以ATS為核心的站場圖數(shù)據(jù)及顯示方案的研究

張秉帥，李 坤，楊 淘，吳 曦

（1.西南交通大學 信息科學與技術(shù)學院，成都 610031；2.青島供電公司，青島 266106）

站場圖是列車自動監(jiān)控（ATS）系統(tǒng)主要的顯示界面，CBTC（基于通信的列車控制）的ATS提供了更加豐富的列車信息表示。站場圖描述了車站站場中信號機、道岔、軌道區(qū)段等設(shè)備之間的聯(lián)鎖關(guān)系和站場信號的拓撲信息，是整個CBTC系統(tǒng)能夠?qū)嵤┖瓦\行的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[1]。本文從站場圖數(shù)據(jù)開始分析，進而詳細闡述GDE形式的站場圖以及后期改造的SVG形式站場圖。

1 站場圖數(shù)據(jù)分析

1.1 站場圖計算機模型

站場圖可以分為相互聯(lián)系的兩個層次：圖形層和設(shè)備層。在圖形層中包括站場圖形所有可能用到的基本圖元。主要包括直線、矩形、填充矩形、圓形、填充圓形、菱形、三角形和文本等。而設(shè)備層則是站場圖數(shù)據(jù)的核心，由軌道、道岔、信號機、車站和站臺等設(shè)備組成，每個設(shè)備都包含相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。圖形層和設(shè)備層有唯一的對應(yīng)關(guān)系，每一個設(shè)備都有一個唯一的圖形編號與圖形層中的圖元相對應(yīng)，圖形層中每一個設(shè)備圖元也都包含設(shè)備的聯(lián)鎖區(qū)編號、設(shè)備類型和設(shè)備編號。層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 站場圖的計算機模擬層次結(jié)構(gòu)

1.2 站場圖碼位設(shè)計

站場圖碼位，是指設(shè)備的各種控制信息，以及需要反映的各種設(shè)備狀態(tài)信息。輸入碼位是指通過系統(tǒng)接口接收到的各種設(shè)備的控制、狀態(tài)、報警等信息。輸出碼位是指ATS產(chǎn)生的對于設(shè)備的控制信息，需要通過相應(yīng)接口傳給其他設(shè)備系統(tǒng)，主要包括車載控制器（VOBC）、計算機聯(lián)鎖（CBI）、 區(qū)域控制中心（ZC）等。碼位采用兩個字節(jié)（byte）存儲，按照聯(lián)鎖區(qū)連續(xù)設(shè)置。

輸入碼位主要包含聯(lián)鎖區(qū)、車站、信號機、軌道區(qū)段、道岔信息。聯(lián)鎖區(qū)信息包含ATS工作站控制權(quán)限的狀態(tài)信息、權(quán)限申請信息，同時還包含進路設(shè)置信息、報警信息，報警提示信息設(shè)置了引導總?cè)∠?、燈絲報警、熔絲報警、道岔擠岔、火災(zāi)報警。站臺信息包含終端模式設(shè)置、站臺扣車、站臺緊急關(guān)閉控制信息，以及通過系統(tǒng)接口接收站臺屏蔽門、風機狀態(tài)信息。信號機信息反映燈絲是否完整、是否開放、點燈顏色，以及信號機屬性。軌道區(qū)段信息反映軌道區(qū)段信息，是否占用、是否鎖閉。道岔信息反映道岔位置狀態(tài)、是否為單鎖、是否鎖閉。

輸出碼位主要包含聯(lián)鎖區(qū)、車站、信號機信息。輸出碼位用于向設(shè)備傳輸控制信息，聯(lián)鎖區(qū)的控制權(quán)限設(shè)置、進路設(shè)置，車站終端模式設(shè)置、扣車信息、發(fā)車命名，信號機的進路設(shè)置、屬性設(shè)置。

1.3 設(shè)備鏈接關(guān)系

圖2 設(shè)備鏈接站場示意圖

在一個完整的站場圖中，每一個設(shè)備都不是單獨的圖元，而是相互鏈接組成的一個整體。相鄰的兩個設(shè)備之間通過上下鏈接關(guān)系連接起來，站臺和站臺軌對應(yīng)綁定在一起，軌道和對應(yīng)的車次窗也綁定在一起。

