視景仿真技術(shù)在鄭州地鐵1號(hào)線列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用*

王懷松 陳榮武 易立富 王堅(jiān)強(qiáng) 楊 城

（1.西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，610031，成都；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，611756，成都//第一作者，碩士研究生）

視景仿真技術(shù)在鄭州地鐵1號(hào)線列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用*

王懷松1陳榮武1易立富2王堅(jiān)強(qiáng)2楊 城1

（1.西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，610031，成都；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，611756，成都//第一作者，碩士研究生）

通過列車運(yùn)行視景仿真系統(tǒng)，可將視景仿真技術(shù)應(yīng)用到城市軌道交通列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中。以鄭州地鐵1號(hào)線為例，介紹了列車運(yùn)行視景仿真系統(tǒng)的建立過程。通過系統(tǒng)接口通信，ATS（列車自動(dòng)監(jiān)控）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車運(yùn)行視景仿真系統(tǒng)的列車自動(dòng)追蹤功能、信號(hào)控制功能，以及信號(hào)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控功能。經(jīng)過仿真測試驗(yàn)證，視景系統(tǒng)圖像輸出流暢，可真實(shí)描述地鐵列車的運(yùn)行場景；視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)結(jié)合能模擬ATS系統(tǒng)對(duì)在線列車的主要監(jiān)控功能，具有良好的實(shí)時(shí)控制性與穩(wěn)定性。

地鐵；視景仿真技術(shù)；列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

列車運(yùn)行視景仿真技術(shù)將三維視景仿真技術(shù)與軌道交通控制系統(tǒng)結(jié)合，廣泛應(yīng)用于列車駕駛員培訓(xùn)系統(tǒng)和列車運(yùn)營三維演示系統(tǒng)中。隨著計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)以及自動(dòng)化控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，列車運(yùn)行視景仿真方法也日趨多元化。

ATS（列車自動(dòng)監(jiān)控）系統(tǒng)是城市軌道交通ATC（列車自動(dòng)控制）系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)，是集現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)技術(shù)為一體的分布式實(shí)時(shí)監(jiān)督、控制系統(tǒng)［1］。

將列車運(yùn)行視景仿真技術(shù)應(yīng)用到ATS系統(tǒng)中，要先建立列車運(yùn)行視景仿真系統(tǒng)（以下簡為“視景系統(tǒng)”），并在視景系統(tǒng)中模擬列車運(yùn)行的客觀環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行三維環(huán)境與ATS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息交互。這對(duì)研究和測試ATS的系統(tǒng)功能具有重要意義。

1 視景系統(tǒng)

1.1 視景系統(tǒng)的建立

視景系統(tǒng)以鄭州地鐵1號(hào)線的真實(shí)列車運(yùn)行環(huán)境為原型。首先，在MSTS建模平臺(tái)上構(gòu)建線路三維模型；然后，便可在VS2013軟件開發(fā)平臺(tái)上開發(fā)各種所需要的系統(tǒng)控制功能，從而模擬出豐富的列車運(yùn)行場景，最終完成視景系統(tǒng)的搭建。

視景系統(tǒng)性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括可擴(kuò)展性、建模高效性、逼真性以及模擬場景的豐富性［2］。基于微軟MSTS平臺(tái)的建模方法具有強(qiáng)大的圖像處理能力以及批量式布景功能，能大幅提高建模的質(zhì)量與效率，能完全滿足視景系統(tǒng)的性能需求。

視景系統(tǒng)中需要建模的主要場景模型包括：列車、軌道、信號(hào)機(jī)、車站、隧道，高架橋及其他建筑景觀［3］。視景系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程如圖1所示。

