LKJ-15型列控系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)智能仿真檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

白鴻鈞，丁大志

（1.河南思維軌道交通技術(shù)研究院有限公司，鄭州 450001）

（2.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司機(jī)務(wù)部，濟(jì)南 250001）

1 概述

列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)（LKJ）是中國(guó)自主研發(fā)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)體系的核心設(shè)備，是以防止列車冒進(jìn)信號(hào)、運(yùn)行超速和輔助司機(jī)提高操縱能力為主要目標(biāo)的列車速度控制系統(tǒng)，在保證列車安全方面發(fā)揮著重要作用[1-3]。LKJ 采用預(yù)存線路數(shù)據(jù)的方式，在車載設(shè)備中存儲(chǔ)了運(yùn)行區(qū)段的LKJ 基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)和LKJ 基礎(chǔ)運(yùn)行組織數(shù)據(jù)，二者共同構(gòu)成了LKJ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。LKJ 裝載LKJ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，為司機(jī)提供行車指導(dǎo)，保障列車安全運(yùn)行[4]。LKJ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是LKJ 實(shí)現(xiàn)列車控制功能的基礎(chǔ)，是監(jiān)控列車安全運(yùn)行的前提和保障。高效、準(zhǔn)確地制作LKJ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一直是LKJ 裝置應(yīng)用的一項(xiàng)重點(diǎn)工作，LKJ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的仿真檢驗(yàn)是LKJ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)制作的步驟之一，一直是業(yè)界的研究重點(diǎn)。

2 當(dāng)前的研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)鐵路線路建設(shè)處于一個(gè)大發(fā)展時(shí)期，新線路的投產(chǎn)和既有線路的頻繁改造導(dǎo)致LKJ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的編制工作越來(lái)越頻繁，對(duì)數(shù)據(jù)管理、制作、仿真檢驗(yàn)的安全性要求越來(lái)越高[5]。行業(yè)內(nèi)LKJ 生產(chǎn)企業(yè)、應(yīng)用單位對(duì)LKJ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的制作、檢驗(yàn)方法進(jìn)行了大量分析和研究，開(kāi)發(fā)了LKJ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息化管理系統(tǒng)和自動(dòng)模擬檢驗(yàn)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)[4-9]。

目前，開(kāi)發(fā)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)要么是從LKJ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編制管理工作的現(xiàn)狀著手，提出信息化、自動(dòng)化的LKJ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料管理、編制管理、校核管理和任務(wù)管理的解決思路，側(cè)重于LKJ 數(shù)據(jù)制作過(guò)程的管理；要么是僅僅開(kāi)發(fā)了適用于LKJ—2000 型列控系統(tǒng)的仿真檢驗(yàn)系統(tǒng)。業(yè)內(nèi)對(duì)即將大面積推廣應(yīng)用的LKJ-15 型列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)正確性保證方法尚缺少研究，也沒(méi)有研發(fā)相應(yīng)的智能化仿真檢驗(yàn)系統(tǒng)。

3 智能仿真檢驗(yàn)系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)業(yè)界研究現(xiàn)狀的分析，筆者所在的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了“LKJ-15 型列控系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)智能仿真檢驗(yàn)系統(tǒng)（LKJ Data Virification System，LDVS）”。

如圖1 所示，LDVS 自動(dòng)分析LKJ-15 型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件和LKJ—2000 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件的差異，生成數(shù)據(jù)差異項(xiàng)，結(jié)合LKJ 仿真檢驗(yàn)規(guī)則庫(kù)中針對(duì)每類數(shù)據(jù)差異的仿真檢驗(yàn)規(guī)則，生成仿真檢驗(yàn)?zāi)_本。之后自動(dòng)執(zhí)行仿真檢驗(yàn)?zāi)_本，驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)備產(chǎn)生LKJ-15和LKJ—2000 運(yùn)行所需的外部信號(hào)，比如速度、色燈信號(hào)等，控制LKJ-15 和LKJ—2000 運(yùn)行到數(shù)據(jù)元素對(duì)應(yīng)的線路和車站，采集LKJ 輸出的數(shù)據(jù)，并與期待結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，判定仿真檢驗(yàn)結(jié)果是否正確。

