城軌CBTC聯(lián)鎖表自動(dòng)生成工具的研究與開發(fā)

胡 旭

（通號(hào)城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 概述

城軌CBTC系統(tǒng)信號(hào)設(shè)計(jì)人員以聯(lián)鎖設(shè)備集中站為界限，將各集中站的進(jìn)路、道岔、軌道區(qū)段、敵對(duì)信號(hào)、接近區(qū)段、其他聯(lián)鎖對(duì)象、保護(hù)區(qū)段、自動(dòng)觸發(fā)等聯(lián)鎖關(guān)系編制成聯(lián)鎖表。聯(lián)鎖表內(nèi)容一般包括CBTC聯(lián)鎖表、降級(jí)模式聯(lián)鎖表、引導(dǎo)信號(hào)聯(lián)鎖表、自動(dòng)折返進(jìn)路表等文件，作為后續(xù)聯(lián)鎖、ZC、ATP和ATS等設(shè)備軟件數(shù)據(jù)配置的重要輸入文件。

人工編制聯(lián)鎖表工作量大、容易出錯(cuò)、效率低，需要進(jìn)行多輪人工校核，而且聯(lián)鎖表格式不容易統(tǒng)一。在工程實(shí)踐過程中，尤其是使用一體化綜合自動(dòng)生產(chǎn)工具平臺(tái)生成聯(lián)鎖、ZC、ATP和ATS等軟件的配置數(shù)據(jù)，或使用自動(dòng)測(cè)試工具測(cè)試相關(guān)軟件時(shí)，多次發(fā)現(xiàn)人工編制的聯(lián)鎖表與相關(guān)工具軟件兼容性不好的問題。因此，使用軟件自動(dòng)生成聯(lián)鎖表可以防范人工因素產(chǎn)生的錯(cuò)誤或格式不統(tǒng)一的問題，可大大縮短編制時(shí)間，提高編制效率。

一體化繪圖工具（簡(jiǎn)稱工具）基于AutoCAD二次開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)平面圖的輔助繪制，支持后續(xù)室內(nèi)圖紙、室外圖紙、一體化工程數(shù)據(jù)表等的自動(dòng)生成，信號(hào)設(shè)計(jì)人員可使用可視化的界面調(diào)整設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。通過設(shè)計(jì)圖紙獲取工程相關(guān)數(shù)據(jù)，并輸出一體化工程數(shù)據(jù)表作為后續(xù)多個(gè)工具的接口資料。聯(lián)鎖表自動(dòng)生成軟件通過讀取一體化工程數(shù)據(jù)表中的站場(chǎng)數(shù)據(jù)建立站場(chǎng)數(shù)據(jù)模型，通過進(jìn)路搜索計(jì)算可以生成城軌CBTC系統(tǒng)的聯(lián)鎖表。

2 聯(lián)鎖表自動(dòng)生成軟件總體架構(gòu)

軟件按功能劃分，主要包括3大功能模塊：數(shù)據(jù)表讀取模塊、進(jìn)路數(shù)據(jù)自動(dòng)搜索模塊、聯(lián)鎖表輸出模塊。

數(shù)據(jù)表讀取模塊的功能：通過讀取本聯(lián)鎖區(qū)及相鄰聯(lián)鎖區(qū)的工程數(shù)據(jù)對(duì)照表獲取站場(chǎng)數(shù)據(jù)，包括軌道區(qū)段、信號(hào)機(jī)、道岔、PSD屏蔽門、站臺(tái)、車站名稱簡(jiǎn)稱、超限區(qū)段等。進(jìn)路數(shù)據(jù)自動(dòng)搜索模塊的功能：使用站場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算本站進(jìn)路、鄰站進(jìn)路、保護(hù)進(jìn)路、接近區(qū)段數(shù)據(jù)、折返進(jìn)路，并根據(jù)相關(guān)進(jìn)路數(shù)據(jù)生成聯(lián)鎖表中的所有信息字符串。聯(lián)鎖表輸出模塊的功能：根據(jù)聯(lián)鎖數(shù)據(jù)格式化輸出聯(lián)鎖區(qū)聯(lián)鎖表文件。

