ATS仿真平臺中列車追蹤設(shè)計與實現(xiàn)

張?zhí)?，白廣爭，謝 剛

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031）

列車自動監(jiān)控系統(tǒng)ATS(Automatic Train Suppervision)是一個集現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信、計算機、網(wǎng)絡(luò)和信號技術(shù)為一體的分布式的實時監(jiān)督控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)與列車自動控制系統(tǒng)中的其它子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互及協(xié)調(diào)配合，共同完成對地鐵運營列車、信號設(shè)備的管理和控制。ATS提供控制中心信息顯示、信號控制、列車跟蹤與控制、控制區(qū)域管理、運行圖編輯，以及報警、回放、輔助維護等功能[1]。ATS將列車車次號作為列車的標(biāo)識符，在系統(tǒng)中車次號與列車綁定、一一對應(yīng)，實現(xiàn)列車的識別追蹤，并且通過在人機界面準(zhǔn)確對應(yīng)現(xiàn)場位置，為調(diào)度員完成列車控制、列車調(diào)整提供可視化依據(jù)信息。

1 ATS仿真平臺簡介

ATS仿真平臺采用與實際現(xiàn)場類似配置，按照層次分為控制中心指揮監(jiān)控層和車站控制層，主要設(shè)備包括控制中心層面的ATS主機服務(wù)器、調(diào)度員工作站、調(diào)度長工作站、時刻表管理工作站，以及車站層面的車站工作站。ATS仿真平臺具有列車運行監(jiān)督、集中控制、列車自動調(diào)整等功能，同時為系統(tǒng)提供回放、模擬培訓(xùn)等輔助手段。ATS仿真平臺仿真實現(xiàn)了ATS各項功能，可以作為ATS功能學(xué)習(xí)、培訓(xùn)教學(xué)輔助軟件。

在ATS仿真平臺中，如圖1所示。

圖1 ATS仿真平臺數(shù)據(jù)流圖

（1）聯(lián)鎖模擬：模擬計算線路中信號機、軌道、道岔狀態(tài)，給出進路排列執(zhí)行結(jié)果，以及調(diào)度員操作進行信號操作的反饋結(jié)果；（2）故障模擬：模擬現(xiàn)場信號設(shè)備故障情況，如信號機燈絲斷絲、熔絲，道岔的擠岔，軌道區(qū)段故障、異常等多種情況，從而協(xié)助測試ATS各項功能是否在異常情況下正確執(zhí)行；（3）車載模擬：模擬列車在正線區(qū)間線路運行情況，列車在調(diào)度員調(diào)度指揮下，根據(jù)信號機開放狀態(tài)、軌道區(qū)段空閑情況、道岔位置或者移動授權(quán)行車，同時模擬運行，傳遞列車位置給“聯(lián)鎖模擬”，“聯(lián)鎖模擬”及時給出列車對軌道區(qū)段的占用情況判斷。

2 列車追蹤原理

ATS列車追蹤的任務(wù)是完成對列車描述信息車次號的實時動態(tài)跟蹤、傳遞和顯示[2]，在計算機內(nèi)部模擬列車從一個區(qū)段運行到另一區(qū)段的過程，該過程被稱為“步進”[3]。來自聯(lián)鎖信號設(shè)備信息，以及列車位置信息作為步進觸發(fā)的依據(jù)。

ATS的列車識別追蹤功能，需要跟蹤列車運行，確定每列列車在系統(tǒng)中的位置。列車從車輛段開始經(jīng)過轉(zhuǎn)換軌進入正線，在轉(zhuǎn)換軌投入運行時，系統(tǒng)自動匹配時刻表，并將列車按照計劃賦予相應(yīng)的車次號。車次號的目的為折返站的編號，折返列車到達目的地后，系統(tǒng)將自動更改為按照計劃的下一個目的地號；當(dāng)無法自動獲取列車車次號時，必須由調(diào)度員人工輸入。調(diào)度員可以通過ATS具有操作權(quán)限的工作站輸入車次號。

