ATS系統(tǒng)與三維視景仿真系統(tǒng)的結(jié)合技術(shù)研究

張代勝，蔣鵬，陳榮武，王堅強

(1.西南交通大學 信息科學與技術(shù)學院，四川 成都 611756； 2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)*

ATS系統(tǒng)與三維視景仿真系統(tǒng)的結(jié)合技術(shù)研究

張代勝1，蔣鵬1，陳榮武1，王堅強2

(1.西南交通大學 信息科學與技術(shù)學院，四川 成都 611756； 2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)*

以鄭州地鐵一號線為背景，提出了基于MSTS平臺的三維視景仿真系統(tǒng)與地鐵ATS系統(tǒng)的結(jié)合技術(shù)方案.介紹了三維視景的建模過程，設(shè)計了用于控制對象的數(shù)據(jù)協(xié)議，利用MFC開發(fā)了用于系統(tǒng)間數(shù)據(jù)處理及傳送的接口服務(wù)器.測試結(jié)果表明，提出的結(jié)合技術(shù)方案具有良好的可行性，滿足基于三維視景的仿真系統(tǒng)的各項性能指標.為后續(xù)各項列控仿真子系統(tǒng)的研究，提供了新思想和技術(shù)方案參考.

ATS；視景仿真；MSTS；接口

0 引言

三維視景仿真技術(shù)是計算機技術(shù)的重要分支，是計算機技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息合成技術(shù)以及顯示技術(shù)等諸多高新技術(shù)的綜合運用[1].我國在上個世紀80年代末90年代初將三維視景仿真技術(shù)應(yīng)用于城軌仿真中，主要是為司機培訓提供一種模擬駕駛平臺.在該平臺的三維視景通過地鐵列車運行時從司機室實景拍攝得到，疊加關(guān)鍵技術(shù)生成的系統(tǒng).比較有代表性的系統(tǒng)有：上海同濟大學開發(fā)的北京地鐵二號線司機培訓系統(tǒng)[2].黃友能[3]著重從場景模型的生成、動態(tài)場景的控制、視點變換、人物仿真等幾個方面研究了虛擬仿真技術(shù)與地鐵運行仿真系統(tǒng)的結(jié)合.ATS(Automatic Train Supervision)系統(tǒng)作為列車控制系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)，主要負責列車運行狀態(tài)的監(jiān)測和運行圖的調(diào)整.李廷朵[4]設(shè)計了ATS仿真系統(tǒng)，模擬了CBTC 列車運行.張?zhí)╗5]仿真實現(xiàn)了ATS系統(tǒng)中列車識別、車次號追蹤、車次號操作等列車追蹤功能.車爽[6]利用Creator/Vega工具僅僅從列車運行的角度將三維視景仿真系統(tǒng)和ATS系統(tǒng)結(jié)合到一起.目前關(guān)于地鐵三維視景仿真技術(shù)和ATS系統(tǒng)的文章比較多，但真正從調(diào)度和列車運行的角度將三維視景仿真系統(tǒng)和ATS系統(tǒng)結(jié)合的文章相對較少.隨著工業(yè)4.0的提出，虛擬現(xiàn)實結(jié)合技術(shù)倍受關(guān)注，通過虛擬-實體系統(tǒng)，構(gòu)建智能工廠，實現(xiàn)智能制造的目的[7]，可見將虛擬技術(shù)應(yīng)用到其它系統(tǒng)中的結(jié)合技術(shù)著實具有重要的研究意義.

本文以鄭州地鐵一號線為背景，提出了一種基于微軟MSTS(Microsoft Train Simulator)平臺的三維視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)的結(jié)合技術(shù)，從而搭建管控一體化的綜合化仿真平臺(以下簡稱“綜合仿真平臺”).利用此仿真平臺，列車司機可在完全安全且逼真的虛擬環(huán)境中進行培訓；地鐵線路設(shè)計人員可得到各種參考數(shù)據(jù)；地鐵調(diào)度培訓人員可以看到現(xiàn)場設(shè)備動作過程及狀態(tài).同時，也可為有需求的客戶提供系統(tǒng)性展示

1 三維視景仿真系統(tǒng)的建模

本文以鄭州地鐵一號線的線路數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用微軟公司開發(fā)的MSTS平臺對列車三維視景場景建立模型.同時依托于微軟提供的MSTS引擎，在VS2013平臺上利用C#語言對模型進行驅(qū)動，實現(xiàn)用程序去操縱視景中的對象.由于MSTS平臺具有強大的圖像處理能力和批量布景功能，因此基于MSTS的建模方法相對于傳統(tǒng)的CAD、Creator/Vega技術(shù)以及拍攝實景的建模方法，有效地提高了建模的效率和質(zhì)量.其中三維視景場景主要包括：列車、隧道、信號機、軌道及其它建筑等[6].該部分是項目小組其他成員的主要任務(wù)，因此不作過多陳述.

