寧波地鐵2號(hào)線信號(hào)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

謝 乾

（寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，浙江 寧波 315000）

由于信號(hào)系統(tǒng)的模擬仿真依賴于大量的實(shí)際物理設(shè)備，功能限制較大、維護(hù)成本高且現(xiàn)有培訓(xùn)系統(tǒng)與實(shí)際環(huán)境存在偏差造成培訓(xùn)效率低。

為了優(yōu)化這一局面，進(jìn)一步提升工作人員的操作水平，該文提出以軟、硬件結(jié)合邏輯運(yùn)算方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)的模擬仿真，以實(shí)際的信號(hào)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，面向運(yùn)營提供高度還原的信號(hào)操作模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)行車組織、故障等常用場景的模擬，提高相關(guān)的培訓(xùn)及演練效率。

1 寧波地鐵2號(hào)線概況

寧波市軌道交通2號(hào)線線路全長28.35 km，共設(shè)22座車站，平均站間距1.331 km。采用卡斯柯信號(hào)有限公司的Urbalis888 CBTC系統(tǒng)，包括ATP（Automatic Train Protection列車自動(dòng)防護(hù)）、ATO[1]（Automatic Train Operation列車自動(dòng)駕駛）、CBI聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)等，列車運(yùn)行最短間隔90 s，為提高專業(yè)人員設(shè)備操作熟練度，提升故障應(yīng)急處置效率，提升信號(hào)系統(tǒng)影響行車時(shí)各專業(yè)間聯(lián)動(dòng)配合性，建立了一套完善的信號(hào)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

2 仿真系統(tǒng)硬件架構(gòu)

信號(hào)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖如圖1所示。

信號(hào)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)由業(yè)務(wù)仿真服務(wù)器、工作站及之間的網(wǎng)絡(luò)硬件構(gòu)成。其中，在服務(wù)器上，部署了仿真培訓(xùn)系統(tǒng)后臺(tái)，使用3臺(tái)服務(wù)器互為冗余配置。根據(jù)培訓(xùn)功能需求，配置了5臺(tái)工作站，分別為行調(diào)值班員、車站值班員、司機(jī)及信號(hào)人員4個(gè)角色建立模擬一項(xiàng)或多項(xiàng)故障場景，在該場景下同時(shí)共4個(gè)角色進(jìn)入使用。

3 仿真系統(tǒng)軟件架構(gòu)

該文以寧波地鐵2號(hào)線卡斯柯信號(hào)系統(tǒng)為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研發(fā)，軟件采用Java和Node.js作為主要開發(fā)語言。軟件架構(gòu)基于微服務(wù)體系，分為多個(gè)應(yīng)用服務(wù)。微服務(wù)是一種基于功能模塊化設(shè)計(jì)并將每個(gè)功能模塊服務(wù)化的架構(gòu)體系。這些業(yè)務(wù)模塊通過微服務(wù)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的鑒權(quán)和流量防護(hù)，互相之間可以通過HTTP實(shí)現(xiàn)調(diào)用，并能夠通過Docker容器化部署。這些服務(wù)可以使用不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，并保持最低限度的集中式管理。同時(shí)，每個(gè)服務(wù)均可以集群方式[3]部署，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高并發(fā)和高可用。

為了保持靈活的擴(kuò)展性，信號(hào)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)。整個(gè)軟件架構(gòu)從下至上，總共分為3層，分別是業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)核心層和人機(jī)界面層。

3.1 業(yè)務(wù)邏輯層

信號(hào)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，業(yè)務(wù)邏輯層通過不同的模塊，分別實(shí)現(xiàn)列車控制邏輯、聯(lián)鎖邏輯、進(jìn)路控制邏輯及各子系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯等。

業(yè)務(wù)邏輯層采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方式，能夠快速地對(duì)信號(hào)系統(tǒng)中的各個(gè)系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的邏輯運(yùn)算，有較靈活的適應(yīng)性和方便的擴(kuò)展性。

3.2 數(shù)據(jù)核心層

構(gòu)建信號(hào)培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，需要大量的數(shù)據(jù)的支撐，從設(shè)備的點(diǎn)位信息到車輛的編組信息，從人員的角色信息到場景的狀態(tài)信息等，都需要以數(shù)據(jù)核心層為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的堆砌。