列車追蹤模塊，需要通過通信接口從聯(lián)鎖或者車載控制器中獲取列車的位置，結(jié)合列車調(diào)整命令給出列車位置追蹤。在CBTC系統(tǒng)后備模式下，列車的位置根據(jù)聯(lián)鎖信息信號機、軌道區(qū)段狀態(tài)作為列車識別追蹤的判斷依據(jù)。在CBTC系統(tǒng)模式下，通過無線通信直接獲取列車位置。在人機交互界面上車次號隨著列車的運行在站場圖追蹤移動，實時顯示在列車占用的對應(yīng)軌道對應(yīng)站場圖的車次窗內(nèi)。

3 列車追蹤設(shè)計

實現(xiàn)列車追蹤，需要依托工作站人機界面顯示中對信號設(shè)備信息的描述。主要包括：反映設(shè)備基本屬性的靜態(tài)數(shù)據(jù)信息、隨著列車運行、調(diào)度員操作變化的動態(tài)數(shù)據(jù)信息。其中，設(shè)備不僅包括現(xiàn)場對應(yīng)的物理設(shè)備，如車站、信號機、道岔、軌道、站臺等，還包括站場圖顯示所需抽象的設(shè)備，例如：車次窗、報警信息等。根據(jù)車次號能夠隨著列車實際運行追蹤顯示在站場圖中，需要為每個軌道區(qū)段設(shè)置相應(yīng)的車次窗與之一一對應(yīng)，同時列車信息中需要存儲相應(yīng)的車次窗信息。列車運行過程，車次號隨著列車在軌道上移動的軌跡，在站場圖中對應(yīng)傳遞移動，根據(jù)線路數(shù)據(jù)，設(shè)定列車車次號依次傳遞路徑上設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系，即與車次窗一一對應(yīng)信號設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3.1 線路數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

站場中車次窗靜態(tài)數(shù)據(jù)主要包括：類型、編號、聯(lián)鎖區(qū)編號、所屬車站、關(guān)聯(lián)圖形編號、關(guān)聯(lián)設(shè)備編號。其中，類型：用于區(qū)別其它類型的標(biāo)識。編號：指在集中站聯(lián)鎖區(qū)中的惟一的編號，通過編號可以直接定位該車次窗。關(guān)聯(lián)圖形編號：指站場圖中顯示車次號的矩形框編號。關(guān)聯(lián)設(shè)備編號：主要是指與車次窗對應(yīng)的軌道或道岔，通過此關(guān)聯(lián)關(guān)系使得車次窗與軌道或道岔相連。由于道岔存在定位、反位，使得車次號顯示存在多種可能，為保持正線列車運行車次號顯示的連貫性，將道岔區(qū)段車次窗僅設(shè)定在定位時顯示位置。當(dāng)?shù)啦矸次?，列車運行車次號顯示在車次窗的位置，存在一定的偏差；車次窗顯示中與車次號顯示相關(guān)動態(tài)數(shù)據(jù)主要包括關(guān)聯(lián)列車索引號和關(guān)聯(lián)列車車次號，其中，列車車次號主要包括3位運行號、兩位目的地號。

為實現(xiàn)列車識別與追蹤中，ATS主機服務(wù)器中列車信息與之相關(guān)的信息主要包括：列車運行方向、車次號信息、車次窗信息。其中，車次窗信息包括車次窗所屬聯(lián)鎖區(qū)、車次窗索引號、車次窗狀態(tài)（指該車次窗當(dāng)前是否有車次號占用）。

線路中信號機、道岔、軌道屬性包括編號、所屬聯(lián)鎖區(qū)、所屬車站、狀態(tài)指示信息（信號機開放狀態(tài)、道岔位置和鎖閉狀態(tài)、軌道占用空閑狀態(tài)），以及表示設(shè)備之間關(guān)聯(lián)的鏈接關(guān)系。通過設(shè)備鏈接關(guān)聯(lián)可以查找當(dāng)前列車占用的軌道區(qū)段對應(yīng)的下一個軌道區(qū)段。由于軌道區(qū)段是否包括道岔分為無岔區(qū)段與有岔區(qū)段，跟蹤這兩種情況，如下分別介紹設(shè)備查找方式。在站場圖數(shù)據(jù)中，信號機的設(shè)備鏈接關(guān)系與無岔軌道區(qū)段類同，不做贅述。

