CBTC仿真測試系統線路數據可視化生成的設計與實現

馬暢

【摘 要】本文介紹CBTC仿真測試系統的整體結構及各子系統的功能。在對線路數據進行深入研究分析的基礎上，提出一種線路數據可視化顯示及生成方案，利用UML構建了靜態模型和動態模型，對該方案進行闡述。對于數據生成結果，以XML結構化線路拓撲信息，使用數據庫表保存線路設備數據。

【關鍵詞】軌道交通；CBTC；線路數據；可視化生成

基于通信的列車自動控制（CBTC）系統作為城市軌道交通控制系統的神經中樞，必須經過嚴格的功能及安全測試，確保系統的質量合格。計算機仿真測試與現場試驗線測試是CBTC測試的兩種手段，其中計算機仿真測試以其經濟、安全、可重復等優點而被廣泛采用[1]。CBTC仿真測試系統通過研究CBTC系統的結構、功能和行為，利用計算機對系統真實的運行環境進行模擬，分析系統對測試用例的響應，進而驗證系統功能，評估系統安全性。

一、CBTC仿真測試系統結構

CBTC仿真測試系統由測試引擎、車輛仿真子系統、接口中間件子系統、軌旁設備仿真子系統組成。測試引擎負責監控車輛運動狀態及軌旁設備狀態，生成、管理、執行自動化測試腳本，處理測試結果；車輛仿真子系統是對真實列車的運行動力學仿真，通過牽引力、牽引延時、制動延時和黏著力等參數構建列車運動模型[2]。結合運行場景計算出列車的瞬時速度、加速度以及位移等信息，并周期向被測系統更新；軌旁仿真子系統負責信號機、道岔、區段、屏蔽門、按鈕等軌旁設備仿真，動態顯示站場圖，實現設備故障注入，提供一個虛擬的設備環境；接口中間件子系統的作用是對接受到的設備狀態信息、控制命令、應答器報文等進行格式轉換及物理節點映射，然后再轉發出去，其設計目的是屏蔽各種被測CBTC系統的差異性和復雜性，保證CBTC仿真測試系統的獨立性，提高它的通用性。

二、站場可視化設計

1.可視化技術簡介

數據可視化技術指的是運用計算機圖形學和圖像技術，將數據轉換位圖形或圖像在屏幕上顯示出來。其主旨是借助于圖形化手段，清晰有效地傳達與溝通信息，并利用數據分析和開發工具發現其中未知信息的處理過程。它涉及到計算機圖形學、計算機輔助設計、計算機視覺及人機交互技術等諸多領域[3]。

線路數據主要來源于站場平面布置圖，該圖是根據站場縮尺平面圖繪制成的有關設備布置情況的技術圖紙，描述的是CBTC仿真測試過程中的整個線路環境，對于被測系統而言就是真實線路上的各種物理設備和運行場景。現在CBTC測試中的平面線路布置圖普遍采用DWG格式，圖中各種設備數量總和一般數量巨大，大型的站場圖尤甚，人工生成相應的線路數據繁雜且容易出錯。因此可以采用數據可視化技術，通過豐富的圖形交互功能實現線路數據的可視化生成，從而使數據可以更加靈活的展示，更易于理解和編輯。

2.設備圖元設計

CBTC線路設備有信號機、道岔、區段、計軸器、屏蔽門、（有源/無源）應答器等。所謂圖元，就是這些設備在計算機屏幕上的圖形表示。對于每一個設備圖元，使用唯一的圖元ID號加以區別，以便于進行設備統計和進路搜索等操作。至于設備的不同狀態，道岔的岔前、定位和反位可以使用不同的線段顏色表示，區段的鎖閉、解鎖與此類似；信號機則可以根據所點的燈絲，用對應的顏色填充相應的燈體。設備圖元根據車站平面布置圖排列組合，就構成了站場圖。站場圖是線路拓撲數據的可視化表現形式，描述了車站站場中信號機、道岔、軌道區段等線路設備之間的連鎖關系和拓撲關系[4]。在CBTC仿真測試系統中，線路拓撲數據用以描述線路設備間的拓撲關系，主要包括圖元ID、設備類型、設備名、設備編號、車站信息、坐標、前驅后繼設備等信息。對站場圖中設備按類型、按車站、按所在線路等要求統計后所得的數據，即線路設備統計數據。線路拓撲數據和線路設備統計數據均是線路數據的重要組成部分。

