城市軌道交通屏蔽門監控系統的仿真研究

廖鑫成，錢雪軍

（同濟大學 電氣工程系，上海 200331）

城市軌道交通屏蔽門監控系統的仿真研究

廖鑫成，錢雪軍

（同濟大學 電氣工程系，上海 200331）

屏蔽門監控系統集屏蔽門、綜合后備盤，列車等功能于一體，是地鐵車站監控系統的重要組成部分。本文在基于Windows操作系統上，通過VC++編程開發綜合后備盤仿真界面。通過3Ds Max、MultiGen Creator構建屏蔽門與列車三維模型，最終通過綜合后備盤的開關按鈕和信號指示燈來控制和顯示屏幕門的開、關狀態，實現屏蔽門與綜合后備盤的聯動。

屏蔽門； 綜合后備盤；聯動

隨著城市軌道交通快速發展，地鐵運行線路的迅速增加，城市軌道交通的安全問題得到了高度重視。屏蔽門監控系統不僅能保障地鐵乘客的安全，而且屏蔽門也增加了車站的舒適性、節能性和安全性[1]。在地鐵運營安全方面，屏蔽門監控系統可以減少地鐵乘客因擁擠而造成的傷害，避免給行車和乘客帶來安全隱患，為地鐵提高運營效率提供了保障。因此，屏蔽門監控系統已經成為地鐵車站監控系統重要的組成部分。為了提高地鐵運營效率和安全性，屏蔽門監控系統的仿真可以對地鐵車站值班員進行培訓和考核。本文設計的屏蔽門監控系統基于Windows操作系統，通過3Ds Max,Multigen Creator系統軟件，并用VC++作為開發語言，實現屏蔽門監控系統的三維仿真。

1 系統結構

本文設計的屏蔽門監控系統包括列車自動監控系統 （ATS，Automatic Train Supervision）、屏蔽門系統和車站綜合后備盤（IBP，Integrated Backup Panel）。如圖1所示。

圖1 屏蔽門監控系統結構

1.1 列車自動監控系統

列車自動監控系統是城市軌道交通列車自動控制系統的一個子系統。它是通過與列車自動控制系統中的列車自動保護系統和列車自動駕駛系統協調配合，完成城市軌道交通信號系統的自動管理和全自動行車調度指揮控制。列車自動監控系統包括監督和控制兩個功能。列車自動監控系統的監控功能則是將列車運營的狀態和信息，通過控制中心或車站的調度終端，實時顯示出來。列車自動監控系統向列車自動防護系統和列車自動駕駛系統發出指令，辦理列車進路，控制列車按照列車運行圖運行，實現其控制功能。

1.2 屏蔽門系統

屏蔽門系統主要由中央接口盤、就地控制盤、門控單元及外圍設備組成。

中央接口盤是地鐵車站控制室的設備，可以向對應側的屏蔽門發出開/關門信號，同時接受門狀態信號，反饋到綜合后備盤指示燈上。

就地控制盤主要是防止單個滑動門出現故障時，把該門機系統和其他門機系統隔離開，從而不影響其他門機系統運行，方便維護。

門控單元主要用來控制地鐵屏蔽門的開關以及對門狀態的檢測，存儲門狀態信息，同時具有網絡通信功能，便于組成網路。

1.3 綜合后備盤

綜合后備盤是車站控制室內最重要的組成部分，是緊急情況下或在車站相關監控系統人機界面故障造成無法通過監控系統人機界面對重要被控設備監控操作時的緊急后備操作手段。綜合后備盤構成主要有車站上下行屏蔽門信號狀態指示燈、控制按鈕、以及閉鎖開關。

2 屏蔽門系統三維建模

采用MultiGen Creator軟件來進行屏蔽門三維可視化建模，包括幾何建模和行為建模。建模包括屏蔽門建模和地鐵列車及運行線路的建模。屏蔽門建模和地鐵列車及其地鐵線路建模都是幾何建模，而屏蔽門的關、開和地鐵列車進站、出站都是行為建模，需要用到自由度（DOF）技術。地鐵本身是幾何模型，但地鐵的進站、出站需要在MultiGen Creator中動態配置。在屏蔽門系統實際應用中，屏蔽門系統由機械機構和電氣控制系統組成。而在屏蔽門三維建模中，由于屏蔽門模塊太多，所以采用模塊式建模思想 ,這樣可以最大限度地降低建模的復雜度,使模型層次分明,結構清晰,同時也可以兼顧模型的精確度、顯示速度、操縱效率以及廣泛性等建模指標。

2.1 屏蔽門系統主要模塊

屏蔽門系統的視景仿真，其設計目的是復原地鐵屏蔽門系統運行環境。給車站值班員一種真實的感覺。建立地鐵列車和車站設施的三維模型，通過變換視點或預定運動線路實現視景驅動，圖2為地鐵屏蔽門系統所需建模的模塊。