（1）無岔區(qū)段，指明設(shè)備前后關(guān)聯(lián)設(shè)備。如圖2所示。

圖2 無岔區(qū)段鏈接關(guān)系

（2）有岔區(qū)段，即道岔區(qū)段，如圖3所示，指明道岔3個方向的關(guān)聯(lián)，根據(jù)道岔的鎖閉位置，查找對應(yīng)路徑上關(guān)聯(lián)的設(shè)備。

圖3 道岔區(qū)段鏈接關(guān)系

3.2 列車車次號追蹤

列車在進入正線投入運行時，首次實現(xiàn)車次號與車次窗的綁定，在綁定過程中需要判斷車次窗是否已經(jīng)被占用。根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)換軌出車情況，確認(rèn)列車即將進入正線運行，檢查是否從時刻表系統(tǒng)中獲取到相應(yīng)車次號信息，如果未能根據(jù)時刻表自動獲取車次號信息，需要調(diào)度員人工在轉(zhuǎn)換軌對應(yīng)車次窗內(nèi)添加車次號，實現(xiàn)列車車次號與車次窗的綁定。在ATS仿真平臺中，可以模擬在轉(zhuǎn)換軌和站臺進行加車、刪車，需要調(diào)度員在人機界面操作選定車次窗添加或刪除車次號實現(xiàn)。

列車在系統(tǒng)正線運行時，在CBTC系統(tǒng)模式下，直接通過列車位置信息；在非CBTC系統(tǒng)模式，通過對聯(lián)鎖數(shù)據(jù)綜合判斷，計算機內(nèi)部模擬列車運行，ATS工作站站場圖顯示的車次號根據(jù)列車位置移動，對應(yīng)軌道區(qū)段對應(yīng)車次窗內(nèi)顯示車次號信息。車次號始終顯示在列車車頭所對應(yīng)區(qū)段。

列車追蹤中車次號的傳遞，是根據(jù)ATS系統(tǒng)當(dāng)前追蹤列車位置即當(dāng)前車次號顯示車次窗、列車運行方向，獲取下一刻列車所處軌道區(qū)段，車次號顯示的位置。

圖4 ATS站場圖示意

根據(jù)圖4 ATS站場圖示意，重點介紹非CBTC模式下，根據(jù)列車是否需要越過信號機，運行場景分為如下2種。

(1) 當(dāng)前車次號顯示在車次窗WinA中，列車沿著下行方向運行。如圖5所示，當(dāng)信號機X0301關(guān)閉且軌道區(qū)段T0405占用，在車次窗WinB未關(guān)聯(lián)車次號的情況下，WinA內(nèi)車次號移動到WinB。因為單獨信號機X0301的關(guān)閉，不能代表列車的移動，有可能是進路取消導(dǎo)致。

圖5 列車追蹤場景一

（2）當(dāng)前車次號顯示在軌道區(qū)段T0405對應(yīng)車次窗WinB，列車沿著下行方向運行。如圖6所示，當(dāng)檢測到軌道T0407占用，判定車次窗WinC未被車次號占用的情況下，可以將車次號移動到車次窗WinC。若WinC被其他車次號占用，表示該位置存在列車占用。

圖6 列車追蹤場景二

4 列車追蹤仿真實例

以鄭州地鐵1號線線路數(shù)據(jù)仿真為例，列車追蹤顯示效果如圖7所示。

圖7 列車追蹤實例

5 結(jié)束語

ATS實現(xiàn)對高密度、大流量的城市軌道交通運輸進行自動化管理和調(diào)度，是一個綜合的行車指揮調(diào)度控制系統(tǒng)。本文重點介紹了ATS仿真平臺中列車追蹤的原理以及實現(xiàn)過程，通過軟件編程模擬實現(xiàn)各種場景，結(jié)果顯示，能夠較好的實現(xiàn)調(diào)度員對列車位置的追蹤掌握，為列車控制、列車調(diào)整提供有利依據(jù)。

[1]城市軌道交通信號系統(tǒng)ATS技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國交通運輸學(xué)會城市軌道交通專業(yè)委員會，2004.

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[5]董 俊.龐巴迪EBI Screen 2000列車自動監(jiān)控系統(tǒng)[J].鐵道通信信號，2012，48（7）.