一種CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)碼位自動(dòng)生成方法研究＊

趙訓(xùn)婷 黃友能 王 偉

（1.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，100044，北京；2.軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100044，北京；3.軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國家工程研究中心，100044，北京∥第一作者，碩士研究生）

基于通信的列車控制（Communication Based Train Control，簡(jiǎn)為CBTC）系統(tǒng)，代表了當(dāng)今世界城市軌道交通信號(hào)控制領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。目前，隨著我國城市軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，各大城市紛紛選擇CBTC技術(shù)作為信號(hào)系統(tǒng)的首選制式［1］。CBTC系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于軌道電路的列車控制系統(tǒng)相比有很大的優(yōu)勢(shì)，尤其是區(qū)段內(nèi)運(yùn)行列車子系統(tǒng)間的各項(xiàng)參數(shù)可以相互傳遞。當(dāng)前，為保證不同廠家生產(chǎn)的列車子系統(tǒng)間的正常通信，各個(gè)廠家都要根據(jù)工程設(shè)計(jì)方提供的平面線路布置圖，通過人工方式對(duì)線路布置圖中的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和校驗(yàn)，并按照各自規(guī)定的方式進(jìn)行編碼，形成接口碼位。這種方式耗費(fèi)的人力比較多，工作效率不高，而且沒有形成統(tǒng)一的碼位規(guī)范。

現(xiàn)在，城市軌道交通建設(shè)的工期越來越緊，對(duì)列車運(yùn)行安全性的要求也越來越高，因此研究數(shù)據(jù)碼位的自動(dòng)生成方法具有重要意義，有助于高效、準(zhǔn)確地得到數(shù)據(jù)接口碼位，并實(shí)現(xiàn)CBTC系統(tǒng)接口碼位的規(guī)范化。

1 數(shù)據(jù)碼位自動(dòng)生成的技術(shù)路線

數(shù)據(jù)碼位自動(dòng)生成的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)碼位自動(dòng)生成的技術(shù)路線

本文的技術(shù)路線從線路平面圖出發(fā)提取全部的線路數(shù)據(jù)。一條運(yùn)行線中的線路數(shù)據(jù)較多，為保證數(shù)據(jù)的完整性、安全性，以及碼位自動(dòng)生成算法的高效執(zhí)行，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行概念分層預(yù)處理；然后將ADO數(shù)據(jù)源和SQL數(shù)據(jù)庫相連，實(shí)現(xiàn)程序與數(shù)據(jù)庫之間的通信。提取接口數(shù)據(jù)采用順序啟發(fā)式算法，不斷搜索、篩選、排除剩余空間數(shù)據(jù)，直到獲得了子系統(tǒng)通信需要的全部接口數(shù)據(jù)。碼位生成部分用C#語言編寫程序進(jìn)行主界面的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)碼位的規(guī)范化生成。最后用HAZOP（危險(xiǎn)與可操作分析）方法對(duì)軟件風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)。HAZOP是一種用于辨識(shí)設(shè)計(jì)缺陷、工藝過程危害及操作性問題的結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的分析方法［2］。它按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及通信需求對(duì)每一步驟進(jìn)行分析，識(shí)別出潛在偏差的原因、結(jié)果和處理方式；處理過后將偏差反饋到數(shù)據(jù)預(yù)處理部分，重新生成所需碼位。

2 數(shù)據(jù)碼位自動(dòng)生成的設(shè)計(jì)方案

2.1 CBTC系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信

CBTC系統(tǒng)由區(qū)域控制器（Zone Controller，簡(jiǎn)為ZC），計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（Computer Interlocking，簡(jiǎn)為CI），車載控制器（Vehicle On Board Controller，簡(jiǎn)為VOBC）及列車自動(dòng)監(jiān)督（Automatic Train Supervision，簡(jiǎn)為 ATS）等子系統(tǒng)組成［3－4］。每一部分都要調(diào)用相關(guān)的數(shù)據(jù)到各自的程序中維持運(yùn)行功能，同時(shí)又要傳遞給相關(guān)子系統(tǒng)共同保證軌道交通系統(tǒng)的安全運(yùn)營。圖2為CBTC系統(tǒng)內(nèi)部通信數(shù)據(jù)的傳遞流圖。

