視景仿真技術在鄭州地鐵1號線列車自動監(jiān)控系統(tǒng)中的應用*

王懷松 陳榮武 易立富 王堅強 楊 城

（1.西南交通大學信息科學與技術學院，610031，成都；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，611756，成都//第一作者，碩士研究生）

視景仿真技術在鄭州地鐵1號線列車自動監(jiān)控系統(tǒng)中的應用*

王懷松1陳榮武1易立富2王堅強2楊 城1

（1.西南交通大學信息科學與技術學院，610031，成都；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，611756，成都//第一作者，碩士研究生）

通過列車運行視景仿真系統(tǒng)，可將視景仿真技術應用到城市軌道交通列車自動監(jiān)控系統(tǒng)中。以鄭州地鐵1號線為例，介紹了列車運行視景仿真系統(tǒng)的建立過程。通過系統(tǒng)接口通信，ATS（列車自動監(jiān)控）系統(tǒng)實現(xiàn)了對列車運行視景仿真系統(tǒng)的列車自動追蹤功能、信號控制功能，以及信號設備狀態(tài)監(jiān)控功能。經過仿真測試驗證，視景系統(tǒng)圖像輸出流暢，可真實描述地鐵列車的運行場景；視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)結合能模擬ATS系統(tǒng)對在線列車的主要監(jiān)控功能，具有良好的實時控制性與穩(wěn)定性。

地鐵；視景仿真技術；列車自動監(jiān)控系統(tǒng)

列車運行視景仿真技術將三維視景仿真技術與軌道交通控制系統(tǒng)結合，廣泛應用于列車駕駛員培訓系統(tǒng)和列車運營三維演示系統(tǒng)中。隨著計算機圖像技術以及自動化控制技術的不斷進步，列車運行視景仿真方法也日趨多元化。

ATS（列車自動監(jiān)控）系統(tǒng)是城市軌道交通ATC（列車自動控制）系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)，是集現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信、計算機網絡和信號技術為一體的分布式實時監(jiān)督、控制系統(tǒng)［1］。

將列車運行視景仿真技術應用到ATS系統(tǒng)中，要先建立列車運行視景仿真系統(tǒng)（以下簡為“視景系統(tǒng)”），并在視景系統(tǒng)中模擬列車運行的客觀環(huán)境，從而實現(xiàn)列車運行三維環(huán)境與ATS系統(tǒng)的實時信息交互。這對研究和測試ATS的系統(tǒng)功能具有重要意義。

1 視景系統(tǒng)

1.1 視景系統(tǒng)的建立

視景系統(tǒng)以鄭州地鐵1號線的真實列車運行環(huán)境為原型。首先，在MSTS建模平臺上構建線路三維模型；然后，便可在VS2013軟件開發(fā)平臺上開發(fā)各種所需要的系統(tǒng)控制功能，從而模擬出豐富的列車運行場景，最終完成視景系統(tǒng)的搭建。

視景系統(tǒng)性能的主要評價指標包括可擴展性、建模高效性、逼真性以及模擬場景的豐富性［2］?；谖④汳STS平臺的建模方法具有強大的圖像處理能力以及批量式布景功能，能大幅提高建模的質量與效率，能完全滿足視景系統(tǒng)的性能需求。

視景系統(tǒng)中需要建模的主要場景模型包括：列車、軌道、信號機、車站、隧道，高架橋及其他建筑景觀［3］。視景系統(tǒng)的設計過程如圖1所示。

圖1 視景系統(tǒng)設計過程

1.2 視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信

基于MSTS平臺開發(fā)的視景系統(tǒng)具有良好的擴展性。通過通信接口就可以方便地把視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)從而實現(xiàn)視景仿真技術在ATS系統(tǒng)中的應用。由于視景系統(tǒng)是基于ATS系統(tǒng)對室外列車運行場景進行模擬的，故首先要保證兩個系統(tǒng)之間信息交互的實時性和同步性，進而實現(xiàn)模擬車地雙向通信的功能［4］。為此，兩者之間的通信接口采用TCP/IP網絡傳輸協(xié)議，并采用C#語言進行程序設計；而且，視景系統(tǒng)在建模時，其線路數(shù)據(jù)和信號設備位置要與ATS系統(tǒng)保持一一對應。在列車運行過程中，ATS系統(tǒng)與視景系統(tǒng)之間所交換的數(shù)據(jù)內容如圖2所示。

圖2 視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)間交換的數(shù)據(jù)

