編組站綜合集成自動化系統（CIPS）中CAD的研究與實現

趙秀全 常效輝

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

編組站綜合集成自動化系統(CIPS)管理了編組站內決策層、管理層、調度層、執行層等業務層面的所有站場資源和崗位資源信息；而且針對調度層的管理特點，自動決策安排調度計劃；與自動控制系統相連接，直接控制自動化系統并接受處理反饋信息，并且根據反饋信息自動調整決策，從而實現了編組站內的全面信息化與自動化。而自動決策與執行依賴于站場資源的數據。

站場資源的數據量十分巨大，單純依靠人工錄入的方法實現是十分困難的，尤其是站改時修改更是艱巨。由于需要專業的數據描述，我們在分析了有關的輔助工具后發現無法直接利用現有工具實現需求，因此開發基于CIPS系統的專門CAD工具成為必然。

該CAD是基于全編組站的資源，以信號工程圖為基礎，通過圖形化的方式完成實體對象繪制并對于各實體對象賦予相關的屬性，進而產生需要的數據。

根據CAD設計原理，軟件提供幾何模型、特征計算、繪圖等功能，按照構造應用軟件的4個要素(算法、數據結構、用戶界面和數據管理)進行開發設計，在DotNet FrameWork平臺下用C#語言實現，使得CIPS系統數據形成流水性生產，大大提高了工作效率，還保證了數據準確性。

2 建模

系統管理內容包括全部編組站的資源（道岔、信號機、線路、無岔區段、減速器、停車器、調機以及CIPS系統下的各控制子系統）。對這些實體進行抽象，建立起正確的對象模型是CIPS系統CAD工具可實現的前提；并且建立的實體結構能夠符合關系數據庫特點，能夠為后續數據運算和挖掘打下基礎。

2.1 實體單元的抽象

系統管理的資源都具備基本特征：ID、名稱、所屬區域、所屬系統等。在此基礎上建立“設備”模型，所有實體的抽象模型都基于“設備”派生。每種實體根據自身特點增加自我描述的物理坐標(如：道岔的岔前、定位、反位等坐標，信號機的機柱和燈位坐標等），描述這些物理特性建立GDI對象，如線段、橢圓、矩形、文本等。對象的UML關系如圖1所示。

2.2 模型間關系的抽象

在站場中每個實體不是獨立的單元，是相互連接的，并且通過聯鎖表可以描述實體之間在某些條件下的相互關系。只有正確描述這些關系，CIPS系統才能夠根據當前的站場情況做出合適的決策，保證各控制子系統的準確執行。

對于任何站場實際就是由道岔、無岔區段、信號機等形成的一個集合。需要對實體單元的抽象模型增加連接，并且連接是帶方向的。全場的模型間連接及連接方向的集合就構成了一個網絡結構如圖2所示，CIPS系統所進行的決策分析就是基于該網絡結構進行。根據信號圖，需要進行合適的模型轉換，減少模型的種類以方便后續的算法建立。轉換原則如下。

1）道岔模型：無論是雙動道岔還是交叉渡線，都拆分為由多個單獨的道岔單元模型組成，把道岔區段依附到每個道岔模型中，通過描述模型間的聯鎖關系（如多個道岔一個區段問題可以描述為模型間在具體方向上共區段）完成模型到實體的還原。

2）無岔區段模型：無論是任何形式的無岔區段（包括派生的減速器模型和線路模型），是否有軌道電路，就是一個單叉節點。

3）信號模型：把信號機視為一帶有方向的特殊節點，前方即為信號的防護區段，對于并置信號按照信號方向分離后在站場網絡圖中形成一定順序。

2.3 模型特征

在模型具有其基本特征（如：ID、類型、名稱、子系統ID、區域ID等）之上，根據模型間關系描述，需要對設備增加前后方關系特征（道岔為前方、定位、反位3個方向，其他設備僅前、后方兩個方向），對于按鈕和文本窗口等，由于僅僅是輔助模型非實體單元，不在關系圖中出現。

CIPS系統的計劃執行依靠聯鎖、駝峰控制系統完成，系統的決策準確與否要看執行系統能否執行。如果計劃建立的指令是各控制子系統所不能執行的，那么將導致自動執行功能的癱瘓，因此需要對模型增加必要的聯鎖特征（如：始終端信號能否排列進路，列車還是調車進路）。

一般的聯鎖系統數據定義是基于聯鎖表所實現的，與實際的運輸需求是脫節的。在CIPS系統中則需要充分考慮運輸作業中的實際需求，對于行車指揮自動執行靠指令完成的，指令的具體內容就是路徑。路徑是超越進路之上的一種結構描述，它描述的是從源線路到目的線路以何種進路完成行車任務。路徑的源、目的就是線路，在線路定義方面有很大的靈活性，定義要考慮存車、接發列車、機車走行、機車折返等要素，合理定義會減少行車干擾并提高生產效率。所以要求在線路模型設計中還要增加運輸需要的有關特征。

