城市軌道交通屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)的仿真研究

廖鑫成，錢雪軍

（同濟(jì)大學(xué) 電氣工程系，上海 200331）

城市軌道交通屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)的仿真研究

廖鑫成，錢雪軍

（同濟(jì)大學(xué) 電氣工程系，上海 200331）

屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)集屏蔽門、綜合后備盤，列車等功能于一體，是地鐵車站監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。本文在基于Windows操作系統(tǒng)上，通過VC++編程開發(fā)綜合后備盤仿真界面。通過3Ds Max、MultiGen Creator構(gòu)建屏蔽門與列車三維模型，最終通過綜合后備盤的開關(guān)按鈕和信號指示燈來控制和顯示屏幕門的開、關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)屏蔽門與綜合后備盤的聯(lián)動。

屏蔽門； 綜合后備盤；聯(lián)動

隨著城市軌道交通快速發(fā)展，地鐵運(yùn)行線路的迅速增加，城市軌道交通的安全問題得到了高度重視。屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)不僅能保障地鐵乘客的安全，而且屏蔽門也增加了車站的舒適性、節(jié)能性和安全性[1]。在地鐵運(yùn)營安全方面，屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)可以減少地鐵乘客因擁擠而造成的傷害，避免給行車和乘客帶來安全隱患，為地鐵提高運(yùn)營效率提供了保障。因此，屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為地鐵車站監(jiān)控系統(tǒng)重要的組成部分。為了提高地鐵運(yùn)營效率和安全性，屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)的仿真可以對地鐵車站值班員進(jìn)行培訓(xùn)和考核。本文設(shè)計(jì)的屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)基于Windows操作系統(tǒng)，通過3Ds Max,Multigen Creator系統(tǒng)軟件，并用VC++作為開發(fā)語言，實(shí)現(xiàn)屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)的三維仿真。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)包括列車自動監(jiān)控系統(tǒng) （ATS，Automatic Train Supervision）、屏蔽門系統(tǒng)和車站綜合后備盤（IBP，Integrated Backup Panel）。如圖1所示。

圖1 屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 列車自動監(jiān)控系統(tǒng)

列車自動監(jiān)控系統(tǒng)是城市軌道交通列車自動控制系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。它是通過與列車自動控制系統(tǒng)中的列車自動保護(hù)系統(tǒng)和列車自動駕駛系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，完成城市軌道交通信號系統(tǒng)的自動管理和全自動行車調(diào)度指揮控制。列車自動監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)督和控制兩個(gè)功能。列車自動監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控功能則是將列車運(yùn)營的狀態(tài)和信息，通過控制中心或車站的調(diào)度終端，實(shí)時(shí)顯示出來。列車自動監(jiān)控系統(tǒng)向列車自動防護(hù)系統(tǒng)和列車自動駕駛系統(tǒng)發(fā)出指令，辦理列車進(jìn)路，控制列車按照列車運(yùn)行圖運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)其控制功能。

1.2 屏蔽門系統(tǒng)

屏蔽門系統(tǒng)主要由中央接口盤、就地控制盤、門控單元及外圍設(shè)備組成。

中央接口盤是地鐵車站控制室的設(shè)備，可以向?qū)?yīng)側(cè)的屏蔽門發(fā)出開/關(guān)門信號，同時(shí)接受門狀態(tài)信號，反饋到綜合后備盤指示燈上。

就地控制盤主要是防止單個(gè)滑動門出現(xiàn)故障時(shí)，把該門機(jī)系統(tǒng)和其他門機(jī)系統(tǒng)隔離開，從而不影響其他門機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行，方便維護(hù)。

門控單元主要用來控制地鐵屏蔽門的開關(guān)以及對門狀態(tài)的檢測，存儲門狀態(tài)信息，同時(shí)具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，便于組成網(wǎng)路。

1.3 綜合后備盤

綜合后備盤是車站控制室內(nèi)最重要的組成部分，是緊急情況下或在車站相關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面故障造成無法通過監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面對重要被控設(shè)備監(jiān)控操作時(shí)的緊急后備操作手段。綜合后備盤構(gòu)成主要有車站上下行屏蔽門信號狀態(tài)指示燈、控制按鈕、以及閉鎖開關(guān)。