圖1 視景系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程

1.2 視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信

基于MSTS平臺(tái)開發(fā)的視景系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性。通過通信接口就可以方便地把視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)視景仿真技術(shù)在ATS系統(tǒng)中的應(yīng)用。由于視景系統(tǒng)是基于ATS系統(tǒng)對(duì)室外列車運(yùn)行場景進(jìn)行模擬的，故首先要保證兩個(gè)系統(tǒng)之間信息交互的實(shí)時(shí)性和同步性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模擬車地雙向通信的功能［4］。為此，兩者之間的通信接口采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，并采用C#語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)；而且，視景系統(tǒng)在建模時(shí)，其線路數(shù)據(jù)和信號(hào)設(shè)備位置要與ATS系統(tǒng)保持一一對(duì)應(yīng)。在列車運(yùn)行過程中，ATS系統(tǒng)與視景系統(tǒng)之間所交換的數(shù)據(jù)內(nèi)容如圖2所示。

圖2 視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)間交換的數(shù)據(jù)

視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)相結(jié)合后，ATS作為服務(wù)器，視景系統(tǒng)作為客戶端，在ATS系統(tǒng)界面可對(duì)視景系統(tǒng)中的列車和信號(hào)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。此外，ATS支持多客戶端接入，每臺(tái)裝有視景系統(tǒng)的PC機(jī)均可作為1個(gè)客戶端接入ATS系統(tǒng)。因此，通過ATS服務(wù)器界面可對(duì)多個(gè)不同運(yùn)行場景的列車運(yùn)行狀態(tài)和信號(hào)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

2 ATS系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

ATS系統(tǒng)的基本功能包括監(jiān)視功能與控制功能［5］。監(jiān)視功能是指對(duì)全線的列車和設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控；控制功能主要是指信號(hào)的自動(dòng)控制功能、時(shí)刻表及運(yùn)行圖的自動(dòng)調(diào)整功能等。通過視景系統(tǒng)模擬室外真實(shí)的列車運(yùn)行場景，可更好地實(shí)現(xiàn)ATS系統(tǒng)功能。

視景系統(tǒng)將列車位置數(shù)據(jù)及車次號(hào)等信息發(fā)送到ATS系統(tǒng)接收端后，ATS系統(tǒng)可據(jù)此來實(shí)現(xiàn)全線的列車自動(dòng)追蹤運(yùn)行、顯示車次號(hào)、實(shí)現(xiàn)列車進(jìn)入及駛出管轄區(qū)的車次號(hào)自動(dòng)移位。

2.1 列車自動(dòng)追蹤功能

視景系統(tǒng)三維列車運(yùn)行時(shí)，通過Timer（時(shí)鐘）設(shè)置功能每隔0.05 s向ATS系統(tǒng)發(fā)送1次位置數(shù)據(jù)。列車位置數(shù)據(jù)由程序變量（FrontTDBTraveller.Location.X、FrontTDBTraveller.Location.Y、FrontTDBTraveller.Location.Z）中獲取。其中，F(xiàn)rontTDBTraveller表示在三維視景系統(tǒng)下的列車沿運(yùn)行方向最前方所在位置，且每個(gè)位置由X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)唯一確定。視景系統(tǒng)將讀到的坐標(biāo)信息經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后發(fā)送到ATS系統(tǒng)。ATS系統(tǒng)根據(jù)接收到的位置數(shù)據(jù)控制模擬列車運(yùn)行到相應(yīng)位置，從而實(shí)現(xiàn)ATS系統(tǒng)對(duì)本管轄范圍內(nèi)列車的自動(dòng)追蹤功能。列車自動(dòng)追蹤功能的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 ATS系統(tǒng)通過視景系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)追蹤功能的流程

2.2 ATS信號(hào)控制功能

ATS系統(tǒng)的信號(hào)控制功能主要體現(xiàn)在對(duì)道岔、信號(hào)機(jī)以及進(jìn)路的控制上。信號(hào)機(jī)、道岔及進(jìn)路之間具有一定的聯(lián)鎖關(guān)系［6］。ATS系統(tǒng)首先通過列車識(shí)別信息和列車所處的軌道區(qū)段，自動(dòng)生成前方道岔區(qū)段的進(jìn)路控制指令，再按照列車的接近條件自動(dòng)控制道岔轉(zhuǎn)換、開放信號(hào)機(jī)，最后運(yùn)用安全聯(lián)鎖來實(shí)現(xiàn)列車進(jìn)路的自動(dòng)排列。

