣就解決了容量記錄文件打開緩慢的問題，提高了回放時文件加載的速度。

由于在加載記錄文件時，已將記錄文件中的各數(shù)據(jù)幀在文件中的存儲位置存儲到了指定容器中，所以回放時只需以當前回放數(shù)據(jù)幀的幀號作為索引，從指定容器中提取數(shù)據(jù)幀在文件中的存儲位置信息，即可依此信息快速從記錄文件中讀取該數(shù)據(jù)幀進行回放，從而保證讀文件的效率。

2.3 設計開發(fā)實例

以上海軌道交通3號線記錄回放軟件的開發(fā)為例，基本步驟如下。

(1)準備基本的數(shù)據(jù)資源如圖2所示。

圖2 控件數(shù)據(jù)及記錄數(shù)據(jù)

由于站場設備數(shù)據(jù)量不是很大,本文選擇XML做數(shù)據(jù)庫。XML是自描述的，能夠以樹型或圖形結構描述數(shù)據(jù)。如果XML文件不大，理論上會比用關系數(shù)據(jù)庫效率高，便于數(shù)據(jù)交換。在XML數(shù)據(jù)庫中存儲控件的基本信息，XML的存儲格式如下(以信號燈為例)：

ID為信號機的 ID號，Name表示名稱，JJQD表示漸近區(qū)段，F(xiàn)irstQD表示第一區(qū)段，Direction表示信號機方向。

ini文件格式清晰，便于查找和存儲，提高回放時對數(shù)據(jù)的檢索效率。本文記錄采用ini文件。

ini文件的記錄格式如圖3所示，[Info]為根節(jié)點，Count表示記錄的總數(shù)，Date為當前日期，Time為當前時間，Data為記錄的數(shù)據(jù)，ATSTime為仿真時間。以時間為檢索，回放時可以選擇開始回放時間和結束時間(如圖4所示)，同時設定回放的時鐘，就可以以時間為線索，重現(xiàn)事件發(fā)生和發(fā)展的過程。

圖3 ini文件格式

圖4 回放控制對話框

本程序采用BOOL WritePrivateProfileString(lpApplicationName,lpKeyName,lpString,lpFileName)和DWORD Get PrivateProfileString(lpszSection,lpszKey,lpszDefault,lpszRe-turnBuffer,cchReturnBuffer,lpszFile)存取ini文件數(shù)據(jù)。

(2)注冊組件，根據(jù)3號線的軌道信息繪制站場圖。

構建站場圖組件的首要任務是設計其組件屬性。站場圖組件屬性分為以下兩類：靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性。靜態(tài)屬性主要指設計組件時可修改，但當站場圖繪制完成時就不可修改的一類屬性；動態(tài)屬性主要指設計組件時無需設置，在站場圖的仿真運行過程中可不斷改變的屬性。以3號線信號機組件為例，其屬性可按如下設置：

①靜態(tài)屬性：包含信號機名稱、信號機標簽、信號機位置等。

②動態(tài)屬性：包含信號機狀態(tài)、故障狀態(tài)、是否鎖閉等。

組件定義如下：

其中COleControl類封裝了MFC的ActiveX控件。所有組件都由此類派生。

為了便于設計，本文將信號機組件屬性進行了封裝，封裝后的代碼如下：

注冊圖5所示控件后，手動繪制站場圖，繪制結果如圖6所示。

(3)設計基本回放界面，回放功能界面如圖7所示。

選擇開始時間和結束時間，系統(tǒng)便會關聯(lián)到以時間為索引的相應的記錄文件，對記錄文件解析后與站場圖關聯(lián)，以實現(xiàn)列車在站場圖中的回放。例如當根據(jù)提供的《軌道ID對應表》將ATC信息中的“軌道 ID”與站場圖中的“軌道名稱”相關聯(lián)，當“軌道ID”為某一值時，使列車會同步顯示在站場圖中相應的軌道上，以實現(xiàn)列車在站場圖中的回放。

圖5 L3組件

圖6 L3某段站場圖

圖7 回放功能界面

本文提出了城市軌道交通ATS記錄與回放軟件的基本思路，初步闡述了開發(fā)相應記錄與回放軟件的基本過程。不僅可以應用于地鐵3號線ATC仿真系統(tǒng)中，同時可以廣泛應用于其他線路的ATC仿真系統(tǒng)中，減少了重復開發(fā)，為以后不同制式的ATC仿真系統(tǒng)的記錄回放模塊的設計提供參考。

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