視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)相結合后，ATS作為服務器，視景系統(tǒng)作為客戶端，在ATS系統(tǒng)界面可對視景系統(tǒng)中的列車和信號設備進行監(jiān)控。此外，ATS支持多客戶端接入，每臺裝有視景系統(tǒng)的PC機均可作為1個客戶端接入ATS系統(tǒng)。因此，通過ATS服務器界面可對多個不同運行場景的列車運行狀態(tài)和信號設備狀態(tài)進行監(jiān)控。

2 ATS系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

ATS系統(tǒng)的基本功能包括監(jiān)視功能與控制功能［5］。監(jiān)視功能是指對全線的列車和設備進行監(jiān)控；控制功能主要是指信號的自動控制功能、時刻表及運行圖的自動調整功能等。通過視景系統(tǒng)模擬室外真實的列車運行場景，可更好地實現(xiàn)ATS系統(tǒng)功能。

視景系統(tǒng)將列車位置數(shù)據(jù)及車次號等信息發(fā)送到ATS系統(tǒng)接收端后，ATS系統(tǒng)可據(jù)此來實現(xiàn)全線的列車自動追蹤運行、顯示車次號、實現(xiàn)列車進入及駛出管轄區(qū)的車次號自動移位。

2.1 列車自動追蹤功能

視景系統(tǒng)三維列車運行時，通過Timer（時鐘）設置功能每隔0.05 s向ATS系統(tǒng)發(fā)送1次位置數(shù)據(jù)。列車位置數(shù)據(jù)由程序變量（FrontTDBTraveller.Location.X、FrontTDBTraveller.Location.Y、FrontTDBTraveller.Location.Z）中獲取。其中，F(xiàn)rontTDBTraveller表示在三維視景系統(tǒng)下的列車沿運行方向最前方所在位置，且每個位置由X、Y、Z三個坐標唯一確定。視景系統(tǒng)將讀到的坐標信息經過格式轉換后發(fā)送到ATS系統(tǒng)。ATS系統(tǒng)根據(jù)接收到的位置數(shù)據(jù)控制模擬列車運行到相應位置，從而實現(xiàn)ATS系統(tǒng)對本管轄范圍內列車的自動追蹤功能。列車自動追蹤功能的實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 ATS系統(tǒng)通過視景系統(tǒng)實現(xiàn)列車自動追蹤功能的流程

2.2 ATS信號控制功能

ATS系統(tǒng)的信號控制功能主要體現(xiàn)在對道岔、信號機以及進路的控制上。信號機、道岔及進路之間具有一定的聯(lián)鎖關系［6］。ATS系統(tǒng)首先通過列車識別信息和列車所處的軌道區(qū)段，自動生成前方道岔區(qū)段的進路控制指令，再按照列車的接近條件自動控制道岔轉換、開放信號機，最后運用安全聯(lián)鎖來實現(xiàn)列車進路的自動排列。

2.2.1 ATS系統(tǒng)對視景系統(tǒng)道岔和信號機的控制

視景系統(tǒng)中的每個道岔或信號機都有ID（標識）編號。當ATS系統(tǒng)需要控制視景系統(tǒng)中的某個道岔（或信號機）時，ATS系統(tǒng)會產生1個相應的信號控制命令并發(fā)送到視景系統(tǒng)中。每一個信號控制命令的格式均為“信號控制類型+信號設備ID+目的轉換狀態(tài)”。在信號控制命令中，“信號控制類型”用“SWI”和“SIG”分別表示道岔和信號機，道岔的“目的轉換狀態(tài)”用二進制數(shù)“00”和“01”分別表示定位狀態(tài)和反位狀態(tài)，信號機的“目的轉換狀態(tài)”用二進制數(shù)“00”、“01”和“10”分別表示紅燈、綠燈和黃燈狀態(tài)。

視景系統(tǒng)通過VS2013開發(fā)平臺來實現(xiàn)對道岔和信號機的控制。當視景系統(tǒng)收到信號控制命令后將道岔和信號機轉換到相應的狀態(tài)?？刂频啦淼暮瘮?shù)為“void DealSwitchCommand（int id，int state）”，控制信號機的函數(shù)為“void DealSignalCommand（int id，int state）”。其中“id”和“state”為視景系統(tǒng)獲取到的信號設備ID編號及其目的轉換狀態(tài)。

