基于沙盤的城軌控制實驗室集中站聯鎖仿真系統

謝 飛，楊 揚

（西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 610031）

近年來，隨著城市軌道交通相關技術的迅速發展和與多學科的融合，集教學、培訓及技術服務為一體的城軌綜合實訓平臺已成為國內一些交通院校在軌道交通學科建設的重點項目。本文研究的內容源自于西南交通大學城市軌道交通控制及通信平臺實驗室，該實驗室是以城市軌道交通為主、高速鐵路為輔、管控一體、理實結合的綜合實訓平臺。集中站聯鎖系統作為該平臺的重要子系統，包括沙盤模型和聯鎖仿真軟件兩部分，實現在各車站間的聯鎖條件檢查、進路建立、信號設備控制以及進路鎖閉與解鎖，并把線路狀態真實呈現給仿真人員。由于進路與道岔、信號機、軌道之間的控制關系復雜，集中站聯鎖系統的仿真也成為了仿真平臺實現的難點之一。本文以沙盤地鐵2號線中的兩個集中站為例，利用UML（Unified Modeling Language，統一建模語言）對系統進行建模分析與設計，從系統的功能需求、總體設計、詳細設計及編程實現等方面用圖形化語言進行嚴格的描述與定義，結合Visio繪圖工具建立系統不同設計階段的可視化模型，提高了系統開發的效率。

1 集中站聯鎖系統功能簡介

1.1 城市軌道交通控制及通信平臺介紹

城市軌道交通控制及通信平臺是結合軌道交通控制、計算機仿真、現代通信等技術的綜合培訓系統，以信號控制、通信網絡及沙盤動態模擬仿真為依托，把城市軌道交通和高速鐵路兩部分有機地結合在一起，具有可操作性強、系統集成度高等特點，屬國內高校首例。系統能真實地仿真城市軌道交通、高速鐵路運輸管理以及相關通信過程，為軌道交通運營的模擬仿真和相關技術人員的培訓提供技術服務。

該仿真平臺的城市軌道交通部分是以成都地鐵1、2線為原型設計，分為6個子系統：控制中心子系統、ATP/ATO模擬子系統、沙盤模型子系統、集中站聯鎖子系統、車輛段模擬子系統、列車模擬駕駛子系統。這些子系統以數據庫服務器為基礎，從中獲取列車模擬運行與操作所需的線路基礎數據，各子系統間的信息交互通過綜合通信平臺實現，圖1是城市軌道交通控制及通信平臺的結構圖。各子系統通過有線或無線局域網絡實現各仿真軟件與沙盤間的聯動控制，真實還原了具備基于CBTC功能的城市軌道交通模擬系統。

圖1 城市軌道交通控制及通信平臺的結構

1.2 集中站聯鎖系統功能概述

1.2.1 上位機界面的顯示功能

系統能準確完成列車實際位置、集中站范圍內的線路圖、軌旁信號設備以及為列車排列的進路等顯示，根據《ATS符號定義》：（1）區段顯示：空閑時呈黃色，占用時呈紅色，鎖閉時呈綠色，故障時呈灰色；（2）道岔顯示：道岔在定位時開通定位位置，道岔在反位時開通反位位置，顯示與區段一致；（3）信號顯示：故障時呈灰色，開通直股進路時呈綠色，開通彎股進路時呈黃色，禁止信號呈紅色，引導信號為紅色+黃色，盡頭信號機保持紅色。

1.2.2 進路自動排列與解鎖功能

系統接收到列車由沙盤發回來的位置信息（IC卡號）后，判斷列車是否壓入觸發區段，若是則檢查進路是否能夠排列，若能則排列進路并鎖閉，列車出清后，相應區段自動解鎖。

1.2.3 模擬行車功能

在脫離沙盤的情況下，系統能實現列車的模擬走行，走行過程中，被占用的軌道區段能自動變為紅色，且實現聯鎖的基本功能，可作為教學培訓時演示使用。

1.2.4 人工排列與解鎖進路功能

在無線通信故障或需要人工干預時，仿真人員順序按壓進路始、終端按鈕排列進路，進路開放后，相應信號機燈位與線路顏色發生變化，進路被鎖閉，界面與沙盤的信號必須能實時同步動作。人工解鎖進路分為兩種情況：（1）正常解鎖，列車已完全出清某一進路，順序按壓解鎖進路、進路始端按鈕完成解鎖；（2）取消進路，列車并未進入進路，順序按壓取消進路、進路始端按鈕完成解鎖。

