CBTC仿真測(cè)試系統(tǒng)線路數(shù)據(jù)可視化生成的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬暢

【摘 要】本文介紹CBTC仿真測(cè)試系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及各子系統(tǒng)的功能。在對(duì)線路數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究分析的基礎(chǔ)上，提出一種線路數(shù)據(jù)可視化顯示及生成方案，利用UML構(gòu)建了靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，對(duì)該方案進(jìn)行闡述。對(duì)于數(shù)據(jù)生成結(jié)果，以XML結(jié)構(gòu)化線路拓?fù)湫畔?，使用?shù)據(jù)庫(kù)表保存線路設(shè)備數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】軌道交通；CBTC；線路數(shù)據(jù)；可視化生成

基于通信的列車(chē)自動(dòng)控制（CBTC）系統(tǒng)作為城市軌道交通控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的功能及安全測(cè)試，確保系統(tǒng)的質(zhì)量合格。計(jì)算機(jī)仿真測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)線測(cè)試是CBTC測(cè)試的兩種手段，其中計(jì)算機(jī)仿真測(cè)試以其經(jīng)濟(jì)、安全、可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用[1]。CBTC仿真測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)研究CBTC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為，利用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行模擬，分析系統(tǒng)對(duì)測(cè)試用例的響應(yīng)，進(jìn)而驗(yàn)證系統(tǒng)功能，評(píng)估系統(tǒng)安全性。

一、CBTC仿真測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CBTC仿真測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試引擎、車(chē)輛仿真子系統(tǒng)、接口中間件子系統(tǒng)、軌旁設(shè)備仿真子系統(tǒng)組成。測(cè)試引擎負(fù)責(zé)監(jiān)控車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及軌旁設(shè)備狀態(tài)，生成、管理、執(zhí)行自動(dòng)化測(cè)試腳本，處理測(cè)試結(jié)果；車(chē)輛仿真子系統(tǒng)是對(duì)真實(shí)列車(chē)的運(yùn)行動(dòng)力學(xué)仿真，通過(guò)牽引力、牽引延時(shí)、制動(dòng)延時(shí)和黏著力等參數(shù)構(gòu)建列車(chē)運(yùn)動(dòng)模型[2]。結(jié)合運(yùn)行場(chǎng)景計(jì)算出列車(chē)的瞬時(shí)速度、加速度以及位移等信息，并周期向被測(cè)系統(tǒng)更新；軌旁仿真子系統(tǒng)負(fù)責(zé)信號(hào)機(jī)、道岔、區(qū)段、屏蔽門(mén)、按鈕等軌旁設(shè)備仿真，動(dòng)態(tài)顯示站場(chǎng)圖，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障注入，提供一個(gè)虛擬的設(shè)備環(huán)境；接口中間件子系統(tǒng)的作用是對(duì)接受到的設(shè)備狀態(tài)信息、控制命令、應(yīng)答器報(bào)文等進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換及物理節(jié)點(diǎn)映射，然后再轉(zhuǎn)發(fā)出去，其設(shè)計(jì)目的是屏蔽各種被測(cè)CBTC系統(tǒng)的差異性和復(fù)雜性，保證CBTC仿真測(cè)試系統(tǒng)的獨(dú)立性，提高它的通用性。

二、站場(chǎng)可視化設(shè)計(jì)

1.可視化技術(shù)簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)指的是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換位圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)。其主旨是借助于圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息，并利用數(shù)據(jù)分析和開(kāi)發(fā)工具發(fā)現(xiàn)其中未知信息的處理過(guò)程。它涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)及人機(jī)交互技術(shù)等諸多領(lǐng)域[3]。

線路數(shù)據(jù)主要來(lái)源于站場(chǎng)平面布置圖，該圖是根據(jù)站場(chǎng)縮尺平面圖繪制成的有關(guān)設(shè)備布置情況的技術(shù)圖紙，描述的是CBTC仿真測(cè)試過(guò)程中的整個(gè)線路環(huán)境，對(duì)于被測(cè)系統(tǒng)而言就是真實(shí)線路上的各種物理設(shè)備和運(yùn)行場(chǎng)景?，F(xiàn)在CBTC測(cè)試中的平面線路布置圖普遍采用DWG格式，圖中各種設(shè)備數(shù)量總和一般數(shù)量巨大，大型的站場(chǎng)圖尤甚，人工生成相應(yīng)的線路數(shù)據(jù)繁雜且容易出錯(cuò)。因此可以采用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，通過(guò)豐富的圖形交互功能實(shí)現(xiàn)線路數(shù)據(jù)的可視化生成，從而使數(shù)據(jù)可以更加靈活的展示，更易于理解和編輯。