圖1 LDVS業(yè)務(wù)邏輯Fig.1 LDVS operation logic

LKJ 仿真檢驗(yàn)規(guī)則庫(kù)包含了完備的LKJ 各類數(shù)據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)及仿真檢驗(yàn)規(guī)則，每類數(shù)據(jù)都有明確的影響范圍分析方法、仿真檢驗(yàn)方法、判斷標(biāo)準(zhǔn)等，且仿真檢驗(yàn)方法可由用戶自由定義，該庫(kù)能動(dòng)態(tài)地增加或刪減。

對(duì)模擬檢驗(yàn)結(jié)果的判定是利用人機(jī)接口單元（DMI）顯示信息、LKJ 內(nèi)部總線數(shù)據(jù)、LKJ 運(yùn)行記錄文件、LKJ 工程數(shù)據(jù)表、LKJ 各類數(shù)據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)及模擬檢驗(yàn)規(guī)則庫(kù)等多數(shù)據(jù)糅合來(lái)進(jìn)行的，并采用總線數(shù)據(jù)、音頻、視頻等多種對(duì)比手段。

如圖2 所示，LDVS 主要由兩部分組成：一是LKJ 數(shù)據(jù)仿真檢驗(yàn)軟件。二是仿真檢驗(yàn)平臺(tái)。

圖2 LDVS架構(gòu)Fig.2 LDVS architecture

LKJ 數(shù)據(jù)仿真檢驗(yàn)軟件是一套PC 軟件，完成LKJ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比分析、仿真檢驗(yàn)?zāi)_本生成、執(zhí)行自動(dòng)仿真檢驗(yàn)、控制仿真檢驗(yàn)過(guò)程以及判定仿真檢驗(yàn)結(jié)果等功能。

仿真檢驗(yàn)平臺(tái)是系統(tǒng)中的硬件部分，通過(guò)以太網(wǎng)與LKJ 數(shù)據(jù)仿真檢驗(yàn)軟件連接。仿真檢驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)LKJ 數(shù)據(jù)仿真檢驗(yàn)軟件的驅(qū)動(dòng)和調(diào)度，產(chǎn)生LKJ運(yùn)行所需的外部信號(hào)，設(shè)定LKJ 的開(kāi)車對(duì)標(biāo)、按鍵等操作，并采集LKJ 主控插件的總線廣播信息和DMI 的音視頻信息發(fā)送給LKJ 數(shù)據(jù)仿真檢驗(yàn)軟件，供其判定仿真檢驗(yàn)的結(jié)果。

仿真檢驗(yàn)平臺(tái)主要由交換機(jī)單元、LKJ—2000仿真檢驗(yàn)單元和LKJ-15 仿真檢驗(yàn)單元構(gòu)成。為提高LKJ 數(shù)據(jù)仿真檢驗(yàn)效率，仿真檢驗(yàn)平臺(tái)具有配置多臺(tái)LKJ—2000 仿真檢驗(yàn)單元和多臺(tái)LKJ-15 仿真檢驗(yàn)單元的能力，各仿真檢驗(yàn)單元互相獨(dú)立，動(dòng)態(tài)配置，并行運(yùn)行。各LKJ—2000 仿真檢驗(yàn)單元和LKJ-15 仿真檢驗(yàn)單元通過(guò)交換機(jī)單元與LKJ 數(shù)據(jù)仿真檢驗(yàn)軟件連接，通過(guò)鏈路層（MAC）協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

每個(gè)仿真檢驗(yàn)單元（LKJ—2000 仿真檢驗(yàn)單元或LKJ-15 仿真檢驗(yàn)單元）功能結(jié)構(gòu)類似，只是根據(jù)LKJ 設(shè)備類型不同，在通信協(xié)議層面稍有差別。每個(gè)仿真檢驗(yàn)單元主要由LKJ 核心插件及其對(duì)應(yīng)的校核插件、DMI 單元及其對(duì)應(yīng)的音視頻采集插件構(gòu)成?？紤]到LKJ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)仿真檢驗(yàn)功能是對(duì)LKJ 數(shù)據(jù)正確性的驗(yàn)證，并不涉及LKJ 設(shè)備自身對(duì)外部電信號(hào)的采集，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只配備LKJ 運(yùn)行所需的核心插件，沒(méi)有采用完整的LKJ 系統(tǒng)，以此降低硬件復(fù)雜性和成本。