武術對外教材內容缺乏標準，影響海外武術習練者的學習效果。武術教學出版物是決定武術國際傳播標準化的重要內容。武術國際傳播的標準化與武術“走出去”戰略的實施息息相關，標準化的傳播能夠使武術走得更遠，而在標準化的傳播進程中，武術傳播者和傳播媒介占據著重要的地位。當下，中國武術協會已出臺一系列政策，對赴外武術教師提出相關要求，并且重視赴外武術教師的崗前培訓，以期使武術的海外傳播道路更加標準化。除此之外，中國武術協會和國際武聯應該重點考慮對海外武術教師進行系統培訓，讓這些教師通過繼續教育提升業務素質，從而能夠從根本上改善武術海外教材缺乏標準的現狀，進一步推動武術國際傳播的標準化。

1.2.5 保護區段與側面防護功能

保護區段和側面防護是城市軌道交通所獨有的，它代替了鐵路中防護道岔、帶動道岔和條件敵對等聯鎖條件，保證了行車安全。在城市軌道交通中，進路由主進路、保護區段及側面防護3部分構成。保護區段是在主進路外方延伸的一段區段，不屬于進路的一部分，但在辦理進路時要確保其空閑，防止列車因車速過快而釀成事故。側面防護是為避免其它列車從側面進入進路與列車發生側向沖突，簡稱“側防”檢查聯鎖條件時，須重點檢查這兩項聯鎖條件是否滿足。

2 集中站聯鎖系統的建模分析

2.1 系統的需求分析

本文采用面向對象的軟件建模工具對聯鎖系統進行需求分析，利用Visio完成對系統模型的構造、可視化和文檔化。目前支持UML的工具除Visio外，還有Rational Rose、Together2006等繪圖軟件。

聯鎖系統的核心功能是處理聯鎖邏輯的運算與判斷，在聯鎖處理過程中需調用聯鎖數據庫中的進路表、IC卡號表（存放著線路基本參數）等數據。列車通過無線通信方式將讀取到IC卡號發送回來，系統收到后立即查詢卡號表并解析出其線路坐標，標定其在上位機界面的實際位置并給出紅光帶表示。人工排列進路時，系統通過查詢進路表判斷操作是否有效，若是則讀取該進路的進路元素及其狀態信息，然后修改這些元素的狀態值，完成兩個變化：（1）界面的信號設備顯示改變，即進路鎖閉；（2）通過RS232串口驅動沙盤上的信號設備動作。列車出清區段后，系統應判斷收到的卡號是否具有解鎖功能，若有則修改信號設備的狀態值完成解鎖。從需求分析階段開始引入全面支持UML的Visio工具完整且無歧義地描述上述需求分析，提高軟件開發效率，UML描述的集中站聯鎖系統用例圖如圖2所示。

圖2 集中站聯鎖系統用例圖

2.2 集中站聯鎖系統的模型框架設計

完成系統需求分析后，本文給出了一種適用于系統仿真的模型，主要包括聯鎖處理、通信處理、數據庫訪問、上位機顯示、模擬/現場切換5個模塊，集中站聯鎖系統模型圖如圖3所示。

圖3 集中站聯鎖系統模型圖

上位機顯示模塊為用戶與系統交互時提供服務，根據聯鎖處理產生的顯示命令，實時準確地把集中站管轄范圍內的路況、列車實際位置、軌旁信號設備狀態、進路使用情況、聯鎖程序運行提示等信息向用戶反饋。用戶根據實際情況操作鼠標向系統下達進路排列命令交由聯鎖處理模塊處理。界面顯示設計完全參照《ATS符號定義》，友好地將更多的信息給予顯示，減少人為失誤，在最大程度上保證行車安全。

數據庫訪問模塊用于排列進路時向聯鎖處理模塊發送數據庫中的進路表與IC卡號表的數據，被解析后用于建立進路。該模塊須具備執行大量數據檢索與更新的功能，從而保證聯鎖信息處理的實時性，同時為提高算法可操作性，可在模塊設計時將數據劃分靜態數據與動態數據。

通信處理模塊負責系統與控制中心、沙盤模型間的信息傳遞，系統在通信時有專用通信鏈路，與控制中心間的通信協議為TCP/IP，采用有線局域網連接，與沙盤模型之間的通信協議為ANSI/EIA-232，采用RS232串行口連接，保證了通信的實效性與可靠性。

模擬/現場切換模塊是處理用戶根據所處環境選擇不同系統模式的請求。模擬模式雖不是系統所需要的設計，但可用于教學演示。在啟動系統時，設置一個登陸窗口，向聯鎖處理模塊傳達模式切換命令。