數(shù)據(jù)核心層后臺(tái)采用分布式的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。分布式數(shù)據(jù)庫在信號(hào)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，能夠提供穩(wěn)定的計(jì)算性能，同時(shí)，保持高效的數(shù)據(jù)讀寫速度，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的持久運(yùn)行。

圖1 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

3.3 人機(jī)界面層

人機(jī)界面層是面向培訓(xùn)對(duì)象的窗口。人機(jī)界面層采用SVG圖像文件格式作為界面的主要組成部分。SVG為可縮放的矢量圖形。它是基于 XML，由萬維網(wǎng)聯(lián)盟（W3C）進(jìn)行開發(fā)的。用戶可以直接用代碼來描繪圖像，可以用任何文字處理工具打開 SVG 圖像，通過改變部分代碼來使圖像具有交互功能，并可以隨時(shí)插入 HTML中通過瀏覽器來觀看。

人機(jī)界面層完全按照寧波軌道交通 2 號(hào)線為原型，進(jìn)行100%的復(fù)刻，以保障培訓(xùn)前后操作人員的認(rèn)知的一致性。

4 仿真系統(tǒng)功能

該項(xiàng)信號(hào)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)支持以下功能。

4.1 正常情況下的操作模擬

通過軟件模擬，實(shí)現(xiàn)調(diào)度長/調(diào)度員、車站值班員、信號(hào)人員、司機(jī)的人機(jī)界面；并根據(jù)信號(hào)的基本運(yùn)行邏輯，結(jié)合實(shí)際的運(yùn)營業(yè)務(wù)要求，實(shí)現(xiàn)電腦仿真的駕駛模式模擬，包括ATO模式、無人自動(dòng)折返模式（ATB）、在ATP監(jiān)督下的人工駕駛模式（ATPM）等。實(shí)現(xiàn)運(yùn)營模式模擬，包括基于通信的移動(dòng)閉塞列車控制系統(tǒng)（CBTC）、強(qiáng)制降級(jí)（BM）模式和非強(qiáng)制BM模式。實(shí)現(xiàn)運(yùn)營組織操作，包括插入列車、退出載客列車、列車在正線運(yùn)行、進(jìn)入和退出正線、列車調(diào)整等。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)基本進(jìn)路操作，包括進(jìn)路人工設(shè)置、連續(xù)通過進(jìn)路、自動(dòng)折返進(jìn)路、按運(yùn)行圖或目的地自動(dòng)設(shè)置進(jìn)路，并在進(jìn)路操作的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)列車按照進(jìn)路操作的結(jié)果自動(dòng)運(yùn)行。

4.2 非緊急降級(jí)模下的操作模擬

針對(duì)實(shí)際運(yùn)營過程中，由于設(shè)備故障等引起非緊急降級(jí)模式的操作進(jìn)行模擬，允許通過軟件實(shí)現(xiàn)故障的設(shè)置，其中，軌旁設(shè)備故障包括CBI故障、LC故障、ZC故障等，車載設(shè)備故障包括車載CC故障、信標(biāo)天線故障、編碼里程計(jì)故障、列車失去定位等。在設(shè)置故障后，按照信號(hào)系統(tǒng)提供的操作規(guī)范，軟件會(huì)模擬故障發(fā)生時(shí)的系統(tǒng)自動(dòng)反應(yīng)、模擬顯示收到的信息。

4.3 緊急降級(jí)模下的操作模擬

針對(duì)實(shí)際運(yùn)營過程中，由于特殊情況造成的緊急降級(jí)模式進(jìn)行操作模擬，包括ESB激活、緊急手柄激活以及乘客疏散等。

在上述3中情況模擬的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)提供教學(xué)、培訓(xùn)及考核功能。系統(tǒng)允許用戶對(duì)場景進(jìn)行設(shè)置，例如設(shè)置正常運(yùn)營場景、故障場景等，學(xué)員可以在該場景發(fā)生的基礎(chǔ)上，按照實(shí)際要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，系統(tǒng)在后臺(tái)記錄學(xué)員的操作結(jié)果及操作時(shí)長，并根據(jù)系統(tǒng)中的考核要求，給出最終的判定及結(jié)果，以此實(shí)現(xiàn)考核功能。