3 界面操作

CAD工具的主要作用就是通過圖形化方式完成數據的處理，因此方便靈活的操作是該工具的基本要求。根據具體的業務需求，擴展出必要的批處理功能，能夠大大簡化用戶操作，提供更為人性化的服務。圖3是該CAD工具的界面截圖。

3.1 繪圖操作

所有的繪圖操作都在底版上進行，底版大小可配置，具有滾動與拖動功能。用戶可以在底版設置顯示網格線，輔助用戶直觀地繪圖，控制間隔與角度。

根據模型特征描述，建立基于GDI+的模型模板與對應的菜單。用戶通過菜單可以調入對應模型，根據連接情況用連接線把模型與其他模型連接，連接線自動組合為模型的一部分。連接線具有?？抗δ?。

布置完畢的模型需要用戶自定義有關特征（如ID、名稱、區域等），默認是系統自動分配ID。自定義特征錄入界面：文本錄入、枚舉型下拉、比特型選擇以及組合類型選擇等方式。

工具具備單個設備移動、旋轉、刪除、修改等操作功能。同時根據CIPS系統站場模型內容特點，還包括移動、刪除、數據修改、對齊等批處理操作功能，支持用戶批量數據的修改，以便快速完成操作。

3.2 圖形處理

1）拼接拆分：能夠將多張圖形拼接在一起轉換為一張圖形展示。同時可以把其中部分圖形轉換為零散的獨立圖形，給只關心本區域內的用戶使用。

2）鏡像：由于不同崗位的地點不同，往往出現圖形布局左右相反的情況，圖形鏡像功能可以順利在原圖基礎上實現圖形的翻轉，滿足不同崗位的不同需求。

3）縮放：為站場圖形設計人員提供局部的或總體的視圖，保證既要在局部上圖形的準確，又能夠做到整體上圖形的美觀。

3.3 校驗功能

由于數據量大（如武漢北站各種模型共達3 000個）且每種模型又有大量的特征，單純依靠人無法保證數據質量。通過對站場網絡結構的分析，CAD工具能夠自動計算出模型間的連接關系，根據人工第一的特征能夠自動計算出雙動道岔模型、共區段道岔模型間的關系，信號的單置、并置、差置、盡頭以及調車、列車信號的始終端按鈕。

通過自查可以對重復的ID、名稱等檢查報警，對于可能存在特征設置問題的模型通過文本與圖形化的方式給出錯誤提示。

4 數據處理

對于CAD工具來說，界面設計最終目的還是數據的產生，界面展示與操作僅僅是手段，數據處理才是核心。對于CIPS系統子系統較繁多（如成都北CIPS系統子系統有十多個），對外還有微機監測系統、TDCS系統等很多接口。CIPS管理系統要實現自動決策與執行基于大量的數據，因此統一、規范的數據接口標準是各系統能夠自主開發且又有機協調的基礎。

4.1 數據組織

業務的發展是不斷深入，系統功能也是不斷提高和完善，要求對應的CAD工具也不斷擴充。必須設計易于擴展的數據結構，在新功能不斷增加的同時能夠很好地實現對早期版本數據的兼容，以便實現既有系統的二次開發需要。數據組織方面采用了數據結構—數據集—數據庫的3層模式，最終數據都存儲于數據庫中。

由于CIPS管理系統與各子系統是緊密的一個集成系統，實現所有子系統的數據共享能避免由于各系統間軟件升級造成的版本問題，為系統軟件發展提供良好的平臺。

4.2 碼位數據

CIPS系統的碼位數據主要是管理系統與各子系統、TDCS系統、CTC系統的站場表示數據交換。參考CTC系統的協議，CIPS系統制定了一套完整的信息交換結構體系即碼位數據，并在各系統間共享統一的動態鏈接庫。內容不僅包含道岔、信號、區段、減速器、停車器等基本的信號內容，還包括駝峰溜放中的命令、測長、測速以及設備停用、系統狀態、時鐘、系統檢測等綜合信息，所以CIPS系統的碼位數據不僅僅是站場信息的表示，更確切地說是綜合信息的表示。

各子系統發送給管理系統的表示數據由各子系統通過Excel文件格式提交給CAD工具。CAD工具根據自動產生的數據與各子系統提交的數據進行比較分析，給出不匹配或格式錯誤的數據信息，供設計人員檢查。在確認數據準確后，對所有的數據進行整合，產生子系統碼位表。

