基于有向圖的列車自動監控系統站場圖設計與實現

杜興元 李天輝

（北京和利時系統工程有限公司，100176，北京∥第一作者，工程師）

列車自動監控系統（ATS）位于信號系統的最上層，負責監控整個軌道交通線路中列車的運行，輔助行調人員對列車進行調度管理，對提高運營效率、保障行車安全起了極其重要的作用［1－2］。北京和利時系統工程有限公司結合軌道交通的特點，采用先進的計算機、網絡與自動控制技術，自主研發了一套安全、可靠、高效的ATS系統軟件MACS－ATS。

在ATS系統中，軌道信息站場圖用以數字化軌道交通線路圖，描述線路拓撲結構和線路條件（如坡度、停車點、里程信息等），包括線路元件的靜態信息（如軌道位置信息）和動態信息（軌道占用，道岔狀態信息等），從而為列車的自動監控與調度提供線路信息依據。本文詳細描述了MACS－ATS系統中站場圖的設計和實現方案。

1 數據模型

從概念角度看，軌道交通線路可以抽象為拓撲層網絡、電氣層網絡、運營層網絡的疊加［3］。描述如下：

拓撲層網絡，表現為線路的軌道布置、工務設備位置和土建信息等，如軌道長度，線路的走向、坡度、曲線半徑、轉角等各種軌道參數。拓撲層網絡的內部存儲稱為軌道數據庫或數字軌道地圖，其外觀顯示一般稱為線路拓撲圖。

電氣層網絡，表現與信號系統有關的電務信息，如軌道電路、絕緣節、信號機、進路等，在物理線路拓撲層之上通過分割股道和附加設備對象建立，形成電氣層線路網絡。電氣層網絡的內部存儲稱為站場型數據結構，其外觀顯示一般稱為信號布置圖。

運營層網絡，在以上兩層網絡基礎上建立，形成以交路為核心的運營子網，包括運營線、折返策略等。運營層網絡數據形成運營數據庫。與電氣層和運營層網絡有所區別的是，軌道數據庫和站場型數據結構屬于系統配置數據，而運營層網絡數據屬于作業數據，用戶需要定期或不定期地改變或重新定義，如根據客流統計優化和調整交路方案等。

站場圖的數據模型概念如圖1所示。

2 站場圖設計與實現

本文以拓撲層網絡、電氣層網絡、運營層網絡等三層線網為數據模型，利用XML結構化站場信息，并作為靜態數據輸入；以有向圖為基本數學模型，采用分層結構，將軌道線路信息映射成站場圖。站場圖的生成過程如下：

（1）根據信號設備布置圖，配置生成站場信息XML文件；

（2）讀取XML文件中的靜態信息，創建設備對象，按照預先定義的進路搜索策略，完成進路搜索，完成站場圖拓撲層與電氣層數據的建立；

（3）按照預先定義的路徑搜索策略完成運營層數據的建立。

圖1 數據模型概念設計

2.1 靜態數據

ATS站場圖信息是一種樹狀分層結構，而XML是當前處理結構化文檔信息的有力工具，故選用XML文件保存其靜態信息。主要信息如下所示：

（1）線路，包括線路名稱、線路性質等；

（2）車站，包括車站名稱、車站性質、聯鎖站號、區域控制中心（ZC）編號等；

（3）無岔區段，包括無岔區段名稱、無岔區段性質、聯鎖區段編號、邏輯區段信息等；

（4）停車軌道，包括停車軌道名稱、停車軌道類型、對應站臺、聯鎖區段編號、邏輯區段信息等；

（5）道岔區段，包括道岔區段名、道岔區段類型、聯鎖區段編號、邏輯區段信息、所包含道岔等；

（6）道岔，包括道岔名稱、聯鎖道岔編號等；（7）信號機，包括信號機類型、信號機防護區段、聯鎖信號機編號等；

（8）站臺，包括站臺名稱、對應停車軌道、聯鎖站臺編號等；

（9）連接器，包括左連設備、右連設備等；

（10）邏輯區段，包括所屬ZC、所屬區段、邏輯區段IO地址、邏輯區段信息等。

MACS－ATS系統的站場圖XML文件如圖2所示。

2.2 站場圖設計

2.2.1 拓撲層

站場圖拓撲層設計以有向圖為站場圖的基本數學模型數字化線路信息。有向圖采用雙向鏈表的結構設計方法，每個節點中保存其所有的前驅邊（以當前節點為終點的邊）鏈表和后繼邊（以當前節點為起點的邊）鏈表，并在有向圖中封裝相關算法，包括有向圖的建立，深度優先搜索和廣度優先搜索等算法。節點定義及邊定義見表1、表2。

圖2 站場圖XML文件描述

表1 節點定義

表2 邊定義

軌道設備抽象為BLOCK數據結構。無岔區段和停車軌道各對應1個BLOCK，道岔則對應3個BLOCK，分別為岔尖BLOCK、直股BLOCK和彎股BLOCK。每個BLCOK劃分為若干邏輯區段。在邏輯區段中保存詳細的線路條件，如坡度、里程信息等，對應著列車自動防護（ATP）系統中的邏輯區段結構。每個BLOCK抽象為有向圖中的一個節點（Vertex），BLOCK的連接關系抽象為有向圖的邊（Edge）。站場圖線路拓撲模型如圖3所示。