2.2.1 ATS系統(tǒng)對(duì)視景系統(tǒng)道岔和信號(hào)機(jī)的控制

視景系統(tǒng)中的每個(gè)道岔或信號(hào)機(jī)都有ID（標(biāo)識(shí)）編號(hào)。當(dāng)ATS系統(tǒng)需要控制視景系統(tǒng)中的某個(gè)道岔（或信號(hào)機(jī)）時(shí)，ATS系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生1個(gè)相應(yīng)的信號(hào)控制命令并發(fā)送到視景系統(tǒng)中。每一個(gè)信號(hào)控制命令的格式均為“信號(hào)控制類型+信號(hào)設(shè)備ID+目的轉(zhuǎn)換狀態(tài)”。在信號(hào)控制命令中，“信號(hào)控制類型”用“SWI”和“SIG”分別表示道岔和信號(hào)機(jī)，道岔的“目的轉(zhuǎn)換狀態(tài)”用二進(jìn)制數(shù)“00”和“01”分別表示定位狀態(tài)和反位狀態(tài)，信號(hào)機(jī)的“目的轉(zhuǎn)換狀態(tài)”用二進(jìn)制數(shù)“00”、“01”和“10”分別表示紅燈、綠燈和黃燈狀態(tài)。

視景系統(tǒng)通過VS2013開發(fā)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔和信號(hào)機(jī)的控制。當(dāng)視景系統(tǒng)收到信號(hào)控制命令后將道岔和信號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的狀態(tài)。控制道岔的函數(shù)為“void DealSwitchCommand（int id，int state）”，控制信號(hào)機(jī)的函數(shù)為“void DealSignalCommand（int id，int state）”。其中“id”和“state”為視景系統(tǒng)獲取到的信號(hào)設(shè)備ID編號(hào)及其目的轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

ATS系統(tǒng)界面和視景系統(tǒng)界面道岔轉(zhuǎn)換前后的實(shí)景圖如圖4～7所示。

2.2.2 ATS進(jìn)路控制功能

ATS系統(tǒng)的進(jìn)路控制功能是通過對(duì)道岔及信號(hào)機(jī)等信號(hào)設(shè)備的集中控制實(shí)現(xiàn)的。在ATS系統(tǒng)發(fā)送進(jìn)路控制命令前，視景系統(tǒng)會(huì)先以ATS系統(tǒng)中的信號(hào)設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)初始化視景系統(tǒng)的所有道岔和信號(hào)機(jī)；收到ATS發(fā)送的進(jìn)路命令后，視景系統(tǒng)將道岔和信號(hào)機(jī)狀態(tài)集中轉(zhuǎn)換到與ATS系統(tǒng)一致；同時(shí)，ATS的人機(jī)界面會(huì)直觀的顯示排列好的進(jìn)路。在視景系統(tǒng)道岔和信號(hào)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，視景系統(tǒng)中信號(hào)設(shè)備的變化狀態(tài)、列車的位置和運(yùn)行狀態(tài)、列車的車次號(hào)均可通過ATS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