2 綜合仿真平臺系統(tǒng)框架設(shè)計

在綜合仿真平臺中，ATS系統(tǒng)采用西南交通大學軌道交通信息及控制實驗室現(xiàn)有的鄭州地鐵一號線的ATS系統(tǒng).開發(fā)接口服務(wù)器作為ATS系統(tǒng)與三維視景仿真系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信的樞紐.整個系統(tǒng)由四大功能組成：調(diào)度指揮功能、列控接口功能、控制對象響應(yīng)功能和大屏顯示功能.TOD系統(tǒng)與三維視景列車非直接連接，而是將TOD系統(tǒng)連接到接口服務(wù)器中的車載控制器模塊(TOD顯示功能不在本文重點研究范疇，不予過多陳述).各部分作用如下：

(1)調(diào)度指揮系統(tǒng)：下達調(diào)度命令，同時監(jiān)控列車運行及設(shè)備工作狀態(tài);

(2)列控接口：處理ATS下達的調(diào)度命令，并向TOD和三維仿真系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)信息;

(3)控制對象：模擬列車駕駛與TOD顯示功能;

(4)大屏顯示：顯示ATS站場圖和三維視景列車運行場景(包括ATS調(diào)度工作站的視景定位).

3 綜合仿真平臺數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)傳輸過程

三維視景仿真系統(tǒng)和ATS系統(tǒng)結(jié)合的各子功能具體包括：加車、單獨操縱道岔、進路辦理、取消進路、視景定位等.現(xiàn)以設(shè)置進路為例說明數(shù)據(jù)的傳輸過程：

(1)ATS調(diào)度工作站下達進路辦理命令通過ATS服務(wù)器至接口服務(wù)器；

(2)接口服務(wù)器處理命令并向三維仿真系統(tǒng)發(fā)送命令；

(3)三維系統(tǒng)控制進路上的視景道岔動作到相應(yīng)位置，同時信號機顯示與進路相對應(yīng)的信號顯示.

3.2 數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)計

如圖1所示.設(shè)定了數(shù)據(jù)收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)協(xié)議，收發(fā)雙方必須按照協(xié)議指定格式發(fā)送命令或者數(shù)據(jù)消息.現(xiàn)以單獨操縱道岔P0106到定位為例說明數(shù)據(jù)協(xié)議的具體含義及解析過程.ATS調(diào)度工作站通過菜單操縱下達進路操縱命令：SWIP01060，接口服務(wù)器接收到命令數(shù)據(jù)后，通過查表處理將道岔名稱解析為三維仿真系統(tǒng)中的道岔序號，并形成新的命令數(shù)據(jù)(SWI0530)發(fā)送給三維視景仿真系統(tǒng).三維仿真系統(tǒng)的MSTS系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)SWI標識確定是對道岔進行單獨操縱，根據(jù)編號053找到對應(yīng)的道岔，最后根據(jù)數(shù)據(jù)命令末位0，判斷道岔定反位狀態(tài)并使道岔動作到定位.

功能發(fā)送中轉(zhuǎn)接口接收數(shù)據(jù)內(nèi)容備注加車發(fā)送請求ATS加車響應(yīng)三維進路辦理/取消進路ATS接口服務(wù)器三維REQ_ADDATS10120010110車次號+點序號+速度三維道岔SWI+編號+定反位狀態(tài)0:定位;1:反位信號機SIG+編號+燈色狀態(tài)0/1:紅色2:黃色;3:綠色單獨操縱道岔ATS視景定位功能信號機道岔列車ATS接口服務(wù)器三維SWI+編號+定反位狀態(tài)0:定位;1:反位三維x+編號最佳視角d+編號最佳視角車次號+T1/T2/T3/T4 T1:駕駛室視角T2:對向視角T3:順向視角T4:遠景視角

圖1 綜合仿真平臺數(shù)據(jù)協(xié)議

4 綜合仿真平臺軟件設(shè)計及實現(xiàn)

接口服務(wù)器作為三維視景仿真系統(tǒng)和ATS系統(tǒng)的信息傳輸紐帶，是綜合仿真平臺實現(xiàn)功能

圖2 接口服務(wù)器軟件層次圖

至關(guān)重要的一部分.本系統(tǒng)是在VC++6.0平臺上，利用C++語言，采用MFC框架進行軟件開發(fā)的.基于TCP/IP通信協(xié)議，利用套接字編程實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信.軟件層次圖如圖2所示.其中ATS服務(wù)器接口模塊程序添加在原ATS系統(tǒng)中.三維視景仿真系統(tǒng)基于MSTS平臺建模后，借助MSTS引擎在VS2013平臺上利用CJHJ完成模型對象驅(qū)動功能.