ATS系統(tǒng)界面和視景系統(tǒng)界面道岔轉換前后的實景圖如圖4～7所示。

2.2.2 ATS進路控制功能

ATS系統(tǒng)的進路控制功能是通過對道岔及信號機等信號設備的集中控制實現(xiàn)的。在ATS系統(tǒng)發(fā)送進路控制命令前，視景系統(tǒng)會先以ATS系統(tǒng)中的信號設備為標準初始化視景系統(tǒng)的所有道岔和信號機；收到ATS發(fā)送的進路命令后，視景系統(tǒng)將道岔和信號機狀態(tài)集中轉換到與ATS系統(tǒng)一致；同時，ATS的人機界面會直觀的顯示排列好的進路。在視景系統(tǒng)道岔和信號機狀態(tài)轉換過程中，視景系統(tǒng)中信號設備的變化狀態(tài)、列車的位置和運行狀態(tài)、列車的車次號均可通過ATS系統(tǒng)進行監(jiān)控。

圖4 ATS系統(tǒng)道岔定位實景圖

圖5 視景系統(tǒng)道岔定位實景圖

圖6 ATS系統(tǒng)道岔反位實景圖

圖7 視景系統(tǒng)道岔反位實景圖

3 仿真測試

為保證ATS系統(tǒng)與視景系統(tǒng)的同步性與實時性，需進行仿真測試。測試平臺硬件部分主要包括8臺PC機（i7處理器，8G RAM，2G顯存）及8臺1920×1080分辨率的顯示器。測試平臺軟件部分主要包括 MSTS、Visual Studio 2013、.Net Framework 3.1，操作系統(tǒng)為 Windows7（64 bit）。測試平臺將 1臺PC機作為ATS系統(tǒng)服務器，將其余PC機作為視景系統(tǒng)客戶端通過局域網接入ATS系統(tǒng)。測試以鄭州地鐵1號線為線路背景，從ATS系統(tǒng)的控制功能，以及視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)的同步性和數(shù)據(jù)交互的實時性、視景系統(tǒng)圖像輸出的流暢性等方面進行測試。同步性與實時性的測試效果見圖8。

測試結果表明：視景系統(tǒng)圖像輸出流暢，可真實描述地鐵列車在室外的運行場景；視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)結合能模擬ATS系統(tǒng)對室外在線列車的主要監(jiān)控功能，且信號采集周期小于0.05 s，具有良好的實時控制性與穩(wěn)定性。

圖8 ATS系統(tǒng)與視景系統(tǒng)的同步性與實時性測試效果

4 結語

基于MSTS平臺建立的視景系統(tǒng)，能實現(xiàn)視景仿真技術在ATS系統(tǒng)中的應用，能實現(xiàn)ATS系統(tǒng)對視景系統(tǒng)中列車運行狀態(tài)、線路信號設備狀態(tài)的監(jiān)控功能，更深入地發(fā)揮了視景仿真技術在軌道交通領域的作用，對其他列車控制子系統(tǒng)的研究和測試具有啟示意義。

視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)的結合取得了預期的測試效果，但還有可優(yōu)化與擴展的空間：

（1）可將更多的ATS系統(tǒng)功能（如按時刻表發(fā)車、ATS故障模擬、監(jiān)測與報警功能等）與視景系統(tǒng)結合，從而構建功能更加完善的ATS綜合仿真平臺。

（2）日后可根據(jù)實際情況把視景系統(tǒng)應用到ATO（列車自動控制）系統(tǒng)與ATP（自動防護）系統(tǒng)的研究與測試中。

［1］ 邢紅霞，李樂.城市軌道交通信號系統(tǒng)［M］.重慶：重慶大學出版社，2013：113

［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，2006，18（6）：1724.

［3］ 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.

［4］ 唐濤，郜春海，李開成，等.基于通信的列車運行控制技術發(fā)展戰(zhàn)略探討［J］.都市快軌交通，2005（6）：25.

［5］ 陳榮武.城市軌道交通控制［M］.北京：科學出版社，2014.

［6］ 董昱.區(qū)間信號與列車運行控制系統(tǒng)［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

Application of Visual Simulation Technology in Train ATS of Zhengzhou Metro Line 1

WANG Huaisong，CHEN Rongwu，YI Lifu，WANG Jianqiang，YANG Cheng

Through adopting visual simulation system in train operation，the visual simulation technology can be applied to rail transport ATS system.Based on Zhengzhou metro Line 1,the use of novel technology of visual simulation is introduced.By connecting system interfaces,ATS hasrealized the functions of train running status monitoring,signal control,signal device condition monitoring and so on.The simulation results show that the image output is fluent,which can describe the real train running scene,simulate the main control functions of running trains when combined with ATS system with good performance and stability.

metro；visual simulation technology；automatic train supervision（ATS）system

First-author′s address School of Information Science&Technology，Southwest Jiaotong University，610031，Chengdu，China

U284.48

10.16037/j.1007-869x.2017.12.034

*四川省科技支撐計劃項目（14ZC2069，2014GZ0081）

2016-03-31）