圖2 CBTC系統(tǒng)內(nèi)部通信數(shù)據(jù)的傳遞流圖

由圖2可知，CBTC系統(tǒng)由4個(gè)子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)至少由一個(gè)程序完成功能，那么接口的數(shù)量就要按照4×（4－1）＝12，呈二次方增長(zhǎng)。每個(gè)接口的數(shù)據(jù)都要重新設(shè)定以滿足當(dāng)前系統(tǒng)信息傳輸?shù)男枨蟆Ｗ詣?dòng)生成數(shù)據(jù)碼位可以高效、高質(zhì)量地完成這項(xiàng)工作。下面以北京城市軌道交通亦莊線同濟(jì)南路站CI→ZC（計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖向區(qū)域控制器）之間需要傳遞的接口碼位為例，介紹其具體實(shí)現(xiàn)的方法。

CI→ZC傳送的數(shù)據(jù)主要用于ZC確定線路狀態(tài)，包括以下6種類型的數(shù)據(jù)：

1）道岔信息（位置定位狀態(tài)，位置反位狀態(tài)，鎖閉狀態(tài)）；

2）區(qū)段信息（運(yùn)行方向，占用狀態(tài)，空閑狀態(tài)，進(jìn)路辦理狀態(tài)，進(jìn)路鎖閉狀態(tài)）；

3）信號(hào)機(jī)信息；

4）OVERLAP（安全區(qū)段）信息；

5）站臺(tái)信息（站臺(tái)緊急關(guān)閉狀態(tài)，站臺(tái)安全門狀態(tài)，站臺(tái)無人折返狀態(tài)）；

6）進(jìn)路信息（基本進(jìn)路，折返進(jìn)路，出入段進(jìn)路）。

2.2 應(yīng)用概念分層的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理

概念分層就是數(shù)據(jù)庫中的概念以偏序方式組成，有底層概念（具體的概念）到高層概念（一般的概念）的映射序列［5－7］。本文的數(shù)據(jù)包括地面設(shè)施的編號(hào)、位置、方向等，每類設(shè)備信息都可以映射到該信息所在的數(shù)據(jù)表；同時(shí)所有的數(shù)據(jù)表都可以映射到設(shè)備和線路上。這些映射形成的數(shù)據(jù)概念分層結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可知，這些概念層次之間構(gòu)成了一個(gè)從抽象到具體的關(guān)系。基于概念分層的知識(shí)發(fā)現(xiàn)，這是一種有效的面向?qū)傩缘臄?shù)據(jù)歸納方法。它通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提煉加工，將記錄濃縮成較少的更高一層次的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)層次越高存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)等級(jí)就越高，相應(yīng)包含的信息數(shù)量就越少，但是信息覆蓋的范圍卻不變［8－9］。具體到本文中就是：在底層“具體信息”內(nèi)保留的所有內(nèi)容，在“按功能分塊”部分保留的是子系統(tǒng)傳遞中更為需要的數(shù)據(jù)，上一層的數(shù)據(jù)是下一層數(shù)據(jù)的真子集。這樣的存儲(chǔ)方式可以有效地提高數(shù)據(jù)碼位的生成效率。

2.3 順序啟發(fā)式算法生成碼位

啟發(fā)式算法在計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、運(yùn)籌學(xué)等一些工程學(xué)科中經(jīng)常被用到。在不同的學(xué)科中，對(duì)該詞的定義可能不同，對(duì)啟發(fā)式算法研究的側(cè)重點(diǎn)可能也不同。人工智能專家Pearl J.曾在其著作中對(duì)啟發(fā)式算法進(jìn)行了比較詳細(xì)的討論。他認(rèn)為：?jiǎn)l(fā)式算法是指一組指導(dǎo)算法搜索方向的、建議性質(zhì)的規(guī)則集；通常按照這個(gè)規(guī)則集，計(jì)算機(jī)可以在解空間中尋找到一個(gè)可行解［10－11］。本文提出的順序啟發(fā)式算法，利用組合優(yōu)化的方式，通過逐個(gè)地增加數(shù)據(jù)的方式來求得一個(gè)可行解。其計(jì)算速度較快，結(jié)果準(zhǔn)確率較高。

圖3 數(shù)據(jù)概念分層結(jié)構(gòu)