軟件采用Visual Studio Code作為軟件開發(fā)平臺(tái)，利用Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過導(dǎo)入一體化工程數(shù)據(jù)對(duì)照表獲取基礎(chǔ)站場(chǎng)數(shù)據(jù)及關(guān)鍵參數(shù)，工具使用站場(chǎng)搜索技術(shù)生成列車進(jìn)路，隨后生成聯(lián)鎖表。

3 軟件主要功能模塊

進(jìn)路自動(dòng)搜索模塊根據(jù)站場(chǎng)數(shù)據(jù)及關(guān)鍵參數(shù)搜索生成進(jìn)路、保護(hù)進(jìn)路、接近區(qū)段3部分基本進(jìn)路數(shù)據(jù)，后續(xù)分別生成降級(jí)模式聯(lián)鎖表、CBTC聯(lián)鎖表、引導(dǎo)進(jìn)路表、自動(dòng)折返進(jìn)路表共4個(gè)表單。

3.1 站場(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

進(jìn)路搜索的站場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)際上類似于圖的結(jié)構(gòu)，由節(jié)點(diǎn)（軌道區(qū)段、道岔）的集合（節(jié)點(diǎn)包含相互之間的鏈接）組成。如圖1所示，軌道區(qū)段是若干邏輯軌道區(qū)段的組合。無岔計(jì)軸區(qū)段與軌道區(qū)段的范圍一致，對(duì)于道岔計(jì)軸區(qū)段，岔前、岔后定位，岔后反位各定義為一個(gè)軌道區(qū)段。每個(gè)軌道區(qū)段都根據(jù)左、右公里標(biāo)，長(zhǎng)度，長(zhǎng)鏈、短鏈數(shù)據(jù)，邏輯軌道區(qū)段的長(zhǎng)度等計(jì)算并校核，為后續(xù)搜索保護(hù)進(jìn)路和接近延長(zhǎng)區(qū)段做好準(zhǔn)備。

圖1 站場(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of station data structure

道岔被定義為沒有長(zhǎng)度的特殊節(jié)點(diǎn)，只有道岔有左側(cè)第二軌道區(qū)段鏈接和右側(cè)第二軌道區(qū)段鏈接，每個(gè)道岔由于岔尖向左或向右，只有1個(gè)第二軌道區(qū)段鏈接有效，另1個(gè)為空。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有左側(cè)鏈接區(qū)段和右側(cè)鏈接區(qū)段，如果該軌道區(qū)段在盡頭處，鏈接區(qū)段為空。

每1個(gè)軌道區(qū)段增加左側(cè)信號(hào)機(jī)、右側(cè)信號(hào)機(jī)的鏈接，信號(hào)機(jī)按照其位置鏈接到其接近軌道區(qū)段內(nèi)。如圖2所示，X4001信號(hào)機(jī)在其接近區(qū)段T4003的左側(cè)，所以T4003的左側(cè)信號(hào)機(jī)為X4001；X4003信號(hào)機(jī)在其接近區(qū)段T4003的右側(cè)，所以T4003的右側(cè)信號(hào)機(jī)為X4003。由此，在進(jìn)路搜索時(shí)可根據(jù)搜索方向方便找到進(jìn)路的始端、終端。由于部分信號(hào)機(jī)沒有接近區(qū)段，信號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含接近區(qū)段、內(nèi)方區(qū)段和信號(hào)機(jī)朝向，方便后續(xù)記錄搜索時(shí)檢索數(shù)據(jù)。

