城市軌道交通可視化調(diào)試技術(shù)的研究

張偉星

（北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

城市軌道交通控制系統(tǒng)開發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，擁有多個子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和調(diào)試的工作量巨大。本文研究的基于城市軌道交通的可視化調(diào)試技術(shù)是專門針對城市軌道交通的系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)，其以強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)計(jì)算能力為依托，結(jié)合傳統(tǒng)調(diào)試技術(shù)，將城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行的具體細(xì)節(jié)都可視化，包括內(nèi)部具體某個函數(shù)的執(zhí)行情況，實(shí)際現(xiàn)場中某個設(shè)備的運(yùn)作細(xì)節(jié)等，調(diào)試過程中開發(fā)人員可以根據(jù)可視化信息對出現(xiàn)的問題進(jìn)行有效的定位，問題的解決變得更加有針對性。

1 調(diào)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

城市軌道交通控制系統(tǒng)主要包含以下子系統(tǒng)：列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)（CI）、區(qū)域控制器（ZC）、列車自動防護(hù)系統(tǒng)（ATP）、列車自動運(yùn)行系統(tǒng)（ATO）和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）。

ATS系統(tǒng)能進(jìn)行識別列車、追蹤列車、顯示列車、提供人工和自動線路設(shè)置功能，并且調(diào)節(jié)列車運(yùn)動來保持行車計(jì)劃的執(zhí)行。

ZC系統(tǒng)的功能是安全地管理本區(qū)域內(nèi)所有列車的運(yùn)行，在保證安全運(yùn)行間隔的情況下，最大限度地提高線路列車密度，達(dá)到提高運(yùn)行效率的目的。ZC系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，主要依靠為本區(qū)域所有具備基本通信的列車控制（CBTC）模式的列車計(jì)算移動授權(quán)完成的。另外，ZC子系統(tǒng)還承擔(dān)著列車狀態(tài)的轉(zhuǎn)發(fā)，ATS及站臺命令處理功能。

ATP系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)防護(hù)列車，確保任何時(shí)間內(nèi)列車都安全運(yùn)行。其主要功能有：列車的測速和定位、超速防護(hù)、狀態(tài)防護(hù)、啟動和制動、控制模式和駕駛級別的轉(zhuǎn)換、降級模式下的ATP防護(hù)。

ATO系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)列車的自動駕駛，完成列車的程序站停和精確停車，其主要功能有：自動駕駛、精確停車、車門管理、程序站停。

聯(lián)鎖系統(tǒng)是為保證行車安全，通過技術(shù)方法使得區(qū)段、道岔以及信號機(jī)等軌旁設(shè)備按一定的程序和條件建立起既互相聯(lián)系又互相制約的關(guān)系的系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)則是負(fù)責(zé)CBTC各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信，包括有線通信和無線通信，是CBTC系統(tǒng)正常工作的至關(guān)重要的條件。

本文研究的基于城市軌道交通的可視化調(diào)試技術(shù)，以城市軌道交通的計(jì)算機(jī)平臺作為試驗(yàn)平臺，開發(fā)一套可視化調(diào)試系統(tǒng)（V isible Debugging System，VDS），該系統(tǒng)包含仿真平臺中的軌旁仿真系統(tǒng)（W ayside Simulation System，WSIM）和車載仿真系統(tǒng)（Vehic le Sim u lation System，VSIM），并且包含新開發(fā)的可視化信息系統(tǒng)（Visible Information System，VIS）。該調(diào)試系統(tǒng)將會對WSIM和VSIM做出較小程度的調(diào)整，調(diào)整后，WSIM只負(fù)責(zé)模擬軌旁硬件設(shè)備，而VSIM只負(fù)責(zé)模擬車載硬件設(shè)備，仿真子系統(tǒng)的角色將會更加鮮明，其作用會變得更加明顯和針對性。而可視化信息系統(tǒng)將會整合仿真系統(tǒng)中剝離出來的信息，作為其部分內(nèi)容，而系統(tǒng)運(yùn)行的各階段重要信息則作為可視化信息系統(tǒng)的其他內(nèi)容。本文為可視化信息系統(tǒng)與其他各子系統(tǒng)間分別構(gòu)建通信接口，將城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行的各階段重要信息分批顯示在可視化調(diào)試軟件的界面上。應(yīng)用有可視化調(diào)試技術(shù)的城市軌道交通的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 具有可視化調(diào)試技術(shù)的城市軌道交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 調(diào)試系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