順序啟發(fā)式算法的具體執(zhí)行步驟如下：

步驟1：初始化數(shù)據(jù)庫，根據(jù)CI→ZC通信需要的數(shù)據(jù)確定各個(gè)數(shù)據(jù)表的優(yōu)先級(jí)，將整個(gè)數(shù)據(jù)庫看作初始剩余空間，作為第一個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖4為經(jīng)概念分層預(yù)處理后的數(shù)據(jù)庫模擬圖。數(shù)據(jù)庫共分為4層，優(yōu)先級(jí)從下到上依次遞增；同時(shí)每一層的數(shù)據(jù)也按照需求大小排列，數(shù)字越小表示優(yōu)先級(jí)越高。

圖4 數(shù)據(jù)庫預(yù)處理模擬圖

步驟2：后臺(tái)生成并維護(hù)2張數(shù)據(jù)表（“Unmark表”存儲(chǔ)被搜索但未被使用的數(shù)據(jù)，“mark表”存儲(chǔ)已被使用的數(shù)據(jù)），如圖5所示。

步驟3：按照ZC子系統(tǒng)需要的6類碼位數(shù)據(jù)，選取當(dāng)前剩余空間優(yōu)先級(jí)最高的數(shù)據(jù)表作為葉子節(jié)點(diǎn)。葉子節(jié)點(diǎn)表示當(dāng)前需要遍歷的數(shù)據(jù)表，即為圖6中黑色圓表示的部分。第一層編號(hào)為1的數(shù)據(jù)表如圖6所示。

圖5 順序啟發(fā)式算法中的數(shù)據(jù)表

圖6 第一層編號(hào)1被選為葉子節(jié)點(diǎn)

步驟4：遍歷當(dāng)前數(shù)據(jù)表，如有需要通信的接口數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)入步驟6；如沒有則轉(zhuǎn)入步驟5。

步驟5：當(dāng)前數(shù)據(jù)表中沒有需要通信的數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)入下一個(gè)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)表中重復(fù)步驟3、4。

下一個(gè)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)表即為當(dāng)前數(shù)據(jù)表直接關(guān)聯(lián)的下層編號(hào)為1的數(shù)據(jù)表和同層的下一級(jí)別的數(shù)據(jù)表。圖7中的黑色圓表示的部分即為第一層編號(hào)1中沒有所需要的通信數(shù)據(jù)，則更換第二層編號(hào)1為葉子節(jié)點(diǎn)。如果此時(shí)仍然沒有所需的數(shù)據(jù)，則需要繼續(xù)遍歷下一優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)表。圖8、圖9、圖10依次展示了順序啟發(fā)式算法更換葉子節(jié)點(diǎn)的順序。其中黑色圓表示選作下一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)表。

圖7 更換第二層編號(hào)1為葉子節(jié)點(diǎn)

圖8 第三次換選葉子節(jié)點(diǎn)

圖9 第四次換選葉子節(jié)點(diǎn)

圖10 第五次換選葉子節(jié)點(diǎn)

步驟6：將該數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)編號(hào)和數(shù)據(jù)名稱存入“Mark表”（見表1），并按照子系統(tǒng)間通信的接口碼位格式進(jìn)行編碼，同時(shí)將該數(shù)據(jù)表中未使用的數(shù)據(jù)存入“Unmark表”（見表2）。

表1 Mark表

表2 Unmark表

步驟7：將編碼后生成的信息，按碼位順序進(jìn)行編號(hào)，存入碼位表；重復(fù)步驟1，順序編碼繼續(xù)生成下一類通信碼位。

最終生成的同濟(jì)南路站CI→ZC通信的數(shù)據(jù)接口碼位如表3所示。

表3 亦莊線同濟(jì)南路站CI→ZC發(fā)送的數(shù)據(jù)碼位編號(hào)

3 結(jié)語

本文針對(duì)CBTC系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)碼位由人工生成的不足，提出了一種利用概念分層預(yù)處理數(shù)據(jù)結(jié)合順序啟發(fā)式算法自動(dòng)生成數(shù)據(jù)碼位的方法，并通過代碼實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)生成子系統(tǒng)間交互的碼位信息，達(dá)到了傳輸數(shù)據(jù)的完整覆蓋性需求。實(shí)例結(jié)果表明，自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)在保證覆蓋完整、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下減少了人工校驗(yàn)，大幅度提高了工作效率。

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