校核插件通過(guò)特定的內(nèi)部總線連接到LKJ 核心插件，根據(jù)LKJ 數(shù)據(jù)仿真檢驗(yàn)軟件的命令，產(chǎn)生LKJ 運(yùn)行所需的外部信號(hào)（比如速度、色燈）、LKJ按鍵信息等通過(guò)內(nèi)部總線直接發(fā)送給LKJ 核心插件。校核插件通過(guò)內(nèi)部總線讀取LKJ 核心插件上與LKJ 數(shù)據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，打包發(fā)送給LKJ 數(shù)據(jù)仿真檢驗(yàn)軟件。

音視頻采集插件連接到DMI 的音頻輸出總線和視頻輸出總線，采集音頻和視頻輸出，編碼壓縮后通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給LKJ 數(shù)據(jù)仿真檢驗(yàn)軟件。

4 智能仿真檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)

LKJ 數(shù)據(jù)仿真檢驗(yàn)軟件對(duì)LKJ-15 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和LKJ—2000 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比分析時(shí)，首先需判斷要對(duì)比的線路是否為同一條線路。如果不是同一條線路，則退出對(duì)比過(guò)程，這樣可以提高對(duì)比速度，避免陷入對(duì)比不同線路無(wú)關(guān)細(xì)節(jié)的陷阱。筆者對(duì)鐵路線路相似性特征進(jìn)行分析，提出線路相似性判斷的邏輯，并應(yīng)用在軟件開(kāi)發(fā)中。

LKJ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)制作完成后，線路數(shù)據(jù)是否能夠貫通，能否與列車運(yùn)行計(jì)劃相匹配，也是數(shù)據(jù)仿真檢驗(yàn)的重點(diǎn)。貫通檢驗(yàn)分兩步：第一步，在LKJ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中遍歷查找貫通的線路車站序列及其對(duì)應(yīng)的線路轉(zhuǎn)移條件（比如設(shè)定某個(gè)色燈信號(hào)）。第二步，進(jìn)行仿真檢驗(yàn)，判斷LKJ 運(yùn)行時(shí)真正歷經(jīng)的車站是否與線路車站序列匹配。LDVS 對(duì)LKJ 數(shù)據(jù)貫通檢驗(yàn)提出了新的方法，并在開(kāi)發(fā)中進(jìn)行實(shí)踐，滿足應(yīng)用需求。

4.1 線路相似性判斷的邏輯

如圖3 所示，一般的鐵路線路由車站和兩個(gè)車站間隔的區(qū)間組成。車站內(nèi)包含若干條股道，用來(lái)辦理貨運(yùn)裝卸、客運(yùn)旅客乘降、列車避讓等業(yè)務(wù)。

圖3 車站和區(qū)間模型Fig.3 Model of stations and sections

在精確比對(duì)線路數(shù)據(jù)一致性之前，對(duì)線路的相似性進(jìn)行分析，快速檢索出要比對(duì)的線路，將能夠排除不相關(guān)線路的干擾，大大加快精確比對(duì)的速度。

如果4所示，運(yùn)用復(fù)數(shù)空間和向量分析的方法，對(duì)線路屬性進(jìn)行分析，在復(fù)數(shù)空間中建立鐵路線路的向量，通過(guò)對(duì)比兩條線路向量的方式來(lái)計(jì)算線路的相似性。

