鐵路計算機聯(lián)鎖控制數據自動生成方法

張思楊，楊 揚

（西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 611756）

隨著我國鐵路的高速發(fā)展，計算機聯(lián)鎖（CBI，Computer-based Interlocking）系統(tǒng)已在我國鐵路車站得到廣泛使用[1-2]。為了確保CBI 系統(tǒng)既能快速適用于任意車站，又不降低其安全性，在軟件設計上遵守數據與代碼分離原則，即聯(lián)鎖控制程序通用，聯(lián)鎖控制數據根據車站實際布置編制[3]。此種設計模式使得CBI 在適應新站場工作或舊站場結構改造時，只需修改聯(lián)鎖控制數據，避免因修改程序而帶來注入性錯誤。

為了實現聯(lián)鎖控制數據的快速準確編制，文獻[4]提出了一種自動生成進路表的方法，但未生成CBI 所需的其他聯(lián)鎖控制數據；文獻[5]利用MapInfo 站場數據，自動生成聯(lián)鎖仿真子系統(tǒng)所需的聯(lián)鎖控制數據，但未考慮調車信號機和變通進路的影響；文獻[6]～文獻[8]將道岔、信號機、軌道區(qū)段等封裝成設備圖元，通過圖元拼接的方式建立站場拓撲模型，繼而自動生成聯(lián)鎖控制數據，但仍需要人工判斷站場鏈接關系，聯(lián)鎖控制數據是否正確主要依賴設計人員的技術水平，其準確性得不到保障[9]。

因此，本文提出一種鐵路CBI 控制數據自動生成方法，以文本格式的站場基礎數據作為輸入，構建鐵路站場拓撲模型，在此基礎上，使用基于最短歐氏距離的進路搜索算法獲取鐵路站場內所有進路，最后自動輸出聯(lián)鎖控制數據。采用上述方法開發(fā)實際軟件，自動生成SWJTU-II 型CBI 系統(tǒng)[10]所需的聯(lián)鎖控制數據，站場改變時，CBI 軟件只需替換聯(lián)鎖控制數據，即可快速適用于新站場，提高CBI 系統(tǒng)的通用性與自適應性。

1 研究基礎

1.1 聯(lián)鎖控制數據

CBI 是典型的數據驅動式信號系統(tǒng)[11]，對于具體的鐵路車站，只有準確編制具有站場唯一性的聯(lián)鎖控制數據，配合通用型聯(lián)鎖控制程序，才能保證CBI 在實際鐵路站場的正常運轉。聯(lián)鎖控制數據主要包括以下4 部分。

（1）設備數據：描述車站內無岔區(qū)段與股道及與車站相鄰的區(qū)間區(qū)段（簡稱：直股區(qū)段）、信號機、道岔、道岔區(qū)段、采集繼電器、驅動繼電器、位置坐標等信號設備信息。

（2）站場拓撲數據：描述鐵路車站內信號設備之間的邏輯結構關系，為聯(lián)鎖控制程序提供站場網絡信息。

（3）特殊聯(lián)鎖數據：描述鐵路車站內超限絕緣、帶動道岔等特殊聯(lián)鎖條件。

（4）進路數據：描述列車在鐵路站場內的所有路徑信息，包括選路按鈕、進路內的道岔與軌道區(qū)段等。

1.2 站場基礎數據

CAD 格式的車站信號平面布置圖（簡稱：CAD站場圖）描述CBI 管轄范圍內的線路布置，是編制聯(lián)鎖控制數據的依據。但CAD 站場圖不能直接用來自動編制聯(lián)鎖控制數據，主要原因有以下兩點：

（1）CAD 站場圖使用幾何圖形表示信號設備，但不同設計單位繪制的CAD 站場圖可能存在幾何圖形的大小差異，計算機難以準確識別；

（2）CAD 站場圖未建立空間位置與設備屬性的全部對應關系，部分設備屬性以標注的形式給出，計算機無法自動識別這些信息[12]。

為此，實驗室自主開發(fā)了一套鐵路CAD 站場圖處理軟件，如圖1 所示：（1）將CAD 站場圖人工轉換為站場圖片；（2）使用圖像識別技術，獲取計算機可處理的站場信息；（3）采用Visual Stutio 2017中的ObjectARX2019 作為AutoCAD2019 的二次開發(fā)工具，創(chuàng)建信號設備的自定義實體，并自動配置設備屬性；（4）輸出文本格式的站場基礎數據。