圖2 站場(chǎng)平面局部示例Fig.2 Local example of station plane

3.2 輸入數(shù)據(jù)表讀取模塊

模塊的主要功能為讀取本聯(lián)鎖區(qū)及相鄰聯(lián)鎖區(qū)的工程數(shù)據(jù)對(duì)照表獲取站場(chǎng)數(shù)據(jù)，包括軌道區(qū)段、信號(hào)機(jī)、道岔、PSD屏蔽門、站臺(tái)、車站名稱簡(jiǎn)稱、超限區(qū)段等。工程數(shù)據(jù)對(duì)照表中的數(shù)據(jù)已包含設(shè)備間鏈接關(guān)系信息，工具在讀入表格時(shí)同步更新設(shè)備間相互鏈接的數(shù)據(jù)，如軌道區(qū)段的左、右鏈接軌道區(qū)段及所有其他設(shè)備所屬軌道區(qū)段信息，為后續(xù)聯(lián)鎖進(jìn)路的搜索做好準(zhǔn)備。

模塊讀取本站及相鄰車站的工程數(shù)據(jù)對(duì)照表，生成站場(chǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，按設(shè)備類別將設(shè)備類數(shù)據(jù)存入列表中并同步建立設(shè)備類成員間的鏈接指針。主要包括軌道區(qū)段列表、無岔計(jì)軸區(qū)段列表、道岔計(jì)軸區(qū)段列表、道岔列表、信號(hào)機(jī)列表、長(zhǎng)鏈短鏈列表、超限區(qū)段列表、屏蔽門列表等。該模塊還負(fù)責(zé)根據(jù)道岔軌道區(qū)段的鏈接生成雙動(dòng)道岔列表、交分道岔列表，方便后續(xù)自動(dòng)計(jì)算防護(hù)道岔和帶動(dòng)道岔信息。

3.3 聯(lián)鎖數(shù)據(jù)自動(dòng)搜索模塊

進(jìn)路實(shí)際上是給列車運(yùn)行時(shí)預(yù)留的路徑，進(jìn)路搜索是基于抽象處理后的信號(hào)平面布置圖中軌道區(qū)段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，搜索給定起點(diǎn)的多條進(jìn)路數(shù)據(jù)，每一條進(jìn)路都包含起點(diǎn)至阻擋信號(hào)機(jī)的所有軌道區(qū)段節(jié)點(diǎn)。

工具使用一種改進(jìn)的深度優(yōu)先搜索算法搜索進(jìn)路。由于相同起點(diǎn)的多條進(jìn)路大部分路徑相同，工具一次搜索以某一起點(diǎn)的所有進(jìn)路數(shù)據(jù)。該算法適用于地鐵正線中不存在變更進(jìn)路的情況，搜索到的進(jìn)路依次為直向進(jìn)路、側(cè)向進(jìn)路1、側(cè)向進(jìn)路2等。

3.3.1 進(jìn)路數(shù)據(jù)搜索

如圖3所示，進(jìn)路搜索函數(shù)算法如下。

圖3 進(jìn)路搜索函數(shù)流程Fig.3 Flow chart of route search function

1）遍歷信號(hào)機(jī)列表，如果信號(hào)機(jī)非空、信號(hào)機(jī)內(nèi)方區(qū)段非空，則開始搜索。

2）進(jìn)路搜索前，先初始化控制表。

3）循環(huán)n次，啟動(dòng)單條進(jìn)路搜索函數(shù)。

以進(jìn)路始端信號(hào)機(jī)內(nèi)方軌道區(qū)段為起點(diǎn)，向信號(hào)機(jī)對(duì)應(yīng)方向搜索進(jìn)路。如果設(shè)備節(jié)點(diǎn)堆棧為空，則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)設(shè)為始端信號(hào)機(jī)內(nèi)方區(qū)段開始搜索。如果設(shè)備節(jié)點(diǎn)堆棧不空，則堆棧彈出一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)開始搜索。

判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)搜索方向是否有阻擋信號(hào)機(jī)。如果有則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)入棧，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)搜索次數(shù)加1，函數(shù)結(jié)束返回找到一條進(jìn)路。否則進(jìn)入循環(huán)繼續(xù)搜索。