4.1 加車功能

ATS系統(tǒng)的重要功能之一就是監(jiān)測對列車的位置、運行速度及各類基礎(chǔ)設(shè)備的狀態(tài)[5].本系統(tǒng)的加車功能包括了列車的自動追蹤功能.通過三維視景仿真列車實時發(fā)送列車的位置和速度數(shù)據(jù)至接口服務(wù)器，接口服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給ATS系統(tǒng) ，然后ATS系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)協(xié)議對數(shù)據(jù)進行處理，轉(zhuǎn)換為列車的位置、速度以及車次號數(shù)據(jù)，顯示在調(diào)度工作界面上.列車追蹤功能如圖3所示.

圖3 ATS系統(tǒng)(左)與三維視景仿真系統(tǒng)(右)的列車追蹤功能結(jié)合

4.2 單獨操縱道岔功能

道岔有兩種操縱方式：一種是對道岔進行進路方式操縱，另一種是對道岔進行單獨操縱[9].通過調(diào)度工作站下達道岔單獨操縱命令，ATS服務(wù)器將命令寫入消息隊列，ATS發(fā)送數(shù)據(jù)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給接口服務(wù)器，接口服務(wù)器對數(shù)據(jù)處理并判斷，然后發(fā)送給三維視景仿真系統(tǒng).三維仿真系統(tǒng)根據(jù)接收到的命令(SWI+編號+定反位狀態(tài))，將對應(yīng)道岔動作到相應(yīng)位置.道岔轉(zhuǎn)換前的位置狀態(tài)分別如圖4、5所示.

圖4 單獨操縱ATS系統(tǒng)道岔P0106到定位(左)，三維視景仿真系統(tǒng)道岔P0106動作到定位(右)

圖5 單獨操縱ATS系統(tǒng)道岔P0106到反位(左)，三維視景仿真系統(tǒng)道岔P0106動作到反位(右)

4.3 辦理進路功能/取消進路

為了保證行車安全，車站內(nèi)信號、道岔、軌道電路等基本信號設(shè)備必須遵循一定的條件，按照一定的程序嚴格執(zhí)行，這些條件和程序稱為聯(lián)鎖.在進路排列之前，聯(lián)鎖系統(tǒng)會根據(jù)進路的操縱命令，對聯(lián)鎖關(guān)系進行判斷，在無進路沖突的情況下才能排通進路，并向現(xiàn)場設(shè)備下達進路命令[9].本系統(tǒng)中，當在ATS調(diào)度工作站上進行辦理進路(S0108至S0102)操作時，在滿足聯(lián)鎖關(guān)系的前提下，通過接口服務(wù)器處理發(fā)送給三維視景仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)接收到命令后，使進路上相關(guān)的道岔P0106動作到相應(yīng)位置，并使信號機S0108和S0102顯示正確的顏色.辦理進路前后道岔和信號機狀態(tài)分別如圖6、7所示.取消進路功能與進路辦理類似，只需要進路上給出正確的信號顯示即可，這里不再贅述.

圖6 進路辦理前ATS系統(tǒng)顯示(左)，三維視景仿真系統(tǒng)動作(右)

圖7 進路辦理后ATS系統(tǒng)顯示(左)，三維視景仿真系統(tǒng)動作(右)

4.4 視景定位功能

通過調(diào)度工作站上的視景定位菜單，下達視景定位命令.三維系統(tǒng)接收到定位命令后，把對應(yīng)的設(shè)備顯示至大屏上.這就可以很好的將現(xiàn)場設(shè)備和ATS調(diào)度工作站上平面布置圖的信號設(shè)備有機結(jié)合到了一起.

5 仿真系統(tǒng)測試及評價

驗證一個基于三維視景的仿真系統(tǒng)性能的常用技術(shù)指標為實時性、可擴展性、顯示速度、精確度以及操縱效率等[2,6].而本系統(tǒng)主要從兩方面來評價其性能的優(yōu)劣：一方面是ATS下達各調(diào)度命令，三維視景仿真系統(tǒng)能否快速執(zhí)行命令，將相關(guān)設(shè)備動作到相應(yīng)狀態(tài)；另一方面是ATS調(diào)度工作站能及時更新列車的位置和速度等數(shù)據(jù).

5.1 加車功能

根據(jù)列車運行計劃，ATS系統(tǒng)通過菜單發(fā)送加車命令REQ_ADD，三維仿真系統(tǒng)接收到加車命令后駕駛員將列車從車輛段駛?cè)隒BTC區(qū)域，當ATS調(diào)度工作站接收到三維視景仿真系統(tǒng)發(fā)送的第一個點時，完成加車功能，并對列車進行自動追蹤.