圖1 鐵路CAD 站場圖處理流程

站場基礎數據描述了信號機、道岔、直股區(qū)段的設備屬性，如表1 所示。其中，道岔結點分為一般結點、超限結點、盡頭結點與空結點，結點分布如圖2（a）所示。直股區(qū)段的結點類型與道岔結點相同，結點分布如圖2（b）所示。信號機中心結點分布如圖2（c）所示。

表1 站場基礎數據內容

圖2 設備結點分布示意

2 聯(lián)鎖控制數據自動生成方法

2.1 方法框架

聯(lián)鎖控制數據自動生成方法整體框架如圖3 所示：（1）讀入站場基礎數據；（2）構建鐵路站場拓撲模型；（3）搜索鐵路站場內的所有進路；（4）自動生成聯(lián)鎖控制數據。

圖3 聯(lián)鎖控制數據自動生成方法框架

2.2 構建鐵路站場拓撲模型

2.2.1 各類數據模型

聯(lián)鎖控制數據要求對信號設備、站場拓撲關系與特殊聯(lián)鎖條件作出描述，結合站場基礎數據的輸入信息，定義各類數據模型如下。

定義1：基礎數據模型Dy 由一個九元組＜ID，Name，Throat，ANode，BNode，CNode，ASide，BSide，CSide ＞表示，其中：

（1）ID 表示設備編號；

（2）Name 表示設備名稱；

（3）Throat 表示設備所屬咽喉，下行咽喉取1，上行咽喉取2；

（4）ANode、BNode、CNode 表示設備結點，均可用一個二元組（T，P）表示，T 表示結點類型，P 表示結點坐標；對于道岔，ANode、BNode、CNode依次表示岔前結點、岔后定位結點、岔后反位結點；對于直股區(qū)段，ANode、BNode 依次表示左側結點、右側結點，CNode=null；對于信號機，ANode 表示中心結點，BNode=CNode=null；對于其他設備，ANode=BNode=CNode=null；

（5）ASide、BSide、CSide 表示與本設備具有拓撲關系的數據模型；對于道岔，ASide、BSide、CSide 依次表示岔前、岔后定位、岔后反位拓撲連接的數據模型；對于其他設備，ASide、BSide 依次表示左側、右側拓撲連接的數據模型，CSide=null。