正如圖1所示，VDS由WSIM、VSIM和V IS組成，并且V IS擁有許多接口，這些接口用于接收來自其他各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息。V IS通過以太網(wǎng)與其他各子系統(tǒng)建立外部接口，通過這個接口，各子系統(tǒng)可以將以下信息傳輸給VIS：

（1）ATS相關(guān)信息：包括ATS與CI和ZC的實(shí)時(shí)通信狀態(tài)、ATS給其他子系統(tǒng)發(fā)送的報(bào)文信息、ATS自身工作狀態(tài)、排進(jìn)路時(shí)具體的操作細(xì)節(jié)過程、時(shí)刻表具體信息等。

（2）ZC相關(guān)信息：包括ZC與CI和ATP的通信狀態(tài)、ZC給其他子系統(tǒng)發(fā)的報(bào)文信息、ZC自身的工作狀態(tài)、固定障礙物和移動障礙物的具體情況、移動授權(quán)的實(shí)時(shí)更新細(xì)節(jié)、屏蔽門的開關(guān)過程等。

（3）VATP相關(guān)信息：包括VATP與VSIM和VATO的通信狀態(tài)、VATP給其他子系統(tǒng)發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)、VATP自身的工作狀態(tài)、防護(hù)曲線的實(shí)時(shí)更新、緊急制動的細(xì)節(jié)過程、精確停車的具體細(xì)節(jié)等。

（4）VATO相關(guān)信息：包括VATO與VSIM的通信狀態(tài)、VATO給其他子系統(tǒng)發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)、VATO自身的工作狀態(tài)、駕駛曲線的計(jì)算細(xì)節(jié)、VATO推薦速度的實(shí)時(shí)更新、列車啟動的過程細(xì)節(jié)、車門的開關(guān)過程等。

（5）CI相關(guān)信息：包括CI與WSIM的通信狀態(tài)及自身工作狀態(tài)，CI給其他子系統(tǒng)發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)，道岔的扳動細(xì)節(jié)過程，股道鎖閉解鎖具體過程，信號機(jī)亮滅具體細(xì)節(jié)等。

（6）仿真系統(tǒng)相關(guān)信息：包括VSIM和WSIM間的通信狀態(tài)，互相發(fā)送的報(bào)文信息、區(qū)段占用的模擬過程、應(yīng)答器的信息顯示等。

從列車的運(yùn)行準(zhǔn)備、啟動、運(yùn)行（包括正常運(yùn)行、跳停、扣車、常規(guī)制動、緊急制動等各種情況）、退出運(yùn)行等整個系統(tǒng)運(yùn)行過程，V IS將各個階段系統(tǒng)運(yùn)行的具體細(xì)節(jié)可視化，必要時(shí)開發(fā)人員可以打開報(bào)文對話框查看系統(tǒng)間發(fā)送的報(bào)文，直接觀察可視化界面上顯示的實(shí)時(shí)信息，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

3 初級樣機(jī)開發(fā)

基于城市軌道交通的可視化調(diào)試技術(shù)的初級樣機(jī)主要由3部分組成：系統(tǒng)工作細(xì)節(jié)的界面顯示、通信報(bào)文的查看、日志文件的讀取與分析。其中系統(tǒng)工作細(xì)節(jié)的界面顯示是本調(diào)試技術(shù)的核心組成部分，為開發(fā)人員提供主要的信息量，其內(nèi)容劃分如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作細(xì)節(jié)的界面顯示

列車的移動授權(quán)是列車運(yùn)行的必要條件，在傳統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)試過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)因?yàn)橐苿邮跈?quán)的跳變而引起的列車緊急制動，移動授權(quán)突然出現(xiàn)異常值（比如零），然后又返回正常值，這樣的情況下，列車緊急制動的原因往往難以被開發(fā)人員發(fā)覺。而配有可視化調(diào)試技術(shù)的城市軌道交通系統(tǒng)開發(fā)平臺，將會實(shí)時(shí)的顯示每輛車具體的移動授權(quán)距離和緊急制動距離的數(shù)值，在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)這種原因。