5.2 進路辦理和進路取消

在ATS調(diào)度工作站上，通過菜單分別選擇進路辦理和進路取消命令，三維視景仿真系統(tǒng)能將道岔和信號機動作到相應(yīng)的狀態(tài).

5.3 單獨操縱道岔

在ATS調(diào)度工作站上，通過菜單分別下達單獨操縱道岔到定位和反位的命令，三維視景仿真系統(tǒng)能完成道岔的定位和反位的動作過程.

5.4 視景定位

在ATS調(diào)度工作站上，通過菜單分別下達列車的駕駛室視角、對向視角、順向視角和遠景視角命令，三維仿真系統(tǒng)能完成列車相應(yīng)視角位置的切換；在ATS調(diào)度工作站上，通過菜單下達某個信號機和某個道岔的視景定位命令，三維視景仿真系統(tǒng)將所選擇的設(shè)備顯示到大屏中央位置.

通過測試，本系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)點在于接口服務(wù)器能正確收發(fā)并處理相關(guān)數(shù)據(jù)，能滿足ATS系統(tǒng)與三維仿真系統(tǒng)能實時傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集周期小于0.1 s，滿足實時性的要求且系統(tǒng)性能相對穩(wěn)定.由于本系統(tǒng)開發(fā)了接口服務(wù)器作為系統(tǒng)結(jié)合的紐帶，可方便的再接入其它子系統(tǒng)，可擴展性好.同時，三維視景畫面顯示清晰，模型逼真，畫面切換較為流暢.滿足設(shè)計的功能需求，使兩系統(tǒng)實現(xiàn)了成功的結(jié)合.但本系統(tǒng)的視景定位功能設(shè)計存在著不足之處：若先后兩次定位的設(shè)備相隔太遠(如前后視景定位的兩個信號機分別位于一號車站和二十號車站)，由于三維視景仿真系統(tǒng)中設(shè)備的切換過程中需要切換的數(shù)據(jù)量太大，導(dǎo)致視景定位功能切換存在2 s的時間延遲.本文下一步工作，針對視景定位功能，探索更好的實現(xiàn)方案.

6 結(jié)論

本文以鄭州地鐵一號線為背景，在MSTS平臺實現(xiàn)了三維視景列車運行仿真系統(tǒng)的建模，結(jié)合功能需求，設(shè)計并實現(xiàn)接口服務(wù)器，將三維視景仿真系統(tǒng)和ATS系統(tǒng)有機結(jié)合到了一起.將三維視景仿真技術(shù)成功運用到了ATS系統(tǒng)中，形成了管控一體化的綜合仿真平臺.經(jīng)過系統(tǒng)測試表明，本文的系統(tǒng)結(jié)合技術(shù)方案可行性好，可擴展性強.并能為相關(guān)培訓人員提供操作平臺及教學系統(tǒng)化展示平臺.同時，也能為后續(xù)有關(guān)將三維視景仿真技術(shù)應(yīng)用在其它列車控制系統(tǒng)中的研究提供技術(shù)參考.

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[2]杜霄,唐濤.地鐵列車運行仿真系統(tǒng)中三維視景建模和簡化[J].系統(tǒng)仿真學報,2006(6):1724- 1728.

[3]黃友能,唐濤,宋曉偉.虛擬仿真技術(shù)在地鐵列車運行仿真系統(tǒng)中的研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2008,12:3208- 3211.

[4]李廷朵,孔祥琦,宋欣,等.ATS系統(tǒng)模擬CBTC列車運行的設(shè)計[J].鐵道通信信號,2013(S1):69- 70,74.

[5]張?zhí)?ATS列車追蹤的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：西南交通大學,2013.

[6]車爽.基于列車運行控制的城市軌道交通視景仿真[D].成都：西南交通大學,2015.

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Research on Combination Technology of ATS and 3D Visual Simulation System

ZHANG Daisheng1,JIANG Peng1,CHEN Rongwu1,WANG Jianqiang2

(1.School of Information Science & Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China; 2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd,Chengdu 610031,China)

Based on the background of Zhengzhou Metro Line 1,the technology plan of combination of 3D visual simulation system and Metro ATS simulation system based on MSTS platform is proposed.The modeling process of the 3D scene system is introduced,and the data protocol for controlling object is designed.The interface server is developed for data processing and transfer between systems by MFC.The test results show that the proposed scheme has a good feasibility and meets the performances of the simulation system based on 3D visual simulation system.The new ideas and technical scheme reference is provided for the follow-up study of the train control simulation subsystem.

ATS;visual simulation;MSTS;interface

1673- 9590(2017)03- 0106- 06

2016- 06- 04

四川省科技支撐計劃資助項目(2014GZ0081)

張代勝(1991-)，男，碩士研究生;陳榮武(1971-)，男，高級工程師，博士，主要從事城市軌道交通控制方向研究E-mail:dszhang@my.swjtu.edu.cn.

A