定義2：信號機數據模型Signal 由一個四元組＜SigDy，SigType，SigDir，SigHei ＞表示，其中：

（1）SigDy∈Dy 表示信號機基礎信息；

（2）SigType 表示信號機類型，進站信號機取1，出站信號機取2，調車信號機取3；

（3）SigDir 表示信號機防護方向，防護右方取0，防護左方取1；

（4）SigHei 表示信號機高矮柱屬性，高柱信號機取1，矮柱信號機取0。

定義3：軌道區(qū)段數據模型Section 由一個兩元組＜ SecDy，SecType＞表示，其中：

（1）SecDy ∈Dy 表示軌道區(qū)段基礎信息；

（2）SecType 表示軌道區(qū)段類型，股道取0、無岔區(qū)段取1、道岔區(qū)段取2、區(qū)間區(qū)段取3。

定義4：道岔數據模型Point 由一個三元組＜SwDy，SwSec，SwType ＞組成，其中：

（1）SwDy ∈Dy 表示道岔基礎信息；

（2）SwSec∈Section 表示道岔所屬的軌道區(qū)段；

（3）SwType 表示道岔類型，以自左向右的下行運行方向為基準，對向道岔取1、順向道岔取0；以自右向左的上行運行方向為基準，對向道岔取2、順向道岔取3。

定義5：超限點數據模型CX 由一個四元組＜CxDy，ProSec，ProSw，ProPos ＞組成，其中：

（1）CxDy ∈Dy 表示超限點基礎信息；

（2）ProSec∈Section 表示超限絕緣檢查的軌道區(qū)段；

（3）ProSw ∈Point 表示超限絕緣檢查的道岔；

（4）ProPos 表示檢查ProSw 的位置，檢查定位取0，檢查反位取1。當只檢查ProSec 時，ProSw=null，ProPos=2。

定義6：帶動點數據模型Add 由一個三元組＜AddDy，AddPoint，AddPos ＞組成，其中：

（1）AddDy∈Dy 表示帶動點基礎信息；

（2）AddPoint∈Point 表示帶動的道岔；

（3）AddPos 表示帶動AddPoint 至規(guī)定位置，定位取1、反位取0。

2.2.2 建立拓撲關系

2.2.2.1 空間鄰接

空間鄰接指當信號設備在鐵路站場存在物理連接時，建立數據模型之間的拓撲關系，主要用于信號機、道岔與直股區(qū)段之間。以圖4 中的道岔1、信號機D5、直股區(qū)段1/19WG 為例，道岔1 岔后定位結點與直股區(qū)段1/19WG 左側結點重合，信號機D5中心結點在道岔1 岔后定位結點與直股區(qū)段1/19WG左側結點下方鄰近處，道岔1、信號機D5 與直股區(qū)段1/19WG 在鐵路站場物理連接，因此，建立三者數據模型之間的拓撲關系。

圖4 示例車站信號平面布置

2.2.2.2 邏輯鄰接

邏輯鄰接指數據模型在聯(lián)鎖邏輯關系上的連接，主要包括以下3 種情況：

（1）在實際站場，道岔區(qū)段由一組或多組道岔組成。為了確保排列任何經過道岔區(qū)段的進路時均能搜索到其對應的數據模型，將Section 放在該道岔區(qū)段內所有道岔岔尖外側，建立Section 與其他數據模型的拓撲關系；

（2）當道岔某側結點為超限結點時，為確保排列任何經該道岔側向的進路都能檢查超限絕緣條件，將CX 放在該道岔側向，建立CX 與其他數據模型的拓撲關系；

（3）當道岔區(qū)段內存在多組道岔且道岔之間存在帶動關系時，為確保排列任何經主道岔帶動側的進路都可以執(zhí)行帶動條件，將Add 放在主道岔帶動側，構建Add 與其他數據模型的拓撲關系。

以圖4 所示鐵路車站為例，定義各類數據模型，并根據空間鄰接與邏輯鄰接規(guī)則，建立數據模型之間的拓撲關系，構建鐵路站場拓撲模型如圖5所示。

圖5 示例車站鐵路站場拓撲模型

2.3 進路搜索

2.3.1 進路模型

聯(lián)鎖控制數據要求對選路按鈕、進路內的道岔與軌道區(qū)段做出描述，結合進路搜索過程需要，定義進路模型如下。

定義7：進路模型Route 由一個六元組＜RID，Rstart，Rend，Bt，RType，m_Data ＞表示，其中：

（1）RID 表示進路唯一標識；

（2）Rstart ∈Signal、Rend ∈Signal 依次表示進路的始端信號機和終端信號機；

（3）Bt∈Signal 表示可用作為變通按鈕的信號機，對于基本進路，Bt=null；

（4）RType 表示進路類型，由Rstart、Bt、Rend確定，分為接車基本進路、接車變通進路、發(fā)車基本進路、發(fā)車變通進路、調車基本進路、調車變通進路；

（5）m_Data 表示進路內包含的設備集合，單個設備可以由一個三元組（RDy，DyType，SwPos）表示，其中，RDy∈Dy 表示設備對應的數據模型，DyType 表示設備類型，道岔取1、軌道區(qū)段取2、信號機取3、超限點取4、帶動點取5，SwPos 默認為-1，當DyType=1 時，SwPos 表示道岔開向位置，定位取1、反位取0。

2.3.2 進路搜索算法

2.3.2.1 基本進路

在歐式平面，歐式距離D(P1,P2)指兩結點P1(x1,y1)、P2(x2,y2)間的直線距離，如式（1）所示。

在已構建的鐵路站場拓撲模型（topological model of station yard）中，基本進路可描述為始終端信號機之間的最短路徑[13]，基本進路搜索算法示例如算法1 所示。

算法根據選路按鈕使用規(guī)則[14]，確定鐵路站場拓撲模型內可組成基本進路的始終端信號機組合集（basic combinations），再對每個基本組合（basic combination）依次進行以下操作：