2 屏蔽門系統(tǒng)三維建模

采用MultiGen Creator軟件來進(jìn)行屏蔽門三維可視化建模，包括幾何建模和行為建模。建模包括屏蔽門建模和地鐵列車及運(yùn)行線路的建模。屏蔽門建模和地鐵列車及其地鐵線路建模都是幾何建模，而屏蔽門的關(guān)、開和地鐵列車進(jìn)站、出站都是行為建模，需要用到自由度（DOF）技術(shù)。地鐵本身是幾何模型，但地鐵的進(jìn)站、出站需要在MultiGen Creator中動態(tài)配置。在屏蔽門系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，屏蔽門系統(tǒng)由機(jī)械機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)組成。而在屏蔽門三維建模中，由于屏蔽門模塊太多，所以采用模塊式建模思想 ,這樣可以最大限度地降低建模的復(fù)雜度,使模型層次分明,結(jié)構(gòu)清晰,同時(shí)也可以兼顧模型的精確度、顯示速度、操縱效率以及廣泛性等建模指標(biāo)。

2.1 屏蔽門系統(tǒng)主要模塊

屏蔽門系統(tǒng)的視景仿真，其設(shè)計(jì)目的是復(fù)原地鐵屏蔽門系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。給車站值班員一種真實(shí)的感覺。建立地鐵列車和車站設(shè)施的三維模型，通過變換視點(diǎn)或預(yù)定運(yùn)動線路實(shí)現(xiàn)視景驅(qū)動，圖2為地鐵屏蔽門系統(tǒng)所需建模的模塊。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 屏蔽門三維模型

屏蔽門三維模型采用地下站臺的全高封閉式屏蔽門設(shè)計(jì)。參照城市軌道交通屏蔽門設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)了屏蔽門門體模型。門體模型包含固定門，端門和滑動門等一套完整門體結(jié)構(gòu)。屏蔽門的開/關(guān)需要用到自由度節(jié)點(diǎn)：（1）選擇屏蔽門為運(yùn)動部件，并在數(shù)據(jù)庫中把它作為組節(jié)點(diǎn)（Group）或物節(jié)點(diǎn)（Object）建在DOF節(jié)點(diǎn)上；（2）MultiGen Creator中的Local-DOF模塊中設(shè)置相應(yīng)的局部坐標(biāo)并且定位，并且用Set DOF limits功能設(shè)定列車車門DOF的運(yùn)行速度、方式、范圍等；（3）編程實(shí)現(xiàn)對屏蔽門開關(guān)的控制。屏蔽門模型如圖3所示。

圖3 屏蔽門模型

2.3 地鐵列車三維模型

地鐵列車由外殼和內(nèi)艙組成。外殼是利用地鐵的框架圖，配合Creator中的柵格坐標(biāo)系，利用立面和平面比照參考的方法，將列車外殼準(zhǔn)確建模。通過對模型外殼框架控制點(diǎn)修改完成其模型的外形變化。在對內(nèi)艙座椅的建模過程中，出現(xiàn)很多較為平滑的曲面。在對曲面的模擬上，Creator利用了較為細(xì)致的三角面來構(gòu)成，使得在線框視圖中能夠較清楚地分辨出曲面的位置和相對關(guān)系[2]。列車車門的開/關(guān)同屏蔽門控制一樣，通過自由度節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)車門開關(guān)控制，如圖4所示。

圖4 地鐵列車三維模型

2.4 虛擬乘客

人體幾何模型可以在3個(gè)層次上進(jìn)行構(gòu)造：骨架、肌肉和皮膚。由于一般情況不考慮人體模型運(yùn)動過程中肌肉的變化，所以只進(jìn)行骨架和皮膚兩個(gè)層次的建模。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是既可以表示人體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又可以用皮膚模型描述人體的外部形狀、刻畫逼真的人物形象[3]，如圖5所示。

圖5 虛擬乘客

3 綜合后備盤仿真

3.1 綜合后備盤功能介紹

在地鐵正常情況下，控制中心調(diào)度人員控制地鐵全線路的運(yùn)行，在地鐵緊急情況下，如控制中心失去控制功能時(shí)，則整條地鐵線路可以降級運(yùn)行，各車站直接完成運(yùn)行管理，此時(shí)IBP盤將起到一定作用。綜合后備盤主要由幾個(gè)分區(qū)構(gòu)成，主要有屏蔽門系統(tǒng)、IBP功能、閘機(jī)、信號系統(tǒng)4個(gè)分區(qū)。每個(gè)分區(qū)都有相應(yīng)的控制按鈕、信號指示燈以及相應(yīng)的專業(yè)設(shè)備編號等,如圖6所示。