考慮到線路由車站和區(qū)間組成的事實(shí)，通過(guò)車站復(fù)雜度和區(qū)間復(fù)雜度兩個(gè)維度來(lái)度量線路復(fù)雜度。以車站復(fù)雜度為實(shí)數(shù)坐標(biāo)系，以區(qū)間復(fù)雜度為虛數(shù)坐標(biāo)系。圖4展示線路1 和線路2 兩條線路的向量，它們?cè)趯?shí)數(shù)軸和虛數(shù)軸上的投影分別為x1、x2和i1、i2。

圖4 復(fù)平面內(nèi)線路復(fù)雜度的表示Fig.4 Demonstration of line complexity in a complex plane

計(jì)算某條線路的向量分為兩步：

1）計(jì)算實(shí)部x：即計(jì)算車站復(fù)雜度；

2）計(jì)算虛部i：即計(jì)算線路復(fù)雜度。

實(shí)部（車站復(fù)雜度）的計(jì)算方法是：

第一步：按照線路上行方向，對(duì)車站排序；

第二步：分別計(jì)算每個(gè)車站的復(fù)雜度Ck；

第三步：按照第一步獲取的車站順序，對(duì)所有車站的復(fù)雜度進(jìn)行加權(quán)累加。權(quán)=車站序號(hào)，從1開(kāi)始，也可采用其他權(quán)值，比如車站等級(jí)。

其中：車站的復(fù)雜度Ck=車站的股道數(shù)×股道長(zhǎng)度均方差×股道曲線長(zhǎng)度占比均方差×股道曲線半徑均方差。

虛部（區(qū)間復(fù)雜度）的計(jì)算方法是：

第一步：按照線路上行方向，對(duì)車站排序，車站排序后得到了區(qū)間順序；

第二步：分別計(jì)算每個(gè)區(qū)間的復(fù)雜度Ck；

第三步：按照第一步獲取的區(qū)間順序，計(jì)算所有區(qū)間的復(fù)雜度并進(jìn)行加權(quán)累加。權(quán)=區(qū)間序號(hào)，從1 開(kāi)始。

每個(gè)區(qū)間的復(fù)雜度Ck=區(qū)間長(zhǎng)度（單位：km）×區(qū)間線路的平均曲線半徑×區(qū)間線路曲線半徑均方差×區(qū)間線路的平均坡度×區(qū)間線路坡度均方差。

由實(shí)部和虛部合成線路向量。

計(jì)算兩條線路復(fù)雜度向量的夾角和模，若夾角和模在設(shè)定的允許范圍內(nèi)，則可以認(rèn)為是一條線路。

4.2 貫通檢驗(yàn)的方法

貫通檢驗(yàn)的核心問(wèn)題是根據(jù)起始站，按照行車順序?qū)ふ业较乱粋€(gè)車站，其間可能存在跨線的情況，從線路A1 的車站B1 轉(zhuǎn)到線路A2 的車站B2。把多條復(fù)雜鏈接的線路是做一張連通圖，從起始站開(kāi)始，按照深度優(yōu)先的算法，可以遍歷出所有的貫通路線。為防止出現(xiàn)線路回環(huán)的情況，設(shè)定最大跨線數(shù)和相同線路識(shí)別機(jī)制。貫通線路的遍歷方法如圖5 所示。

圖5 貫通檢驗(yàn)車站遍歷算法Fig.5 Traversal algorithm of line penetration test

得到車站序列和操作序列后就可以進(jìn)行仿真檢驗(yàn)，判斷LKJ 運(yùn)行時(shí)歷經(jīng)的車站是否在車站序列范圍內(nèi)。仿真檢驗(yàn)的算法如圖6 所示。

圖6 貫通檢驗(yàn)算法Fig.6 Penetration test algorithm

貫通檢驗(yàn)的算法可以采用動(dòng)態(tài)語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，便于后期的擴(kuò)充和修改[10]。

5 結(jié)論

LKJ-15 型列控系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)仿真檢驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，滿足了LKJ-15 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)比對(duì)、檢驗(yàn)、仿真的基本需求，文中所述的線路相似性分析方法和貫通檢驗(yàn)方法為相關(guān)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了很好的思路，可以應(yīng)用在鐵路線路設(shè)計(jì)等更廣闊的場(chǎng)景中。