圖2 系統結構

2.2 屏蔽門三維模型

屏蔽門三維模型采用地下站臺的全高封閉式屏蔽門設計。參照城市軌道交通屏蔽門設計規范設計了屏蔽門門體模型。門體模型包含固定門，端門和滑動門等一套完整門體結構。屏蔽門的開/關需要用到自由度節點：（1）選擇屏蔽門為運動部件，并在數據庫中把它作為組節點（Group）或物節點（Object）建在DOF節點上；（2）MultiGen Creator中的Local-DOF模塊中設置相應的局部坐標并且定位，并且用Set DOF limits功能設定列車車門DOF的運行速度、方式、范圍等；（3）編程實現對屏蔽門開關的控制。屏蔽門模型如圖3所示。

圖3 屏蔽門模型

2.3 地鐵列車三維模型

地鐵列車由外殼和內艙組成。外殼是利用地鐵的框架圖，配合Creator中的柵格坐標系，利用立面和平面比照參考的方法，將列車外殼準確建模。通過對模型外殼框架控制點修改完成其模型的外形變化。在對內艙座椅的建模過程中，出現很多較為平滑的曲面。在對曲面的模擬上，Creator利用了較為細致的三角面來構成，使得在線框視圖中能夠較清楚地分辨出曲面的位置和相對關系[2]。列車車門的開/關同屏蔽門控制一樣，通過自由度節點實現車門開關控制，如圖4所示。

圖4 地鐵列車三維模型

2.4 虛擬乘客

人體幾何模型可以在3個層次上進行構造：骨架、肌肉和皮膚。由于一般情況不考慮人體模型運動過程中肌肉的變化，所以只進行骨架和皮膚兩個層次的建模。這樣做的優點是既可以表示人體的內部結構，又可以用皮膚模型描述人體的外部形狀、刻畫逼真的人物形象[3]，如圖5所示。

圖5 虛擬乘客

3 綜合后備盤仿真

3.1 綜合后備盤功能介紹

在地鐵正常情況下，控制中心調度人員控制地鐵全線路的運行，在地鐵緊急情況下，如控制中心失去控制功能時，則整條地鐵線路可以降級運行，各車站直接完成運行管理，此時IBP盤將起到一定作用。綜合后備盤主要由幾個分區構成，主要有屏蔽門系統、IBP功能、閘機、信號系統4個分區。每個分區都有相應的控制按鈕、信號指示燈以及相應的專業設備編號等,如圖6所示。

圖6 IBP盤界面

（1）信號指示燈能夠顯示地鐵車站上下行屏蔽門開關狀態，紅燈亮，綠燈滅，表示屏蔽門處于關閉狀態，綠燈亮，紅燈滅，表示屏蔽門處于打開狀態；（2）當緊急情況發生時，地鐵車站值班員可立刻通過對IBP盤上面的屏蔽門緊急開啟按鈕的操作，實現屏蔽門的緊急開啟功能；（3）就地控制盤（PSL）是在列車自動控制系統出現故障時，由車站值班員或列車駕駛員在PSL上對屏蔽門進行關/開門的操作，實現屏蔽門車站級人工操作；（4）測試按鈕的作用是當測試按鈕按下去時，所有信號狀態燈亮，蜂鳴器響；（5）在正常狀態，即屏蔽門自動操作狀態。IBP功能鑰匙應在“切除”檔位置，切除紅燈亮。在非正常狀態下，即屏蔽門手動操作狀態。IBP盤操作屏蔽門狀態，IBP功能鑰匙應在“投入”狀態。

3.2 綜合后備盤仿真

本文使用VS2010作為軟件界面開發工具，編寫綜合后備盤IBP主界面。綜合后備盤IBP主界面包括屏蔽門上行、下行信號狀態指示燈、PSL允許、測試燈等操作功能。

實現方式：當列車進出站時，屏蔽門信號指示燈要顯示屏蔽門的開關狀態。對于信號指示燈的亮滅的實現，在VC++中，通過靜態文本框貼圖，同時為靜態文本框加入控制變量?？刂谱兞客ㄟ^屏蔽門開關的標志位來控制位圖的切換，即信號指示燈的亮滅。同理，對于鑰匙開關，用3個按鈕來表示停、關、開。當點擊停、關、開檔位時，鑰匙開關切換到相應圖片。同時控制屏蔽門的開關狀態。

C++語言的顯著優勢之一在于它的封裝性，使用C++的類可以方便高效地開發所需的顯示效果。通過CDialog類自定義對話框數組，插入CPen、CFont等相關類。為了讓屏幕不閃爍，編程采用后臺繪制、前臺刷新的方法實現IBP盤界面的顯示。實現方法如圖7所示。

圖7 IBP盤編程實現

4 屏蔽門監控系統仿真結果

4.1 列車自動監控系統正常工作狀態

當列車自動監控系統處于正常狀態時，地鐵車門和車站屏蔽門都受ATS控制。當地鐵列車進站停車時，車門、屏蔽門安全打開，綜合后備盤的下行信號狀態指示綠燈亮。當地鐵準備離站時，綜合后備盤的上行信號狀態指示紅燈亮。如圖8所示車站上行屏蔽門、車門關閉，綜合后備盤上行信號紅燈亮。