圖3 站場圖線路模型

BLOCK的ID采用“線號＋站號＋區段號＋道岔編號＋位置”的命名方式。位置用0～2的數標識。如果為無岔區段，則道岔編號和位置均為0；如果為道岔區段BLOCK，0表示岔尖，1表示彎股，2表示直股。每個BLOCK的具體信息如表3所示。

表3 BLOCK信息

需要注意的是，將防護信號機設在BLOCK層，是對道岔區段來說，可能信號機防護的是某個道岔位置。

通過以上描述，站場的線路方向映射成為有向圖的方向，拓撲層數據模型中的軌道段映射成為有向圖的點即BLOCK結構，而拓撲層數據模型中的點映射成為邊鏈表（如道岔點），則其在有向圖中節點處產生分支，邊鏈表中包含兩條邊，而邊界點對應的邊鏈表為空。

2.2.2 電氣層

所謂瀝青新材料，顧名思義就是在傳統的瀝青之中加入一些高分子聚合物，比如橡膠、膠粉、樹脂等物質，或者對瀝青進行氧化加工，進而使瀝青的質量同以前相比，取得明顯的進步和提升。改性瀝青新材料具有穩定性強，耐高溫的特點，在鋪筑公路的時候使用這種材料，能夠盡可能的延長道路的使用壽命，使其更好的為人們服務。

采用面向對象的設計方法，通過對不同線路站場圖的分析，抽象出線路、車站、無岔區段（包含停車軌道）、道岔區段、信號機、站臺、邏輯區段等設備類。每類設備包括靜態屬性和動態屬性。其中，靜態屬性在XML站場圖信息中定義，為實際線路中不變的屬性，如信號機的類型等；動態屬性在XML站場圖信息中無需設置或僅需默認設置，而在運行過程中根據運行狀態而改變，如區段的占用狀態、道岔的位置信息等。

進路分為基本進路、折返進路、接車進路、發車進路、調車進路等。各進路搜索的基本思路相同。以調車進路為例說明：以調車信號機作為始端信號機，找到其防護區段，從防護區段開始，根據信號機防護方向，進行深度優先遍歷，并選用調車進路策略。調車進路策略為：如果當前區段的防護信號機與始端信號機的方向相同，則返回該進路，并繼續搜索下一條進路。這樣，可以獲取從始端信號機出發的所有進路所經過的BLOCK，獲取進路全部物理區段和道岔位置信息，并保存進路到站場圖中。

拓撲層數據的詳細生成步驟為：

（1）裝載XML文件，遍歷所有線路信息，添加線路設備、車站設備、區段設備和道岔設備等。

（2）按照XML文件結構，由上到下依次添加所有的線路、車站和車站設備（站臺、信號機、物理區段、道岔等），并完成與相應BLOCK的映射關系。然后按照連接器描述的區段連接信息，為站場圖添加連接關系。

至此，包含拓撲層網絡和電氣層網絡兩層數據模型的ATS站場圖構建完成。

2.2.3 運營層

路徑分為站間路徑、入折返線路徑、出折返線路徑、出段路徑、進段路徑等。各個路徑的基本思路相同。以站間路徑為例進行說明：從一個站臺開始找到其停車軌道，根據站臺方向進行深度優先遍歷，并選用站間路徑策略。站間路徑策略為：如果當前區段有站臺且站臺方向與起始站臺方向相同，則返回該路徑，并繼續搜索下一條站間路徑。這樣，可以獲取從該站臺出發的所有區間路徑所經過的BLCOK，然后獲取路徑包含的全部物理區段和道岔信息，并根據路徑所經過的BLOCK將路徑映射成進路集合。

2.3 站場圖實現與應用

在MACS－ATS系統中，實現了站場圖的的設計，按照拓撲層網絡、電氣層網絡和運營層網絡等三層結構保存了完整的線路信息，可為列車的自動監控與調度提供完整的線路信息查詢。

通過實際測試，本文設計的站場圖滿足列車自動監控系統中線路靜態和動態信息的查詢的需求。實測數據如表4所示。

表4 實測數據

3 結語

本文通過建立ATS站場圖的三層網絡模型，實現了基于有向圖的ATS站場圖。其具有如下優勢：

（1）選用結構化的XML文件保存其靜態配置信息，充分表達了軌道交通線路復雜的結構信息，結構清晰，易于修改。

（2）軌道交通線路的建設通常是分期進行的，本設計只需要修改XML中的靜態文件，其他數據均自動生成，具有良好的擴展性。

（3）采用分層結構，查詢效率高。

［1］ IEEE Std 1474.1－2004IEEE Standard for communicationsbased train control （CBTC）performance and functional requirements［S］.

［2］ IEEE Std 1474.2－2003IEEE Standard for user interface requirements in communications based train control（CBTC）systems［S］.

［3］ 李鑫，董曉巖，徐峰，等.鐵路站場配置圖生成系統設計與實現［J］.運輸管理與自動化，2003，26（1）：51.