2.3 集中站聯鎖系統的詳細設計

聯鎖系統的各模塊間是通過消息機制被動態聯系到一起，由面向對象程序設計的思想可知，將系統的各個模塊以對象進行描述，并進一步將這些對象聚集成為類的表現形式，UML中采用類圖可很好地表示系統的類以及類之間的關系。本系統中，父類為集中站類，它有聯鎖處理類、通信處理類、數據庫訪問類、上位機顯示類和模擬/現場切換類5個子類，父類與子類之間是聚合的關系。利用Visio軟件中的靜態結構可描述上面的關系，集中站聯鎖系統的類圖如圖4所示。

圖4 集中聯鎖系統的類圖

由于聯鎖處理模塊的關鍵性，它的設計好壞直接關系到系統能否實現具體的聯鎖功能，聯鎖處理模塊的邏輯判斷過程是一個相當復雜的算法，每一步動作都被前面的動作嚴格約束，采用Visio工具中的活動圖能很好地描述其工作流程，聯鎖處理模塊的活動圖如圖5所示。

圖5 聯鎖處理模塊的活動圖

3 集中站聯鎖系統編程實現與測試

3.1 系統的編程實現

由已建立的系統模型，選取的沙盤地鐵2號線的2個典型集中站編程實現，用以驗證模型和分析設計方法的正確性與有效性，采用VB6.0與SQL2000對系統進行開發。SQL2000實現聯鎖表和IC卡號表數據的存儲，本文的聯鎖表包括主進路表、保護進路表、側面防護表。利用SQL2000的企業管理器完成所有數據表的錄入工作，從而實現聯鎖運算關鍵數據的存儲，供系統運行時數據庫訪問模塊調用。

為了理清各個模塊之間的交互關系便于開發人員理解，引入UML順序圖對模塊間消息投遞的時間順序進行描述。順序圖的縱向表示時間軸，橫向軸表示協作中的各獨立模塊。垂直虛線是模塊的生命線，表示該模塊是存在的，當模塊的過程處于激活狀態時，生命線是一個雙道線。模塊間的交互采用消息投遞機制表示，消息的箭頭表明消息的類型，系統模型的順序圖如圖6所示。

圖6 系統模型的順序圖

聯鎖系統可為列車提供4種級別的控制進路即連續式、點式、聯鎖以及引導級別，最大限度地提高運輸的安全和效率。圖7為集中站聯鎖系統的上位機顯示界面。此時在兩個集中站間僅有1列車運行，不涉及多列車追蹤運行的情況，行車憑證是根據地面信號機的顯示，引入人工干預為列車排列進路。界面顯示金頂站是站后折返站，而洗象池站是站前折返站，系統接收列車發送回來的IC卡號，實時標定列車位置，圖中用紅色光帶顯示，經聯鎖處理模塊處理后，選出進路并上鎖，圖中用綠色光帶顯示。界面設有聯鎖程序運行過程提示框，可以記錄整個系統的運行情況，操作人員可以明確當前狀況，包括報警信息等。

圖7 集中站聯鎖系統上位機顯示界面

3.2 聯鎖軟件的測試工作

測試時遵循兩個步驟：（1）在模擬環境下對所有進路進行測試，主要測試進路排列、自動解鎖、人工解鎖進路以及取消進路等功能，同時注意觀察測試時界面上各信號顏色顯示及程序運行提示欄的信息是否正確，經過第1步的仿真測試，絕大多數錯誤可以得到解決，為下一步與沙盤聯動后的測試工作做好了鋪墊。（2）現場測試時，需在實驗室控制臺PC機上安裝好VB6.0和SQL2000軟件，主要測試工作包括：a.進入現場模式后，系統能否根據沙盤信號設備的實際狀態初始化界面；b.選路時，沙盤信號設備的狀態是否與界面顯示保持一致；c.列車越過始端信號機后，信號機能否由綠或黃燈變為紅燈；d.列車占用區段時，紅光帶的標定是否正確；e.列車出清區段后，區段能否自動解鎖，解鎖后界面顏色顯示是否正確。圖8為列車在金頂站運行情景界面圖。

4 結束語

城市控制實驗室仿真平臺中，集中站聯鎖系統為列車在沙盤上各種作業的安全運行提供了保障，能較為真實地模擬城市軌道交通中地鐵車輛的真實運營情況，系統能夠運用于高校城市軌道交通相關專業的教學。本文從系統框架的角度深入剖析了集中站聯鎖系統的工作原理與主要功能，采用UML方法與Visio工具闡述了系統需求分析，搭建了系統模型框架，描繪了系統類結構及其關系，并對系統各模塊間的交互關系作了詳細說明。選取了2個典型集中站編程實現和測試，驗證了利用UML方法對系統建模的正確性。

圖8 列車在金頂站運行情景界面

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