圖8 ATS處于正常工作狀態

4.2 列車自動監控系統非正常工作狀態

當列車自動監控系統處于非正常狀態時，綜合后備盤IBP操作屏蔽門狀態。IBP功能鑰匙轉至“切入”檔位置。“投入”綠燈亮。操作“開/關”鑰匙轉至“開”檔時，屏蔽門打開。屏蔽門打開后，“全開”綠燈亮。轉至“關”檔時，屏蔽門關閉后，“關閉鎖緊”紅燈亮。同時，PSL可以手動操作IBP盤。當PSL允許鑰匙轉至“允許”檔位置，PSL允許綠燈亮。此時PSL可以操作屏蔽門，屏蔽門開門時，“全開”綠燈亮。當屏蔽門關閉時，“關閉鎖緊”紅燈亮。如圖9所示。

圖9 ATS處于非正常工作狀態

5 結束語

屏蔽門監控系統是地鐵車站監控系統的緊急后備操作手段。本文結合上海地鐵車站綜合后備盤和屏蔽門模型，通過VC++編程實現屏蔽門監控系統的聯動。屏蔽門監控系統不僅能對值班員進行模擬培訓，而且也為考核值班員提供了一個有效途徑。

參考文獻:

[1]賓海豐,陳寧寧.城市軌道交通屏蔽門聯動系統車載子系統的設計與創新[J].鐵路計算機應用，2013，22（2）：63-64，68.

[2]王 乘，李利軍,周均清，等.Creator可視化仿真建模技術[M].武漢：華中科技大學版社，2005.

[3]宋曉偉.地鐵列車運行控制視景仿真系統中三維建模技術的研究與實現[D].北京：北京交通大學，2007，5：54-56.

[4]李愛軍,張發明.城市軌道交通車站IBP盤功能實現分析[J].現代城市軌道交通,2009（1）：10-12.

[5]王 丹,穆建成,黃友能.基于虛擬現實的屏蔽門仿真系統設計與實現[J].都市快軌交通，2010（3）：106-109.

[6]朱麗娟.地鐵車控室綜合后備控制盤（IBP）功能需求分析[J].現代城市軌道交通，2013（3）：34-37。

責任編輯 徐侃春

圖2 故障診斷結果對比

圖2為通過上述2種方法選取懲罰參數c和核函數參數g的模型進行軌道電路故障診斷的結果，可以看出，利用PSO-SVM模型的軌道電路故障診斷準確率可以得到有效的提高，但是診斷時間比SVM模型稍長。

4 結束語

對于SVM難以選擇參數的問題，本文利用PSO快速尋優的特點，采用PSO優化SVM的參數，實現了SVM核參數的自動最優選擇，將這種優化后的算法應用在無絕緣軌道電路的故障診斷中，最后通過仿真分析驗證了基于PSO-SVM的軌道電路故障診斷模型的可行性,也提高了故障診斷的效率和準確率。

[1]李文海.ZPW-2000A移頻自動閉塞系統原理、維護和故障處理[M].北京：中國鐵道出版社，2010：6-28.

[2]陳永義，熊秋芬.支持向量機方法應用教程[M].北京：氣象出版社，2011：5-10.

[3]趙林海,冉義奎,穆建成.基于遺傳算法的無絕緣軌道電路故障綜合診斷方法[J].中國鐵道科學，2010，31（3）：107-113.

[4]黃贊武.軌道電路故障預測與健康管理關鍵技術研究[D].北京：北京交通大學，2013.

[5]王 彤.基于最小二乘支持向量機的軌道電路故障診斷方法[J].鐵道標準設計，2014，58（2）：90-93.

[6]鄧乃揚，田英杰.數據挖掘中的新方法—支持向量機[M].北京：科學出版社，2004.

[7]Kennedy J,Eberhart R C.Particle swarm optimization [C].Proc of IEEE International Conference on Nerual Networks,1995:1942-1948.

[8]REN Neng ,LIANG Jun,GU Bo,et al.Fault diagnosis strategy for incompletely described sampels and its application to refrigeration system [J].Mechanical Systems and Signal Processing,2008,22(2):436-450.

責任編輯 徐侃春

Simulation of Platform Screen Door Monitoring System for Urban Transit

LIAO Xincheng,QIAN Xuejun
( Department of Electrical Engineering,Tongji University,Shanghai 200331, China)

Platform Screen Door Monitoring System is an important part of Urban Transit station monitoring system.It integrates the function of platform screen door,integrated backup panel and etc.This article was based on the Windows operating system,developed a simulation interface of integrated backup panel by VC ++ programming.3D model of platform screen door and train was constructed by using 3Ds Max,MultiGen Creator.The buttons and signal lights of integrated backup panel were used to control and display the states of the platform screen door,implement linkage between platform screen door and integrated backup panel.

platform screen door;integrated backup panel;linkage

U231.4：TP39

A

1005-8451（2016）08-0059-05

2016-02-29

廖鑫成，在讀碩士研究生；錢雪軍，副教授。