2.設(shè)備圖元設(shè)計(jì)

CBTC線路設(shè)備有信號(hào)機(jī)、道岔、區(qū)段、計(jì)軸器、屏蔽門(mén)、（有源/無(wú)源）應(yīng)答器等。所謂圖元，就是這些設(shè)備在計(jì)算機(jī)屏幕上的圖形表示。對(duì)于每一個(gè)設(shè)備圖元，使用唯一的圖元ID號(hào)加以區(qū)別，以便于進(jìn)行設(shè)備統(tǒng)計(jì)和進(jìn)路搜索等操作。至于設(shè)備的不同狀態(tài)，道岔的岔前、定位和反位可以使用不同的線段顏色表示，區(qū)段的鎖閉、解鎖與此類(lèi)似；信號(hào)機(jī)則可以根據(jù)所點(diǎn)的燈絲，用對(duì)應(yīng)的顏色填充相應(yīng)的燈體。設(shè)備圖元根據(jù)車(chē)站平面布置圖排列組合，就構(gòu)成了站場(chǎng)圖。站場(chǎng)圖是線路拓?fù)鋽?shù)據(jù)的可視化表現(xiàn)形式，描述了車(chē)站站場(chǎng)中信號(hào)機(jī)、道岔、軌道區(qū)段等線路設(shè)備之間的連鎖關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系[4]。在CBTC仿真測(cè)試系統(tǒng)中，線路拓?fù)鋽?shù)據(jù)用以描述線路設(shè)備間的拓?fù)潢P(guān)系，主要包括圖元ID、設(shè)備類(lèi)型、設(shè)備名、設(shè)備編號(hào)、車(chē)站信息、坐標(biāo)、前驅(qū)后繼設(shè)備等信息。對(duì)站場(chǎng)圖中設(shè)備按類(lèi)型、按車(chē)站、按所在線路等要求統(tǒng)計(jì)后所得的數(shù)據(jù)，即線路設(shè)備統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。線路拓?fù)鋽?shù)據(jù)和線路設(shè)備統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均是線路數(shù)據(jù)的重要組成部分。

3.交互設(shè)計(jì)

在完成設(shè)備到圖元的可視化映射后，需要實(shí)現(xiàn)人與圖元之間的交互，其中，最重要的是在窗口（用戶(hù)界面）中完成圖元與鍵鼠的交互。窗口是人機(jī)溝通的橋梁，而鍵鼠則是最常用的人機(jī)交互設(shè)備。交互操作的實(shí)現(xiàn)有賴(lài)于圖元對(duì)鍵鼠事件的響應(yīng)，比如通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊繪制/編輯/選中設(shè)備圖元、鼠標(biāo)拖放圖元實(shí)現(xiàn)重定位、通過(guò)滾輪縮放更改圖元尺寸以更好地觀察站場(chǎng)圖中的局部細(xì)節(jié)或是總體概況、獲取鍵盤(pán)輸入的設(shè)備信息等。

