ATS仿真系統模擬列車運行模塊的設計與實現

陳 超，郭秀清

（同濟大學 控制理論與控制工程系，上海 200331）

隨著城市軌道交通迅猛發展，城軌交通ATS仿真系統成為解決軌道交通運營企業運營人員培養滯后的有效途徑[1]。目前整個ATS仿真系統主要包括終端顯示模塊、模擬列車運行模塊、ATP模塊、ATS操作模塊、故障設置及處理模塊、教學考評模塊、數據存儲和管理模塊等，而模擬列車運行模塊在整個系統中占據核心地位。以往的ATS模擬列車運行模塊大多是基于多線程，而多線程必須處理好數據同步的問題，實現起來存在一定的難度，并且占用系統資源較多。定時器具有實現容易、占用資源小的特點，在一定程度上可以替代多線程。因此，本文提出一種基于定時器的ATS模擬列車運行模塊的設計。

1 模擬列車運行模塊設計

該模塊主要包括三個部分：判斷列車運行狀態以確定列車是否可以繼續運行、根據列車具體運行情況改變列車速度、負責每個微小的時間段按軌道上列車運行的方向刷新列車的位置以模擬列車的行駛過程。以往該模塊都置于一個獨立的線程之中，這樣實現數據同步存在一定的難度，并且占用較多的系統資源。本文考慮將此模塊移到定時器函數中，以降低實現難度并節省系統資源。該設計以定時時間為單位，每次定時時間到，就判斷此刻列車是否可以繼續行駛。如果不可以，就等待下一次定時時間的到來，并將當前時間增加1 s；如果可以，接下來就開始調整列車的速度，最后根據最新的速度計算1 s之內列車需要移動的距離，并在界面上刷新列車的位置，同時將當前時間增加1 s。模塊設計流程如圖1所示。

圖1 模擬列車運行模塊流程圖

1.1 列車狀態判斷

列車運行狀態標志著列車運行過程中的各個階段以及進路選擇情況，在一般情況下可以正常行駛，正常行駛過程中需要判斷列車是準點、早點還是晚點；而在停站中、進路未選好、到站后等情況下，列車則不可以繼續行駛。列車運行狀態判斷部分主要用于下一步確定列車運行速度以及通知模擬列車運行模塊是否需要刷新列車的位置。

1.2 列車速度調整

列車速度調整主要包括3個因素：與先行列車的間隔距離；列車運行的進路情況，包括前方進路是否存在彎道及道岔狀態等；當前列車運行的準點情況[2]。圖2是一條速度命令控制線[3]。當先行列車在0T區段，1T必須空閑，后續列車如果在2T，它收到的限速命令應該為0，即后續列車在2T的出口端必須停車，并有1T閉塞分區作為保護距離；若 1T、2T空閑，后續列車在 3T，則后續列車收到的是20 km/h的速度命令。同理，當1T、2T、3T、4T、5T、6T、7T都空閑，運行于 8T的后續列車收到的速度命令為80 km/h。可見要使列車運行于80 km/h，前方必須有7個閉塞分區。

根據線路情況、車輛性能、軌道電路特性等，應進行閉塞設計，劃分合理的閉塞分區，從而產生速度命令控制線，作為速度命令選擇的邏輯依據。

圖2 速度命令控制線

1.3 列車位置刷新

在上述兩部分都完成的基礎上需要對列車的位置進行刷新，根據列車的當前速度計算出列車運行的實際運行的距離，以便在界面上能夠反映出模擬列車實際運行的效果。列車位移-速度-時間表達式如下[4]：

式中，S表示列車當前位移，V表示列車速度，Δt表示刷新時間間隔，S′表示列車上一次刷新時的位移。另外，列車運行一段距離以后車頭可能會進入一條新的進路，而車尾也可能會出清一個軌道進路，因此，列車位置刷新部分需要在適當的時候設置列車占用以及清除列車占用。

2 模擬列車運行模塊的實現

模擬列車運行模塊的實現主要包括以下4個部分：（1）定義列車類。除了一些基本列車屬性以外，需要定義 3個主要的函數分別為：TrainCanMove（）、ChangeSpeed（）以 及Move（）。 （2）分別實 現 TrainCanMove（）、ChangeSpeed（）以及 Move（）。 （3）在 OnTimer（）中實現圖 1 所示的模擬列車運行模塊流程。（4）模塊功能的測試和擴展。

2.1 列車類的實現

列車類定義代碼如下：

Train類中，成員函數 TrainCanMove（）用于判斷當前時刻列車是否可以繼續運行，ChangeSpeed（）用于調整列車速度，Move（）用于刷新列車的當前位置。

2.2 OnTimer函數的實現

OnTimer實現代碼如下：

定時器參數的單位為ms，也就是說OnTimer每1000/allTableList.TimeRate ms被調用一次，相當于現實中的1 s，這樣就可以通過改變allTableList.TimeRate的值來調整仿真的速度。allTableList.TimeRate的值越大仿真的速度越快；反之仿真的速度越慢。當allTableList.TimeRate等于1時，仿真時間和現實中的時間相等。

2.3 開發實例

該設計具有普遍的適用性，并且成功運用在上海地鐵5號線ATS仿真系統以及上海地鐵8號線ATS仿真系統中。圖3和圖4分別為5號線、8號線ATS仿真系統運行界面。

本文提出了一種基于定時器的模擬列車運行模塊的設計和實現，同時將該模塊成功應用于上海地鐵5號線、8號線的ATS仿真系統中。與以往基于多線程的設計相比，本設計實現容易，且占用較少的系統資源。

圖3 上海地鐵5號線ATS系統運行界面

圖4 上海地鐵8號線ATS系統運行界面

[1]趙根苗，陳永生.ATS仿真培訓系統的設計與實現[J].城市軌道交通研究，2004，7（1）：55-57.

[2]姜軍紅，李一凡，黃沙白.輕軌交通調度監控系統的仿真[J].計算機仿真，2001，18（6）：49-52.

[3]李曉月.上海地鐵一號線的車載信號系統.鐵道運營技術，1998，4（4）：172-177.

[4]惠天舒.分布式交互仿真技術綜述[J].系統仿真學報，1998，10（1）：1-7.

[5]上海地鐵一號線的車載信號系統 [J].鐵道運營技術，1998，4（4）：172-177.