以圖2為例，設(shè)備鏈接關(guān)系圖3所示。

圖3中所示為車站B到道岔區(qū)段的設(shè)備鏈接關(guān)系，其中B站上下兩個站臺分別對應(yīng)兩段站臺軌T0416和T0407，信號機和軌道一般只有上下鏈接關(guān)系，用來鏈接相鄰的設(shè)備，而每一節(jié)單道岔則有3個鏈接關(guān)系，分為主鏈接，定位鏈接和反位鏈接，分別用MIAN_Link、NORMAL_Link和REVERSE_Link表示。

若道岔部分為交叉渡線道岔，則分為上下兩部分，每一部分又分為左鏈接和右鏈接。分別為L_MainLin、L_ReverseLink、R_MainLink和R_ReverseLink。用實際站場圖舉例，如圖4所示，交叉渡線下部分道岔分為左邊P0705和右邊P0707兩部分，如圖4中（a）、（b）所示，左邊主鏈接L_MainLink為信號機X0705，左邊反位鏈接L_ReverseLink為交叉渡線上部分道岔。如圖4中（c）、（d）所示，右邊主鏈接R_MainLink為單道岔P0709，右邊反位鏈接R_ReverseLink為交叉渡線上部分道岔，與左邊反位鏈接相同。

圖3 設(shè)備鏈接關(guān)系圖

2 站場圖顯示方案

一個完整的站場圖不僅要能顯示完整的站場設(shè)備，還要包括完整的站場數(shù)據(jù)。設(shè)備數(shù)據(jù)主要為上文所述的設(shè)備碼位和設(shè)備鏈接關(guān)系，為圖元賦予了設(shè)備的含義。而不同的顯示模式需要采用不同的數(shù)據(jù)存取形式。

2.1 GDE站場圖

GDE（Guideway Data Editor）是西南交大軌道交通實驗室自主開發(fā)的站場圖軟件。用二進制形式保存站場圖文件，把設(shè)備的碼位數(shù)據(jù)、設(shè)備鏈接關(guān)系以特定的排列模式存為軟件識別的模式。

GDE形式的站場圖結(jié)構(gòu)主要分為圖標類和設(shè)備類。

在圖標類中，對應(yīng)圖形編輯模式。用戶需要輸入各種圖形元素，主要包括圓、圓（填充）、直線、矩形、矩形（填充）、菱形（填充）、左向三角形（填充）、右向三角形（填充）、文本、圓角矩形、圖形塊等。

站場圖繪制系統(tǒng)定義了圖形類的基類CIconObject。為了繪制各種圖形，分別定義了各個圖形元素的類，每個圖形元素的類都繼承CIconObject類，并分別實現(xiàn)了各自的繪制函數(shù)和調(diào)整函數(shù)等。為了方便用戶輸入，還定義了圖形塊CBlockObject，一個圖形塊中可以包含多個圖形，可以一次插入整個圖形塊。每一個圖形或者圖形塊都設(shè)置一個變量代表圖形編號，用于唯一的標記圖形并且隨圖形的添加自動增加。

設(shè)備類的整個流程如圖5所示，在編輯設(shè)備圖形時，通過在站場圖形中選擇對應(yīng)的圖元把設(shè)備類和圖形類關(guān)聯(lián)起來。

圖4 交叉渡線道岔鏈接關(guān)系表示圖

由圖5可知，二進制的站場圖文件中主要包括的數(shù)據(jù)有設(shè)備基本屬性數(shù)據(jù)、設(shè)備的輸入碼位和輸出碼位、設(shè)備對應(yīng)的圖形編號以及和相鄰設(shè)備的鏈接關(guān)系。每一個數(shù)據(jù)對應(yīng)類的結(jié)構(gòu)中的一個變量，以相同的形式在GDE中存取。

圖6所示為GDE形式站場圖第一個聯(lián)鎖區(qū)的示意圖以及對應(yīng)的設(shè)備組成樹形結(jié)構(gòu)說明。其中，SGHead為聯(lián)鎖區(qū)頭文件，包括站控、遙控、緊急站控3種控制模式以及折返模式的定義。當設(shè)備對應(yīng)的圖元為多個圖元的組合時，組合的圖元編號則存放在Mis中，例如圖6中，自動信號機X0103對應(yīng)的圖元為填充圓和三角形的組合。INPUT和OUTPUT代表輸入碼位和輸出碼位，前文已詳細論述，此處不再贅述。其他設(shè)備中則保存了設(shè)備對應(yīng)的基本屬性、圖形信息以及設(shè)備鏈接信息。