圖6 IBP盤界面

（1）信號指示燈能夠顯示地鐵車站上下行屏蔽門開關(guān)狀態(tài)，紅燈亮，綠燈滅，表示屏蔽門處于關(guān)閉狀態(tài)，綠燈亮，紅燈滅，表示屏蔽門處于打開狀態(tài)；（2）當(dāng)緊急情況發(fā)生時(shí)，地鐵車站值班員可立刻通過對IBP盤上面的屏蔽門緊急開啟按鈕的操作，實(shí)現(xiàn)屏蔽門的緊急開啟功能；（3）就地控制盤（PSL）是在列車自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，由車站值班員或列車駕駛員在PSL上對屏蔽門進(jìn)行關(guān)/開門的操作，實(shí)現(xiàn)屏蔽門車站級人工操作；（4）測試按鈕的作用是當(dāng)測試按鈕按下去時(shí)，所有信號狀態(tài)燈亮，蜂鳴器響；（5）在正常狀態(tài)，即屏蔽門自動操作狀態(tài)。IBP功能鑰匙應(yīng)在“切除”檔位置，切除紅燈亮。在非正常狀態(tài)下，即屏蔽門手動操作狀態(tài)。IBP盤操作屏蔽門狀態(tài)，IBP功能鑰匙應(yīng)在“投入”狀態(tài)。

3.2 綜合后備盤仿真

本文使用VS2010作為軟件界面開發(fā)工具，編寫綜合后備盤IBP主界面。綜合后備盤IBP主界面包括屏蔽門上行、下行信號狀態(tài)指示燈、PSL允許、測試燈等操作功能。

實(shí)現(xiàn)方式：當(dāng)列車進(jìn)出站時(shí)，屏蔽門信號指示燈要顯示屏蔽門的開關(guān)狀態(tài)。對于信號指示燈的亮滅的實(shí)現(xiàn)，在VC++中，通過靜態(tài)文本框貼圖，同時(shí)為靜態(tài)文本框加入控制變量?？刂谱兞客ㄟ^屏蔽門開關(guān)的標(biāo)志位來控制位圖的切換，即信號指示燈的亮滅。同理，對于鑰匙開關(guān)，用3個(gè)按鈕來表示停、關(guān)、開。當(dāng)點(diǎn)擊停、關(guān)、開檔位時(shí)，鑰匙開關(guān)切換到相應(yīng)圖片。同時(shí)控制屏蔽門的開關(guān)狀態(tài)。

C++語言的顯著優(yōu)勢之一在于它的封裝性，使用C++的類可以方便高效地開發(fā)所需的顯示效果。通過CDialog類自定義對話框數(shù)組，插入CPen、CFont等相關(guān)類。為了讓屏幕不閃爍，編程采用后臺繪制、前臺刷新的方法實(shí)現(xiàn)IBP盤界面的顯示。實(shí)現(xiàn)方法如圖7所示。

圖7 IBP盤編程實(shí)現(xiàn)

4 屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)仿真結(jié)果

4.1 列車自動監(jiān)控系統(tǒng)正常工作狀態(tài)

當(dāng)列車自動監(jiān)控系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時(shí)，地鐵車門和車站屏蔽門都受ATS控制。當(dāng)?shù)罔F列車進(jìn)站停車時(shí)，車門、屏蔽門安全打開，綜合后備盤的下行信號狀態(tài)指示綠燈亮。當(dāng)?shù)罔F準(zhǔn)備離站時(shí)，綜合后備盤的上行信號狀態(tài)指示紅燈亮。如圖8所示車站上行屏蔽門、車門關(guān)閉，綜合后備盤上行信號紅燈亮。

圖8 ATS處于正常工作狀態(tài)

4.2 列車自動監(jiān)控系統(tǒng)非正常工作狀態(tài)

當(dāng)列車自動監(jiān)控系統(tǒng)處于非正常狀態(tài)時(shí)，綜合后備盤IBP操作屏蔽門狀態(tài)。IBP功能鑰匙轉(zhuǎn)至“切入”檔位置。“投入”綠燈亮。操作“開/關(guān)”鑰匙轉(zhuǎn)至“開”檔時(shí)，屏蔽門打開。屏蔽門打開后，“全開”綠燈亮。轉(zhuǎn)至“關(guān)”檔時(shí)，屏蔽門關(guān)閉后，“關(guān)閉鎖緊”紅燈亮。同時(shí)，PSL可以手動操作IBP盤。當(dāng)PSL允許鑰匙轉(zhuǎn)至“允許”檔位置，PSL允許綠燈亮。此時(shí)PSL可以操作屏蔽門，屏蔽門開門時(shí)，“全開”綠燈亮。當(dāng)屏蔽門關(guān)閉時(shí)，“關(guān)閉鎖緊”紅燈亮。如圖9所示。