圖4 ATS系統(tǒng)道岔定位實(shí)景圖

圖5 視景系統(tǒng)道岔定位實(shí)景圖

圖6 ATS系統(tǒng)道岔反位實(shí)景圖

圖7 視景系統(tǒng)道岔反位實(shí)景圖

3 仿真測試

為保證ATS系統(tǒng)與視景系統(tǒng)的同步性與實(shí)時(shí)性，需進(jìn)行仿真測試。測試平臺(tái)硬件部分主要包括8臺(tái)PC機(jī)（i7處理器，8G RAM，2G顯存）及8臺(tái)1920×1080分辨率的顯示器。測試平臺(tái)軟件部分主要包括 MSTS、Visual Studio 2013、.Net Framework 3.1，操作系統(tǒng)為 Windows7（64 bit）。測試平臺(tái)將 1臺(tái)PC機(jī)作為ATS系統(tǒng)服務(wù)器，將其余PC機(jī)作為視景系統(tǒng)客戶端通過局域網(wǎng)接入ATS系統(tǒng)。測試以鄭州地鐵1號(hào)線為線路背景，從ATS系統(tǒng)的控制功能，以及視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)的同步性和數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性、視景系統(tǒng)圖像輸出的流暢性等方面進(jìn)行測試。同步性與實(shí)時(shí)性的測試效果見圖8。

測試結(jié)果表明：視景系統(tǒng)圖像輸出流暢，可真實(shí)描述地鐵列車在室外的運(yùn)行場景；視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)結(jié)合能模擬ATS系統(tǒng)對(duì)室外在線列車的主要監(jiān)控功能，且信號(hào)采集周期小于0.05 s，具有良好的實(shí)時(shí)控制性與穩(wěn)定性。

圖8 ATS系統(tǒng)與視景系統(tǒng)的同步性與實(shí)時(shí)性測試效果

4 結(jié)語

基于MSTS平臺(tái)建立的視景系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)視景仿真技術(shù)在ATS系統(tǒng)中的應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)ATS系統(tǒng)對(duì)視景系統(tǒng)中列車運(yùn)行狀態(tài)、線路信號(hào)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控功能，更深入地發(fā)揮了視景仿真技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的作用，對(duì)其他列車控制子系統(tǒng)的研究和測試具有啟示意義。

視景系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)的結(jié)合取得了預(yù)期的測試效果，但還有可優(yōu)化與擴(kuò)展的空間：

（1）可將更多的ATS系統(tǒng)功能（如按時(shí)刻表發(fā)車、ATS故障模擬、監(jiān)測與報(bào)警功能等）與視景系統(tǒng)結(jié)合，從而構(gòu)建功能更加完善的ATS綜合仿真平臺(tái)。

（2）日后可根據(jù)實(shí)際情況把視景系統(tǒng)應(yīng)用到ATO（列車自動(dòng)控制）系統(tǒng)與ATP（自動(dòng)防護(hù)）系統(tǒng)的研究與測試中。

［1］ 邢紅霞，李樂.城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2013：113

［2］ 杜霄，唐濤.地鐵列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)中三維視景建模和簡化［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18（6）：1724.

［3］ 車爽.基于列車運(yùn)行控制的城市軌道交通視景仿真［D］.成都：西南交通大學(xué)，2015.

［4］ 唐濤，郜春海，李開成，等.基于通信的列車運(yùn)行控制技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略探討［J］.都市快軌交通，2005（6）：25.

［5］ 陳榮武.城市軌道交通控制［M］.北京：科學(xué)出版社，2014.

［6］ 董昱.區(qū)間信號(hào)與列車運(yùn)行控制系統(tǒng)［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

Application of Visual Simulation Technology in Train ATS of Zhengzhou Metro Line 1

WANG Huaisong，CHEN Rongwu，YI Lifu，WANG Jianqiang，YANG Cheng

Through adopting visual simulation system in train operation，the visual simulation technology can be applied to rail transport ATS system.Based on Zhengzhou metro Line 1,the use of novel technology of visual simulation is introduced.By connecting system interfaces,ATS hasrealized the functions of train running status monitoring,signal control,signal device condition monitoring and so on.The simulation results show that the image output is fluent,which can describe the real train running scene,simulate the main control functions of running trains when combined with ATS system with good performance and stability.

metro；visual simulation technology；automatic train supervision（ATS）system

First-author′s address School of Information Science&Technology，Southwest Jiaotong University，610031，Chengdu，China

U284.48

10.16037/j.1007-869x.2017.12.034

*四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（14ZC2069，2014GZ0081）

2016-03-31）