城市軌道交通仿真系統(tǒng)事件記錄與回放

魏 靜，郭秀清

（同濟(jì)大學(xué) 控制理論與控制工程系，上海200331）

近年來(lái)，軌道交通迅速發(fā)展，已成為人們生活必不可少的交通工具。但是近期上海地鐵10號(hào)線追尾事故、北京地鐵的扶梯事故及溫州動(dòng)車追尾脫軌事故等頻繁發(fā)生，引起人們對(duì)速度和安全的反思。記錄回放模塊是城軌交通列車自動(dòng)控制(ATC)仿真系統(tǒng)子系統(tǒng)-自動(dòng)列車監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)的組成部分。該模塊在仿真系統(tǒng)中十分有用：(1)事后回顧,對(duì)查找故障起著非常重要的作用;(2)演示,利于維修及調(diào)度人員反復(fù)教學(xué)學(xué)習(xí);(3)分析,對(duì)仿真系統(tǒng)做數(shù)據(jù)檢驗(yàn);(4)調(diào)試,在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)期間進(jìn)行診斷調(diào)試。

1 記錄回放功能設(shè)計(jì)需求分析

(1)記錄需求：記錄與列車運(yùn)行有關(guān)的數(shù)據(jù)。保存當(dāng)天的記錄（第二天啟動(dòng)程序時(shí)將前一天的記錄刪除）。

分析：設(shè)計(jì)記錄模塊時(shí)首先明確要記錄的數(shù)據(jù)有哪些，其次建立一個(gè)以時(shí)間為關(guān)鍵字的索引，以便回放時(shí)能根據(jù)具體的時(shí)間快速地定位。

(2)回放需求：進(jìn)入回放模式后，彈出回放窗口，用戶輸入起始日期和時(shí)間、結(jié)束日期和時(shí)間，系統(tǒng)獲得回放的數(shù)據(jù)。用戶可以通過(guò)點(diǎn)擊開(kāi)始、暫停、停止來(lái)控制回放界面。在回放期間，用戶還可任意設(shè)定回放速度、界面，使用戶可控制回放的速度。

分析：數(shù)據(jù)記錄的最終目的是能夠回放數(shù)據(jù)，重現(xiàn)事件發(fā)生和發(fā)展的過(guò)程。回放設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是能夠找到準(zhǔn)確的信息對(duì)列車、道岔等狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定。

2 記錄回放模塊的總體方案設(shè)計(jì)

2.1 記錄數(shù)據(jù)

需要記錄的ATC信息包括：ATS數(shù)據(jù)、組件庫(kù)及一些相關(guān)數(shù)據(jù)。

ATS數(shù)據(jù)為列車信息數(shù)據(jù)，包括列車車次號(hào)、列車所在的軌道ID等；站場(chǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)包括進(jìn)路的占用狀態(tài)、道岔信號(hào)機(jī)的占用狀態(tài)和空閑狀態(tài)，以及一些控制操作命令的傳輸與執(zhí)行狀態(tài)信息。組件庫(kù)為繪制站場(chǎng)圖所需的相關(guān)組件的信息。另外還有ATC系統(tǒng)的配置文件以及繪制站場(chǎng)圖所需的列車軌道信息等。

數(shù)據(jù)總體上可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。全場(chǎng)戰(zhàn)場(chǎng)圖的鋪畫(huà)需要大量的車站及車站設(shè)備元素組件數(shù)據(jù)和線路的設(shè)備構(gòu)成元件數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)一般隨物理位置的固定而保持不變，稱之為靜態(tài)數(shù)據(jù)，如信號(hào)燈的位置和名稱，軌道區(qū)段的ID等。列車在實(shí)際運(yùn)行中，由于股道、道岔、信號(hào)燈等設(shè)備元件的設(shè)備狀態(tài)信息是不斷變化的，稱之為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)主要是軌道區(qū)段的占用狀態(tài)、道岔信號(hào)機(jī)的狀態(tài)及一些控制操作命令的傳輸與執(zhí)行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。

為了方便快捷地讀取和記錄數(shù)據(jù),本文采用.ini文件。

2.2 ATC仿真系統(tǒng)記錄回放模塊的開(kāi)發(fā)流程

圖1為初步設(shè)計(jì)記錄回放模塊的流程圖。

圖1 記錄回放模塊程序流程圖

記錄模塊中，輸入帶記錄的數(shù)據(jù)監(jiān)控信息，輸出為記錄文件；回放模塊中,輸入為記錄文件，輸出為記錄文件中提取的對(duì)應(yīng)信息。監(jiān)控要求長(zhǎng)時(shí)間記錄，但長(zhǎng)時(shí)間記錄會(huì)造成記錄文件過(guò)大,影響文件加載和回放的速率，所以本模塊采用分段記錄的方法。當(dāng)時(shí)間超過(guò)1s就會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)塊,記錄文件的最大存儲(chǔ)量為60000幀。當(dāng)記錄文件已存儲(chǔ)特定數(shù)目的數(shù)據(jù)幀信息后，自動(dòng)創(chuàng)建新的記錄文件，并采取加后綴編號(hào)的方式與用戶最初創(chuàng)建的文件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。這樣就解決了容量記錄文件打開(kāi)緩慢的問(wèn)題，提高了回放時(shí)文件加載的速度。