5 仿真邏輯

要想信號(hào)仿真系統(tǒng)界面及功能與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境保持一致，必須在軟件上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯信息關(guān)聯(lián)，下面簡單舉例一項(xiàng)相關(guān)軟件在邏輯關(guān)系上的處理。進(jìn)路的建立邏輯為進(jìn)路建立分自動(dòng)觸發(fā)進(jìn)路和人工手動(dòng)排列進(jìn)路，首先由ATS模塊下達(dá)進(jìn)路排列命令，ATS根據(jù)命令檢查進(jìn)路表，隨后相關(guān)命令信息關(guān)聯(lián)至聯(lián)鎖表進(jìn)行進(jìn)路建立條件檢查，可執(zhí)行則進(jìn)行相關(guān)進(jìn)路開放及鎖定等操作，若不可執(zhí)行則報(bào)告進(jìn)路失效。

6 模擬場景

在實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)搭建、硬件結(jié)構(gòu)搭建及仿真邏輯關(guān)聯(lián)后，通過模擬信號(hào)系統(tǒng)中各個(gè)模塊（ATS、CC、ZC、CI等）功能，實(shí)現(xiàn)列車在CBTC、iATP和純CI情況下的行車邏輯。培訓(xùn)管理人員可以通過界面選擇相應(yīng)劇情，來觸發(fā)各類設(shè)備故障、災(zāi)害發(fā)生等情況下的模擬仿真。例如XX 車站站臺(tái)觸發(fā)關(guān)閉、XX設(shè)備故障等，下面簡單舉例CI故障模擬場景。

故障情況：CI 雙套聯(lián)鎖機(jī)均不可用。

故障影響：受影響區(qū)域列車緊急制動(dòng)，接近此車站列車常用制動(dòng)。ATS、ZC、CC與該聯(lián)鎖區(qū)CI失去通信。LATS與CATS相應(yīng)區(qū)域站場失去表示。聯(lián)鎖區(qū)域內(nèi)所有信號(hào)機(jī)點(diǎn)紅燈。鄰近聯(lián)鎖區(qū)域已向該聯(lián)鎖區(qū)域排列的近路將顯示禁止信號(hào)。

操作影響：OCC無法控制該CI管理區(qū)域的進(jìn)路與道岔。車站無法控制該CI管理區(qū)域的進(jìn)路與道岔。故障區(qū)域相鄰車站無法向故障車站辦理進(jìn)路。區(qū)域內(nèi)和接近該區(qū)域列車僅能在RM模式開行，此時(shí)，行車調(diào)度員可根據(jù)具體情況在系統(tǒng)上對(duì)行車組織進(jìn)行調(diào)整。

故障恢復(fù)：重啟CI設(shè)備后，車站值班員在480 s內(nèi)進(jìn)行相關(guān)上電解鎖操作，并轉(zhuǎn)為遙控。OCC確認(rèn)故障恢復(fù)后，通知司機(jī)在RM模式下啟動(dòng)列車，列車初始化之后恢復(fù)運(yùn)營。聯(lián)鎖重啟，相應(yīng)聯(lián)鎖內(nèi)列車完全停止之前不得操作道岔和控制進(jìn)路。

7 結(jié)語

該文涉及的軟件Java和Node.js開發(fā)語言基于微服務(wù)體系，把各項(xiàng)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化并通過服務(wù)器進(jìn)行集群式部署，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高并發(fā)和高可用，同時(shí)，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)邏輯業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行模擬及故障模擬功能的實(shí)現(xiàn)。

通過寧波地鐵信號(hào)系統(tǒng)仿真的搭建，以實(shí)際的信號(hào)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，面向運(yùn)營提供了高度還原的信號(hào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了行車組織、故障等常用場景的模擬，系統(tǒng)能夠根據(jù)不同場景下各角色對(duì)設(shè)備的操作及運(yùn)營組織進(jìn)行考核評(píng)分，從根本上解決優(yōu)化軌道交通在培訓(xùn)室的培訓(xùn)難題。