三、線路數(shù)據(jù)生成分析

1.LDG系統(tǒng)靜態(tài)模型

線路數(shù)據(jù)的主體是線路設(shè)備，對(duì)于每一種設(shè)備類(lèi)型，可以采用面向?qū)ο蟮乃枷氤橄蟪鱿鄳?yīng)的類(lèi)，用以描述此設(shè)備類(lèi)型相關(guān)的屬性、操作、關(guān)系和語(yǔ)義。設(shè)備間具有一些共性：名稱(chēng)、編號(hào)、設(shè)備類(lèi)型、坐標(biāo)（在屏幕上繪圖區(qū)域中的位置）、公里標(biāo)及公里標(biāo)系（平面布置圖中的位置）、車(chē)站名、車(chē)站編號(hào)、左側(cè)設(shè)備類(lèi)型、左側(cè)設(shè)備編號(hào)、右側(cè)設(shè)備類(lèi)型、右側(cè)設(shè)備編號(hào)、所屬ZC區(qū)域、所屬ATS區(qū)域、所屬CI區(qū)域等。當(dāng)然也會(huì)有自己特有的一些屬性和行為，比如信號(hào)機(jī)特有的一些屬性：信號(hào)機(jī)類(lèi)型、立柱高度（高柱和矮柱）、防護(hù)方向、是否存在并置信號(hào)機(jī)以及并置信號(hào)機(jī)編號(hào)以及信號(hào)顯示等，特有的行為：點(diǎn)亮/熄滅某種色燈；道岔的特有屬性：道岔類(lèi)型、動(dòng)作類(lèi)型（單動(dòng)/雙動(dòng)）、道岔的位置（定位/反位）、所屬區(qū)段等，特有的行為：改變道岔的位置；區(qū)段特有的屬性：物理類(lèi)型（計(jì)軸區(qū)段/軌道區(qū)段）、區(qū)段內(nèi)道岔（數(shù)量及編號(hào)）、區(qū)段內(nèi)屏蔽門(mén)（數(shù)量及編號(hào)）、區(qū)段內(nèi)緊急停車(chē)按鈕（數(shù)量及編號(hào)）、區(qū)段內(nèi)扣車(chē)按鈕（數(shù)量及編號(hào)）、區(qū)段內(nèi)折返按鈕（數(shù)量及編號(hào)）等；應(yīng)答器存在有源、無(wú)源應(yīng)答器之分。

2.LDG系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型

序列圖是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的重要組成部分，用于表示對(duì)象的行為順序。序列圖由一組對(duì)象構(gòu)成，每個(gè)對(duì)象分別帶有一條豎線，代表生命線，生命線若消失表示對(duì)象被銷(xiāo)毀。從一個(gè)對(duì)象的生命線指向另一個(gè)對(duì)象的生命線的水平箭頭表示消息。序列圖就是描述對(duì)象間隨著時(shí)間的推移互相之間交換消息的過(guò)程。

3.線路數(shù)據(jù)保存

最終生成的線路數(shù)據(jù)中設(shè)備統(tǒng)計(jì)信息和設(shè)備屬性信息由數(shù)據(jù)庫(kù)類(lèi)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)；線路拓?fù)鋽?shù)據(jù)則由XML類(lèi)保存為XML文件。數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的保存關(guān)鍵在于將類(lèi)映射為數(shù)據(jù)庫(kù)表，這個(gè)過(guò)程遵循下面的規(guī)則：

（1）每種線路設(shè)備對(duì)應(yīng)一張數(shù)據(jù)庫(kù)表，以設(shè)備的編號(hào)作為主鍵；

（2）沒(méi)有屬性的類(lèi)無(wú)需映射為數(shù)據(jù)庫(kù)表，如Form類(lèi)、控制類(lèi)、XML類(lèi)和數(shù)據(jù)類(lèi)；

（3）如果子類(lèi)映射表中包含父類(lèi)的屬性，只將子類(lèi)映射為數(shù)據(jù)庫(kù)表，父類(lèi)并不映射，如DevBase類(lèi)；

（4）類(lèi)的屬性可以映射為數(shù)據(jù)庫(kù)表中的1個(gè)或多個(gè)屬性列，但并非類(lèi)中所有的屬性都需要映射，比如設(shè)備類(lèi)中設(shè)備名在編輯窗口中坐標(biāo)信息、顯示的字體、顏色、對(duì)齊方式等；當(dāng)然也可以根據(jù)需要將若干個(gè)屬性映射為表中的一個(gè)屬性列。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文從可視化生成線路數(shù)據(jù)的角度出發(fā)，對(duì)站場(chǎng)圖的顯示進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析了研究線路數(shù)據(jù)的組成和特點(diǎn)，并利用UML對(duì)數(shù)據(jù)生成過(guò)程進(jìn)行建模，構(gòu)建LDG系統(tǒng)的靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，使用線路數(shù)據(jù)庫(kù)表保存設(shè)備統(tǒng)計(jì)信息和設(shè)備屬性信息，用XML文件保存線路拓?fù)鋽?shù)據(jù)，并最終在C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境下，對(duì)LDG系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。通過(guò)實(shí)際的測(cè)試，這種線路數(shù)據(jù)自動(dòng)生成的方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展，有利于實(shí)現(xiàn)CBTC仿真測(cè)試系統(tǒng)中各子系統(tǒng)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，降低開(kāi)發(fā)成本，提高系統(tǒng)效率，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]饒康康，陳邦興，徐中偉，等.CBTC線路仿真系統(tǒng)的站場(chǎng)圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].城市軌道交通研究，2013，16（1）：38-42.

[2]許文鵬.數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.