4.3 路徑數據

簡單站場的網絡拓撲關系如圖4所示，在網絡結構圖中節點到節點的通路稱為路徑，借用此概念應用到CIPS系統中，描述線路到線路的通路稱為路徑，路徑是沒有方向的。線路到線路的路徑是唯一的，由于分枝不同產生的不同通路稱為進路，進路是有方向的。每條路徑可能有多條進路，按照進路排序依次編號。每條進路下包含許多的設備及其位置，這些設備按照在進路上的順序排序。進路上的設備需要和聯鎖系統的數據進行校核，作為進路變更的指導。

CIPS管理系統指揮各控制子系統的自動執行是通過指令集實現的，指令集的基本內容是路徑。路徑定義是不能跨越子系統的，原則上也不可以跨咽喉。在管理系統沒有指定具體進路的情況下，聯鎖系統按照默認的進路執行指令選排進路；在管理系統指定具體的進路編號情況下，聯鎖系統按照公共進路ID查找到具體的設備位置走變更進路執行。

4.3.1 路徑、進路搜索與產生

線路是站場網絡圖上的一個節點，從任意線路開始向外搜索，如果采用遞歸方式找到線路，則產生了路徑并返回，所經過的網絡上的節點即為經過的設備，找到盡頭也返回。根據基本的站場網絡結構和信號特征，建立以下搜索規則。

1）順序規則：通常選路規則是由咽喉往股道搜索，路徑搜索也采用該方式，是從咽喉線路向場內線路搜索。

2）方向單調規則：搜索在方向上一定是單調的，方向的描述由具體模型決定。

3）道岔位置優先規則：根據聯鎖系統確定的道岔定反位優先原則，優先搜索位置優先方向。

4）可執行規則：進路上一定包含有始終端信號（或可以作始終端的其他設備）。

5）始終端匹配規則：進路始終端一定是聯鎖系統所認可的，該規則是對上一條規則的延伸。

6）列車進路規則：如果進路始端可以作列車進路始端，那么終端也一定是列車進路終端；在搜索中即使遇上了線路也要繼續，直到找到匹配的終端才產生路徑、進路。

7）迂回排除原則：在同一路徑同向的進路中，如果進路A上的所有模型在進路B中都包含且進路B內容大于進路A的內容，這種情況進路B就是迂回進路，在實際執行中是不存在的，為無效數據。

根據測繪數據CAD工具將這些數據轉化為具體的模型區段長度。在進路搜索中不僅產生模型的位置關系還有深度參數，即從始端開始到該設備的距離。

4.3.2 路徑相擾

編組站無論是接發列車還是調車作業，都要完成車輛的移動。車輛移動是通過路徑的方式由指令集指導各控制系統完成。所有這些業務都是并發執行，合理產生路徑最大可能并行作業，能夠提高作業效率，這需要路徑相擾處理。

根據路徑、進路、進路設備的關系，兩條路徑間主要滿足一條進路不沖突，則這兩條路徑可以并發執行，這兩條路徑是不相擾的，否則相擾。要求進路的設備及其他關聯設備（如交叉渡線），正確描述相擾問題是CIPS管理系統自動決策與執行的基礎數據，在滿足盡可能并行處理的情況下，對于產生的相擾路徑還要根據業務類型、計劃時間等進行沖突處理，保證在執行層能夠按照計劃的先后順序正確執行?？紤]到如果基于進路、設備的關系處理，由于數據量大，會影響決策系統的實時性，因此CAD工具產生相擾表，描述路徑與路徑間的相擾關系，能夠提高決策層的處理速度。

4.3.3 進路變更

聯鎖系統的進路變更是基于基本進路的變更，CIPS管理系統要求的進路變更往往是在方案層的長進路變更。如果只是基于聯鎖的基本進路變更是很難實現的，操作也不靈活。為了由CIPS管理系統管理進路需要，在管理系統和聯鎖系統間建立公共的進路變更表。

CAD工具在路徑、進路表基礎上產生所有的調車進路以及進路上的設備及其位置交給各聯鎖系統，由聯鎖系統工具分析每條進路的可用性，對于不可用進路進行標記并把結果反饋給CAD工具。根據反饋結果CAD工具修改進路變更表后，再統一下發給聯鎖系統。實現管理系統和聯鎖系統共享數據，保證了聯鎖系統的每條進路都能根據管理系統所發的進路控制命令執行。

5 總結與展望

CIPS管理系統是集管理與控制于一體的綜合系統，涉及的數據量龐大、業務廣，CAD工具對于加快系統的生產流程，保證生產中的數據質量起到了重要的作用。雖然CAD工具是基于CIPS管理系統的應用而設計，但它本身也包含了基本的聯鎖關系，通過數據的進一步挖掘處理，可以作為鐵路信號控制系統的一個通用數據平臺，提供跨系統（聯鎖系統、駝峰系統、停車器系統、調機自動化系統以及TDCS系統、CTC系統）的數據支持。

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