在系統(tǒng)調(diào)試過程中可能會出現(xiàn)列車在某一站臺的站停時(shí)間結(jié)束之后，列車并不能啟動的情況。如果該問題是由于所給的運(yùn)行時(shí)間不夠所引起的，傳統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)并不能非常容易的發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)，而本文所研究的系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)將會把ATO曲線的具體計(jì)算細(xì)節(jié)顯示在界面上，這當(dāng)中就包括文字提示“由于運(yùn)行時(shí)間不夠，導(dǎo)致ATO曲線計(jì)算失敗”。

在列車的運(yùn)行過程中，ZC會不斷搜索出列車前方信號機(jī)的編號，并將編號發(fā)送給聯(lián)鎖，以供聯(lián)鎖使用，開發(fā)人員可以從軌旁仿真系統(tǒng)（WSIM）的界面上輕易看出列車的前方信號機(jī)的編號，但是由于線路數(shù)據(jù)庫是個非常龐大的數(shù)據(jù)庫，調(diào)試初期，ZC不一定能正確搜索到列車的前方信號機(jī)編號，如果搜索出現(xiàn)異常，搜索結(jié)果未經(jīng)顯示就將其發(fā)送給聯(lián)鎖系統(tǒng)，開發(fā)人員并不一定會馬上察覺，或者系統(tǒng)運(yùn)行并不一定馬上出現(xiàn)錯誤，而可視化信息系統(tǒng)（V IS）則會將ZC的搜索結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，如圖3所示，開發(fā)人員可以從軌旁仿真的界面上容易看出列車JD01的前方信號機(jī)為S0402。而后通過查看可視化信息系統(tǒng)（V IS）界面顯示的前方信號機(jī)表格得到JD01列車的前方信號機(jī)為S0402，說明搜索正確。

圖3 可視化信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示的ZC搜索結(jié)果

“通信報(bào)文的查看”則為開發(fā)人員提供各子系統(tǒng)間的通信報(bào)文。當(dāng)需查看某2個子系統(tǒng)間完整的通信報(bào)文時(shí)，可以通過選擇發(fā)送方和接收方來查看相應(yīng)子系統(tǒng)間具體的通信報(bào)文。并且為了系統(tǒng)的簡單高效，僅當(dāng)打開報(bào)文對話框并選中相應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，V IS才會接收這2個系統(tǒng)發(fā)送過來的報(bào)文數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示，它不會接收沒有被選中的系統(tǒng)的報(bào)文，可以減少數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS）的工作壓力。

本文研究的基于城市軌道交通的可視化調(diào)試技術(shù)，推薦各子系統(tǒng)在系統(tǒng)調(diào)試過程中將各自的工作細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)以bin文件形式存儲在SD卡中，而本文設(shè)計(jì)的V IS軟件具有解析該bin文件數(shù)據(jù)的功能，具體要解析哪些數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示是由開發(fā)人員根據(jù)具體情況制定規(guī)則來確定的。通過解析該bin文件的數(shù)據(jù)，可以分析該子系統(tǒng)過去的工作狀況，甚至預(yù)測可能出現(xiàn)的問題。

4 結(jié)束語

本文分析了傳統(tǒng)的城市軌道交通系統(tǒng)開發(fā)手段的特點(diǎn)與不足，研究了可視化調(diào)試技術(shù)并應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng)開發(fā)中，實(shí)現(xiàn)了初級樣機(jī)的開發(fā)。實(shí)驗(yàn)表明，基于城市軌道交通的可視化調(diào)試技術(shù)，能夠有效地降低城市軌道交通控制系統(tǒng)開發(fā)的工作量，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。但也存在不足，例如本調(diào)試技術(shù)會增加系統(tǒng)間通信的接口和所需發(fā)送報(bào)文的數(shù)量，加重DCS的工作量，程序所占的空間也會增加，影響程序運(yùn)行的效率。

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