圖9 ATS處于非正常工作狀態(tài)

5 結(jié)束語

屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)是地鐵車站監(jiān)控系統(tǒng)的緊急后備操作手段。本文結(jié)合上海地鐵車站綜合后備盤和屏蔽門模型，通過VC++編程實(shí)現(xiàn)屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動。屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)不僅能對值班員進(jìn)行模擬培訓(xùn)，而且也為考核值班員提供了一個(gè)有效途徑。

參考文獻(xiàn):

[1]賓海豐,陳寧寧.城市軌道交通屏蔽門聯(lián)動系統(tǒng)車載子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，22（2）：63-64，68.

[2]王 乘，李利軍,周均清，等.Creator可視化仿真建模技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)版社，2005.

[3]宋曉偉.地鐵列車運(yùn)行控制視景仿真系統(tǒng)中三維建模技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2007，5：54-56.

[4]李愛軍,張發(fā)明.城市軌道交通車站IBP盤功能實(shí)現(xiàn)分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2009（1）：10-12.

[5]王 丹,穆建成,黃友能.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的屏蔽門仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].都市快軌交通，2010（3）：106-109.

[6]朱麗娟.地鐵車控室綜合后備控制盤（IBP）功能需求分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2013（3）：34-37。

責(zé)任編輯 徐侃春

圖2 故障診斷結(jié)果對比

圖2為通過上述2種方法選取懲罰參數(shù)c和核函數(shù)參數(shù)g的模型進(jìn)行軌道電路故障診斷的結(jié)果，可以看出，利用PSO-SVM模型的軌道電路故障診斷準(zhǔn)確率可以得到有效的提高，但是診斷時(shí)間比SVM模型稍長。

4 結(jié)束語

對于SVM難以選擇參數(shù)的問題，本文利用PSO快速尋優(yōu)的特點(diǎn)，采用PSO優(yōu)化SVM的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了SVM核參數(shù)的自動最優(yōu)選擇，將這種優(yōu)化后的算法應(yīng)用在無絕緣軌道電路的故障診斷中，最后通過仿真分析驗(yàn)證了基于PSO-SVM的軌道電路故障診斷模型的可行性,也提高了故障診斷的效率和準(zhǔn)確率。

[1]李文海.ZPW-2000A移頻自動閉塞系統(tǒng)原理、維護(hù)和故障處理[M].北京：中國鐵道出版社，2010：6-28.

[2]陳永義，熊秋芬.支持向量機(jī)方法應(yīng)用教程[M].北京：氣象出版社，2011：5-10.

[3]趙林海,冉義奎,穆建成.基于遺傳算法的無絕緣軌道電路故障綜合診斷方法[J].中國鐵道科學(xué)，2010，31（3）：107-113.

[4]黃贊武.軌道電路故障預(yù)測與健康管理關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[5]王 彤.基于最小二乘支持向量機(jī)的軌道電路故障診斷方法[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014，58（2）：90-93.

[6]鄧乃揚(yáng)，田英杰.數(shù)據(jù)挖掘中的新方法—支持向量機(jī)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[7]Kennedy J,Eberhart R C.Particle swarm optimization [C].Proc of IEEE International Conference on Nerual Networks,1995:1942-1948.

[8]REN Neng ,LIANG Jun,GU Bo,et al.Fault diagnosis strategy for incompletely described sampels and its application to refrigeration system [J].Mechanical Systems and Signal Processing,2008,22(2):436-450.

責(zé)任編輯 徐侃春

Simulation of Platform Screen Door Monitoring System for Urban Transit

LIAO Xincheng,QIAN Xuejun
( Department of Electrical Engineering,Tongji University,Shanghai 200331, China)

Platform Screen Door Monitoring System is an important part of Urban Transit station monitoring system.It integrates the function of platform screen door,integrated backup panel and etc.This article was based on the Windows operating system,developed a simulation interface of integrated backup panel by VC ++ programming.3D model of platform screen door and train was constructed by using 3Ds Max,MultiGen Creator.The buttons and signal lights of integrated backup panel were used to control and display the states of the platform screen door,implement linkage between platform screen door and integrated backup panel.

platform screen door;integrated backup panel;linkage

U231.4：TP39

A

1005-8451（2016）08-0059-05

2016-02-29

廖鑫成，在讀碩士研究生；錢雪軍，副教授。