由于在加載記錄文件時(shí)，已將記錄文件中的各數(shù)據(jù)幀在文件中的存儲(chǔ)位置存儲(chǔ)到了指定容器中，所以回放時(shí)只需以當(dāng)前回放數(shù)據(jù)幀的幀號(hào)作為索引，從指定容器中提取數(shù)據(jù)幀在文件中的存儲(chǔ)位置信息，即可依此信息快速?gòu)挠涗浳募凶x取該數(shù)據(jù)幀進(jìn)行回放，從而保證讀文件的效率。

2.3 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)例

以上海軌道交通3號(hào)線記錄回放軟件的開(kāi)發(fā)為例，基本步驟如下。

(1)準(zhǔn)備基本的數(shù)據(jù)資源如圖2所示。

圖2 控件數(shù)據(jù)及記錄數(shù)據(jù)

由于站場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)量不是很大,本文選擇XML做數(shù)據(jù)庫(kù)。XML是自描述的，能夠以樹(shù)型或圖形結(jié)構(gòu)描述數(shù)據(jù)。如果XML文件不大，理論上會(huì)比用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)效率高，便于數(shù)據(jù)交換。在XML數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)控件的基本信息，XML的存儲(chǔ)格式如下(以信號(hào)燈為例)：

ID為信號(hào)機(jī)的 ID號(hào)，Name表示名稱，JJQD表示漸近區(qū)段，F(xiàn)irstQD表示第一區(qū)段，Direction表示信號(hào)機(jī)方向。

ini文件格式清晰，便于查找和存儲(chǔ)，提高回放時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的檢索效率。本文記錄采用ini文件。

ini文件的記錄格式如圖3所示，[Info]為根節(jié)點(diǎn)，Count表示記錄的總數(shù)，Date為當(dāng)前日期，Time為當(dāng)前時(shí)間，Data為記錄的數(shù)據(jù)，ATSTime為仿真時(shí)間。以時(shí)間為檢索，回放時(shí)可以選擇開(kāi)始回放時(shí)間和結(jié)束時(shí)間(如圖4所示)，同時(shí)設(shè)定回放的時(shí)鐘，就可以以時(shí)間為線索，重現(xiàn)事件發(fā)生和發(fā)展的過(guò)程。

圖3 ini文件格式

圖4 回放控制對(duì)話框

本程序采用BOOL WritePrivateProfileString(lpApplicationName,lpKeyName,lpString,lpFileName)和DWORD Get PrivateProfileString(lpszSection,lpszKey,lpszDefault,lpszRe-turnBuffer,cchReturnBuffer,lpszFile)存取ini文件數(shù)據(jù)。

(2)注冊(cè)組件，根據(jù)3號(hào)線的軌道信息繪制站場(chǎng)圖。

構(gòu)建站場(chǎng)圖組件的首要任務(wù)是設(shè)計(jì)其組件屬性。站場(chǎng)圖組件屬性分為以下兩類：靜態(tài)屬性和動(dòng)態(tài)屬性。靜態(tài)屬性主要指設(shè)計(jì)組件時(shí)可修改，但當(dāng)站場(chǎng)圖繪制完成時(shí)就不可修改的一類屬性；動(dòng)態(tài)屬性主要指設(shè)計(jì)組件時(shí)無(wú)需設(shè)置，在站場(chǎng)圖的仿真運(yùn)行過(guò)程中可不斷改變的屬性。以3號(hào)線信號(hào)機(jī)組件為例，其屬性可按如下設(shè)置：

①靜態(tài)屬性：包含信號(hào)機(jī)名稱、信號(hào)機(jī)標(biāo)簽、信號(hào)機(jī)位置等。

②動(dòng)態(tài)屬性：包含信號(hào)機(jī)狀態(tài)、故障狀態(tài)、是否鎖閉等。

組件定義如下：

其中COleControl類封裝了MFC的ActiveX控件。所有組件都由此類派生。

為了便于設(shè)計(jì)，本文將信號(hào)機(jī)組件屬性進(jìn)行了封裝，封裝后的代碼如下：

注冊(cè)圖5所示控件后，手動(dòng)繪制站場(chǎng)圖，繪制結(jié)果如圖6所示。

(3)設(shè)計(jì)基本回放界面，回放功能界面如圖7所示。

選擇開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，系統(tǒng)便會(huì)關(guān)聯(lián)到以時(shí)間為索引的相應(yīng)的記錄文件，對(duì)記錄文件解析后與站場(chǎng)圖關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)列車在站場(chǎng)圖中的回放。例如當(dāng)根據(jù)提供的《軌道ID對(duì)應(yīng)表》將ATC信息中的“軌道 ID”與站場(chǎng)圖中的“軌道名稱”相關(guān)聯(lián)，當(dāng)“軌道ID”為某一值時(shí)，使列車會(huì)同步顯示在站場(chǎng)圖中相應(yīng)的軌道上，以實(shí)現(xiàn)列車在站場(chǎng)圖中的回放。

圖5 L3組件

圖6 L3某段站場(chǎng)圖

圖7 回放功能界面

本文提出了城市軌道交通ATS記錄與回放軟件的基本思路，初步闡述了開(kāi)發(fā)相應(yīng)記錄與回放軟件的基本過(guò)程。不僅可以應(yīng)用于地鐵3號(hào)線ATC仿真系統(tǒng)中，同時(shí)可以廣泛應(yīng)用于其他線路的ATC仿真系統(tǒng)中，減少了重復(fù)開(kāi)發(fā)，為以后不同制式的ATC仿真系統(tǒng)的記錄回放模塊的設(shè)計(jì)提供參考。

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