圖6 GDE站場圖和設(shè)備組成樹形結(jié)構(gòu)

2.2 SVG站場圖

可縮放矢量圖形（SVG）是基于XML的一項新興技術(shù)，可以令設(shè)計人員創(chuàng)建載入的Web圖形，并能夠通過Web瀏覽器、手持設(shè)備或者移動電話查看這些圖形[2]。

SVG站場圖是基于GDE站場圖數(shù)據(jù)優(yōu)化改造的新方案的站場圖。通過和工作站的WebServer通信，實現(xiàn)一個實時刷新、動態(tài)顯示的Web平臺的SVG站場圖。與GDE站場圖類似，SVG站場圖中同樣需要定義圖形和設(shè)備兩部分。

2.2.1 圖形繪制

表1給出了站場圖圖形元素對應(yīng)到SVG中的表示方式。SVG 帶有許多基本的圖形元素，只要通過組合基本圖形元素就可以構(gòu)建出 SVG 站場圖。如表1所示，SVG形式站場圖的基本圖元與GDE類似，只需要從GDE站場圖形數(shù)據(jù)中取出每一個圖元的起始點坐標、寬度、填充色等變量值和其他信息，然后以SVG識別的語句表出。

表1 站場圖圖元與SVG的對應(yīng)表

2.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

矢量化了的圖形作為對象，本身包含各種屬性和特征。組成圖形的各個部分，又可以看成獨立的對象，也具有自身的屬性和特征，同時，這些對象之間具有一定的關(guān)系，所有這些屬性和關(guān)系，就構(gòu)成了完整的圖形描述[3]。

站場圖中層次化的樹形結(jié)構(gòu)模型，使用XML置標語言可以很容易地描述出來[4]。把設(shè)備數(shù)據(jù)以XML置標語言的形式，按照聯(lián)鎖區(qū)順序以樹形結(jié)構(gòu)依次寫入SVG站場圖文件，通過工作站的Web服務(wù)器讀取SVG文件對設(shè)備節(jié)點解析，實現(xiàn)設(shè)備屬性、輸入輸出碼位等數(shù)據(jù)的錄入，并通過站場情況，通過層次結(jié)構(gòu)找到并修改對應(yīng)設(shè)備的節(jié)點信息，對SVG站場圖實時刷新。

取第1個聯(lián)鎖區(qū)中道岔P0105的數(shù)據(jù)為例，在道岔的樹形層次中包括了所有相關(guān)節(jié)點，這些節(jié)點是道岔的各個元素和屬性。P0105的文檔實例如下：

以鄭州一號線方針數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，SVG形式的站場圖如圖7所示。SVG可以實現(xiàn)無極縮放，圖7上部分為全線站場圖，下部分為放大后的部分聯(lián)鎖區(qū)站場圖。

圖7 SVG全線及部分聯(lián)鎖區(qū)站場圖

3 結(jié)束語

站場圖作為ATS綜合監(jiān)控的主要界面，起著至關(guān)重要的作用。本文主要針對兩種形式的站場圖數(shù)據(jù)進行分析，分別展示了圖形效果。GDE作為實驗室自主研發(fā)的站場圖軟件，繪制和修改站場圖界面靈活性強，編輯站場圖數(shù)據(jù)也很方便。以GDE站場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的改造后的SVG站場圖是基于XML的語言構(gòu)造的圖形，不僅有豐富細致的圖形，精確的無極縮放，而且數(shù)據(jù)可讀可擴展性強，交互性也很好，更便于使用。

[1]薛巧麗，王培林. 城軌信號系統(tǒng)站場圖編輯軟件TOPOLOGY的研究與實現(xiàn)[J].機車電傳動，2011（5）.

[2]Bill Trippe Kate Binder.SVG設(shè)計[M].高 偉，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2003，4：3-11.

[3]袁家政，須 德，鮑 泓. 基于XML的矢量圖形SVG的結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機研究與發(fā)展，2005，42（增刊A）：129-136.

[4]袁家政，須 德，鮑 泓. 基于XML矢量圖形SVG的數(shù)據(jù)庫模型與存儲研究[J].計算機研究與發(fā)展，2006，43（增刊）：444-450.