判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否為空，為空則堆棧彈出一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。繼續(xù)檢查如果堆棧彈出的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為空，則表明堆棧已空，搜索結(jié)束函數(shù)返回假。否則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)壓入堆棧。按給定方向搜索，找到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)并設(shè)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。

判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否為空，為空則跳轉(zhuǎn)至循環(huán)開始處。否則判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在搜索方向是否有阻擋信號(hào)機(jī)，如有當(dāng)前節(jié)點(diǎn)入棧，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)搜索次數(shù)加1，返回找到一條進(jìn)路。否則跳轉(zhuǎn)至循環(huán)開始處。

如果已搜索到進(jìn)路，則生成一條進(jìn)路數(shù)據(jù)：將設(shè)備節(jié)點(diǎn)堆棧中的數(shù)據(jù)作為進(jìn)路數(shù)據(jù)存入該進(jìn)路中，將該進(jìn)路存入始端信號(hào)機(jī)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)路列表中，并將該進(jìn)路存入進(jìn)路列表中。否則函數(shù)結(jié)束返回假。

4）如果搜索到一條進(jìn)路且已存入進(jìn)路列表中，則繼續(xù)循環(huán)查找下一條進(jìn)路。

5）如果設(shè)備節(jié)點(diǎn)堆棧為空，沒有找到進(jìn)路則退出循環(huán)。

3.3.2 保護(hù)進(jìn)路的自動(dòng)生成

一般情況下進(jìn)路最后一個(gè)區(qū)段為站臺(tái)區(qū)域或停車線區(qū)域的進(jìn)路設(shè)置保護(hù)區(qū)段。工具會(huì)自動(dòng)根據(jù)進(jìn)路終端信號(hào)機(jī)的接近區(qū)段是否有保護(hù)進(jìn)路，以該區(qū)段為始端搜索保護(hù)進(jìn)路。工具使用與進(jìn)路搜索相同的改進(jìn)深度優(yōu)先搜索算法，找到所有滿足最小長(zhǎng)度要求的保護(hù)區(qū)段數(shù)據(jù)，一次可搜索出多條相同進(jìn)路終端的保護(hù)進(jìn)路。搜索算法與進(jìn)路的搜索算法基本相同，只修改判斷保護(hù)進(jìn)路成功找到的條件。

3.3.3 接近區(qū)段的自動(dòng)生成

接近區(qū)段為滿足接近鎖閉長(zhǎng)度要求的軌道區(qū)段。CBTC聯(lián)鎖表及降級(jí)模式聯(lián)鎖表中，順序填寫該進(jìn)路的接近區(qū)段。信號(hào)開放后一旦接近區(qū)段有車占用，進(jìn)路立即轉(zhuǎn)入接近鎖閉狀態(tài)，只有等列車經(jīng)過后正常解鎖，或使用人工解鎖的方法，辦理人工解鎖，首先關(guān)閉信號(hào)，然后開始計(jì)時(shí)，延時(shí)結(jié)束后進(jìn)路解鎖。

工具使用與進(jìn)路搜索相同的改進(jìn)深度優(yōu)先搜索算法搜索接近區(qū)段的信息。列車通過道岔側(cè)向時(shí)需要限速運(yùn)行，所以接近延長(zhǎng)的區(qū)段全部通過道岔直向和部分通過道岔側(cè)向時(shí)需要的長(zhǎng)度不同。工具由進(jìn)路始端信號(hào)機(jī)的接近區(qū)段向信號(hào)機(jī)反方向搜索接近區(qū)段，把滿足直向路徑長(zhǎng)度大于“接近延長(zhǎng)直向最小長(zhǎng)度” 及側(cè)向路徑大于“接近延長(zhǎng)側(cè)向最小長(zhǎng)度” 的路徑一次全搜索出來。搜索算法與進(jìn)路的搜索算法基本相同，只修改判斷接近延長(zhǎng)路徑成功的條件。