（1）確定RType、進路范圍（range）；

（2）由Rstart 開始向Rend 搜索進路內的設備（component），若搜索到對向道岔（opposite point，OP∈Point），則結合式（1），依次計算OP.S wDy.BNode、OP.S wDy.CNode至REnd.S igDy.Node的歐式距離D(B,E)、D(C,E)，選取歐式距離較小側設備N(E,OP)繼續(xù)搜索，建立路徑選擇模型如式（2）所示；若搜索到其他設備，則按進路搜索方向選取靠近Rend 側設備繼續(xù)搜索；

（3）若搜索到設備超出進路范圍，則判定此基本組合無效；若搜索到Rend，則將搜索到的設備（components）按類型保存至m_Data 中，之后由Rstart 反向搜索獲取進路的接近區(qū)段（approach），一條基本進路（basic route）搜索完畢；

（4）重復上述操作即可得到站場內所有基本進路（basic routes）。

2.3.2.2 變通進路

與基本進路搜索算法相似，如算法2 所示：（1）根據變通按鈕選取規(guī)則[14]，確定鐵路站場拓撲模型內變通進路按鈕集合（alternative combinations）；（2）對每個變通組合（alternative combination），確定進路性質，并按單條基本進路搜索方法（算法1）依次搜索進路始端至變通按鈕、變通按鈕至進路終端，即可獲取一條變通進路（alternative route）；（3）重復上述操作，即可得到站場內所有變通進路（alternative routes）。

3 軟件實現

根據上述聯(lián)鎖控制數據自動生成方法，結合實際需求，在Visual Stutio 2012 環(huán)境下，采用C++語言開發(fā)了鐵路CBI 控制數據自動生成軟件（簡稱：軟件），用以輸出SWJTU-II 型CBI 系統(tǒng)所需的聯(lián)鎖控制數據。軟件總體框架如圖6 所示，聯(lián)鎖控制數據的自動生成主要分為5 個步驟：

（1）讀入站場基礎數據，檢查設備屬性是否缺失、是否存在重名、設備位置是否重疊；

（2）構建各類數據模型，按空間鄰接與邏輯鄰接規(guī)則，建立鐵路站場拓撲模型；

（3）依次搜索基本進路、變通進路；

（4）添加人工介入窗口，當站場結構復雜、特殊進路較多時，用戶可根據實際運營需求，人工配置進路數據；

（5）輸出所有文本格式的聯(lián)鎖控制數據。

圖6 軟件總體框架

以圖4 所示車站為例，軟件運行如圖7 所示，輸出聯(lián)鎖控制數據如圖8 所示。圖8（a）中，以信號機D9 為例，展示設備編號、設備采集繼電器、設備驅動繼電器、設備坐標的輸出形式；圖8（b）中，以信號機D11、道岔7、軌道區(qū)段7DG、超限點CX0、帶動點ADD0 為例，展示站場拓撲與特殊聯(lián)鎖數據的輸出形式，其輸出順序與含義遵守各類數據模型定義；圖8（c）中，以XF～SII 間經1/3 定位的基本進路與經1/3 反位、D7A 為變通按鈕的變通進路為例，展示進路數據的輸出形式，其中，“*”表示接近區(qū)段與進路內的直股區(qū)段，“#”表示進路內的道岔并要求其在定位，“#^”表示進路內的道岔并要求其在反位，進路內的道岔區(qū)段可從道岔的站場拓撲數據中獲取，故不輸出。將軟件輸出的示例站聯(lián)鎖控制數據用于SWJTU-II 型CBI 系統(tǒng)，運行示意如圖9 所示。

圖7 軟件運行示意

圖8 軟件生成示例站聯(lián)鎖控制數據示意

圖9 示例站SWJTU-II 型CBI 系統(tǒng)運行示意

4 結束語

本文提出了一種鐵路CBI 控制數據自動生成方法，并結合實際需求，將該方法用于實際工程，實現了聯(lián)鎖控制數據的自動生成，使聯(lián)鎖控制數據編制的自動化程度與編制效率得到很大提高，對提高鐵路CBI 系統(tǒng)的自適應性和智能化程度有較大幫助。在后續(xù)的研究中，將繼續(xù)完善對復雜聯(lián)鎖條件的處理，進一步提高本方法的適用度。