3.交互設計

在完成設備到圖元的可視化映射后，需要實現人與圖元之間的交互，其中，最重要的是在窗口（用戶界面）中完成圖元與鍵鼠的交互。窗口是人機溝通的橋梁，而鍵鼠則是最常用的人機交互設備。交互操作的實現有賴于圖元對鍵鼠事件的響應，比如通過鼠標點擊繪制/編輯/選中設備圖元、鼠標拖放圖元實現重定位、通過滾輪縮放更改圖元尺寸以更好地觀察站場圖中的局部細節或是總體概況、獲取鍵盤輸入的設備信息等。

三、線路數據生成分析

1.LDG系統靜態模型

線路數據的主體是線路設備，對于每一種設備類型，可以采用面向對象的思想抽象出相應的類，用以描述此設備類型相關的屬性、操作、關系和語義。設備間具有一些共性：名稱、編號、設備類型、坐標（在屏幕上繪圖區域中的位置）、公里標及公里標系（平面布置圖中的位置）、車站名、車站編號、左側設備類型、左側設備編號、右側設備類型、右側設備編號、所屬ZC區域、所屬ATS區域、所屬CI區域等。當然也會有自己特有的一些屬性和行為，比如信號機特有的一些屬性：信號機類型、立柱高度（高柱和矮柱）、防護方向、是否存在并置信號機以及并置信號機編號以及信號顯示等，特有的行為：點亮/熄滅某種色燈；道岔的特有屬性：道岔類型、動作類型（單動/雙動）、道岔的位置（定位/反位）、所屬區段等，特有的行為：改變道岔的位置；區段特有的屬性：物理類型（計軸區段/軌道區段）、區段內道岔（數量及編號）、區段內屏蔽門（數量及編號）、區段內緊急停車按鈕（數量及編號）、區段內扣車按鈕（數量及編號）、區段內折返按鈕（數量及編號）等；應答器存在有源、無源應答器之分。

2.LDG系統動態模型

序列圖是系統動態模型的重要組成部分，用于表示對象的行為順序。序列圖由一組對象構成，每個對象分別帶有一條豎線，代表生命線，生命線若消失表示對象被銷毀。從一個對象的生命線指向另一個對象的生命線的水平箭頭表示消息。序列圖就是描述對象間隨著時間的推移互相之間交換消息的過程。

3.線路數據保存

最終生成的線路數據中設備統計信息和設備屬性信息由數據庫類保存至數據庫；線路拓撲數據則由XML類保存為XML文件。數據庫中數據的保存關鍵在于將類映射為數據庫表，這個過程遵循下面的規則：

（1）每種線路設備對應一張數據庫表，以設備的編號作為主鍵；

（2）沒有屬性的類無需映射為數據庫表，如Form類、控制類、XML類和數據類；

（3）如果子類映射表中包含父類的屬性，只將子類映射為數據庫表，父類并不映射，如DevBase類；

（4）類的屬性可以映射為數據庫表中的1個或多個屬性列，但并非類中所有的屬性都需要映射，比如設備類中設備名在編輯窗口中坐標信息、顯示的字體、顏色、對齊方式等；當然也可以根據需要將若干個屬性映射為表中的一個屬性列。

四、結束語

本文從可視化生成線路數據的角度出發，對站場圖的顯示進行了設計，分析了研究線路數據的組成和特點，并利用UML對數據生成過程進行建模，構建LDG系統的靜態模型和動態模型，使用線路數據庫表保存設備統計信息和設備屬性信息，用XML文件保存線路拓撲數據，并最終在C#語言開發環境下，對LDG系統進行實現。通過實際的測試，這種線路數據自動生成的方法實現簡單、易于擴展，有利于實現CBTC仿真測試系統中各子系統統一的數據接口，降低開發成本，提高系統效率，具有很好的應用價值。

【參考文獻】

[1]饒康康，陳邦興，徐中偉，等.CBTC線路仿真系統的站場圖設計與實現[J].城市軌道交通研究，2013，16（1）：38-42.

[2]許文鵬.數據可視化系統架構的設計與實現[D].北京：北京交通大學，2015.