由于列車實(shí)際運(yùn)行區(qū)段的速度等級(jí)不同，實(shí)際接近延長(zhǎng)的最小長(zhǎng)度需根據(jù)接近延長(zhǎng)中是否有道岔側(cè)向及相關(guān)軌道區(qū)段的列車最高運(yùn)行速度，使用牽引計(jì)算工具計(jì)算出理論最小值。工具先使用全站較大的兩個(gè)長(zhǎng)度值進(jìn)行接近延長(zhǎng)搜索，并自動(dòng)生成《聯(lián)鎖區(qū)接近延長(zhǎng)區(qū)段長(zhǎng)度表》。根據(jù)《接近區(qū)段計(jì)算統(tǒng)計(jì)清單》使用牽引計(jì)算工具計(jì)算出每一條接近區(qū)段的計(jì)算長(zhǎng)度值，并填入《聯(lián)鎖區(qū)接近延長(zhǎng)區(qū)段長(zhǎng)度表》中，工具自動(dòng)讀取《聯(lián)鎖區(qū)接近延長(zhǎng)區(qū)段長(zhǎng)度表》，并按照接近區(qū)段的計(jì)算長(zhǎng)度校核接近延長(zhǎng)區(qū)段的長(zhǎng)度（按計(jì)軸區(qū)段為單位回縮），由此精確生成聯(lián)鎖進(jìn)路的接近區(qū)段信息。工具在修訂接近區(qū)段的長(zhǎng)度后還會(huì)自動(dòng)重新生成《聯(lián)鎖區(qū)接近延長(zhǎng)區(qū)段長(zhǎng)度表》，同步更新表中的數(shù)據(jù)，方便人工復(fù)核。

3.4 聯(lián)鎖表輸出模塊

工具在完成進(jìn)路相關(guān)數(shù)據(jù)搜索后，可按照一定的格式輸出聯(lián)鎖表。聯(lián)鎖表包含變更記錄、CBTC聯(lián)鎖表、降級(jí)模式聯(lián)鎖表、引導(dǎo)進(jìn)路表、自動(dòng)折返進(jìn)路表等表單。

變更記錄包含版本號(hào)、日期、工具的版本號(hào)，相關(guān)工程數(shù)據(jù)對(duì)照表的文件名稱及32位CRC校驗(yàn)碼、工具的計(jì)算參數(shù)等內(nèi)容。由此，工具自動(dòng)生成聯(lián)鎖表的相關(guān)輸入信息可方便地自動(dòng)記錄，方便后續(xù)版本管理工作。有基本的聯(lián)鎖數(shù)據(jù)，聯(lián)鎖表的輸出就比較簡(jiǎn)單。

4 結(jié)束語(yǔ)

工具通過讀取一體化工程數(shù)據(jù)表中的站場(chǎng)數(shù)據(jù)建立站場(chǎng)數(shù)據(jù)模型，通過進(jìn)路搜索計(jì)算生成基本進(jìn)路、保護(hù)進(jìn)路、接近區(qū)段等，并能根據(jù)相關(guān)要求及用戶特殊要求生成聯(lián)鎖表。目前工具生成的聯(lián)鎖表經(jīng)過審核可直接發(fā)布使用，基本上不需要后續(xù)人工修改聯(lián)鎖表。

目前，該工具已成功用于長(zhǎng)沙6號(hào)線、北京12號(hào)線聯(lián)鎖表的生成。通過使用該工具編制聯(lián)鎖表，大大縮短編制時(shí)間，提高信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工效，簡(jiǎn)化聯(lián)鎖表的審核。同時(shí)，工具大大提高生成聯(lián)鎖表的完整性及正確性，與后續(xù)相關(guān)工具軟件兼容性好，對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)工程的快速、高質(zhì)量推進(jìn)起到很好的作用。