地鐵正線聯鎖表自動生成軟件的研究與設計

于 磊，駱正新

（通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070）

1 概述

城軌聯鎖系統是以計算機為主要技術實現聯鎖控制的系統，該系統應保證行車安全，提高運輸效率，改善勞動條件，并為管理、服務現代化創造條件，應能滿足城市軌道交通各種站場規模和運營作業的需要。而聯鎖表是聯鎖系統的重要組成部分，是計算機聯鎖邏輯處理的基礎和聯鎖測試的依據，決定車站作業安全。聯鎖表記錄了每條進路的聯鎖信息，包括進路、道岔、信號機之間的聯鎖邏輯關系及相關軌旁設備的相關信息，內容龐雜，邏輯復雜，隨站場變化而變化[1]。

傳統的聯鎖表編制方法以人工對照信號平面布置圖填寫為主，工作量大，容易出錯且效率低。一旦需要修改站場圖，就必須重新編制和修改聯鎖表。通過工具軟件讀取配置文件自動生成聯鎖表的方法，人工填寫配置文件內容工作量仍然繁重。如果能根據設計提供的原則實現聯鎖表的自動生成將會大大縮短工作時間，降低錯誤率，提高工作效率[2]。

2 從CAD信號平面布置圖獲取聯鎖表信息

聯鎖表中的聯鎖信息，幾乎全部來自于CAD信號平面布置圖。地鐵正線聯鎖表的主體是進路，直觀反映了進路與相關信號機、道岔、區段以及其他進路之間的聯鎖關系[3]。地鐵正線聯鎖表內容主要包含：進路始端信號機、終端信號機、信號顯示、敵對信號、進路中的道岔、進路中的區段、進路保護區段、進路接近區段、其他聯鎖對象（緊急停車、站臺扣車、屏蔽門）等。

實現從CAD信號平面布置圖中獲取聯鎖表信息，軟件需要解決以下關鍵問題：

1）從圖中識別出信號機、軌道區段、計軸、道岔等圖元；

2）進路搜索始終端信號機的確定；

3）進路搜索起始軌道區段、終止軌道區段的確定；

4）信號機、道岔、軌道區段、計軸等圖元之間鏈接關系的確定；

5）進路搜索，經過對向道岔時多條進路搜索路徑的確定；

6）進路搜索，經過軌道區段的記錄；

7）進路搜索，經過道岔及道岔位置、防護道岔、帶動道岔信息的記錄；

8）進路敵對信號的確定、是否條件敵對的判斷以及條件敵對時道岔位置條件的記錄。

為了解決上述問題，軟件采用ObjectARX開發一套標準化地鐵設備圖元庫，并設計一套完善的繪圖原則，從而能夠實現信號平面布置圖中各種設備圖元的識別、屬性計算以及進路搜索計算。

3 軟件設計

本文軟件采用ObjectARX對CAD進行二次開發，開發出一套完整的地鐵設備圖元庫，軟件以插件的形式運行于CAD平臺上，能夠實現地鐵CAD信號平面布置圖的快速繪制。ObjectARX提供了以C++為基礎的面向對象的開發環境及應用程序接口，能真正快速地訪問AutoCAD圖形數據庫[4-5]。各種地鐵設備圖元被設計成不同的自定義實體圖塊，具備了各自特有的功能和屬性。

本文軟件的主要模塊設計如圖1所示，主要分為站場圖元繪制模塊、圖元鏈接關系計算模塊、進路搜索計算模塊、聯鎖數據輸出模塊4個部分。

圖1 軟件模塊設計Fig.1 Design of software module

3.1 站場圖元繪制模塊

為了能直接從信號平面布置圖中獲取聯鎖表需要的信息，需要對信號平面布置圖中的各種圖元進行統一標準化處理[6]。將線路、計軸、信號機、道岔、應答器、車站、集中區分界等圖元封裝成不同類型的標準圖塊，建立標準圖元庫，如圖2所示。打開CAD軟件并加載本文繪圖軟件插件，便可通過CAD菜單命令打開“地鐵圖庫”，根據繪圖需要選取圖庫面板上提供的標準圖塊完成信號平面布置圖的繪制。

圖2 標準化地鐵設備圖元庫Fig.2 Standard metro equipment element library

3.2 圖元鏈接關系計算模塊

軟件實現聯鎖數據自動計算的關鍵是信號平面布置圖中的各種設備圖元之間建立起完善的鏈接關系，這就要求設備圖元具備完善的屬性信息。采用標準圖元庫繪制的地鐵站場信號平面布置圖，設計繪圖人員可以人工對圖中的各種設備圖元設置部分屬性信息。同時，軟件也提供自動計算設備圖元部分屬性的功能。各種設備圖元的屬性信息如圖3所示。

圖3 設備圖元屬性信息Fig.3 Attribute information of equipment elements

采用標準圖塊封裝的每一種設備圖元，都具備完善的屬性信息，通過ObjectARX便可讀取信號平面布置圖中的標準圖塊及其附帶的屬性信息。且每一個圖塊在CAD圖形數據庫中，都有一個唯一標識ID值。每種設備圖元的屬性中都存儲了關聯設備圖元的ID值，關聯設備圖元的ID值為“引用”屬性。通過ID值，便可打開并讀取對應圖元的相關設備信息。由此，不同設備圖元之間，便建立起完善的鏈接關系。

各種設備圖元鏈接關系如圖4所示，其中道岔圖元引用左子區段、右子區段和岔后反子區段3個子區段圖元的ID值，計軸圖元引用左子區段和右子區段圖元的ID值，子區段圖元（信號平面布置圖中的軌道區段）則引用左實體和右實體圖元的ID值（左、右實體圖元即信號平面布置圖中的道岔、計軸、車擋等設備圖元）。

3.3 進路搜索記錄模塊

該模塊基于不同設備圖元之間建立起完善的鏈接關系，實現一套完整的進路搜索算法。從始端信號機開始，根據鏈接關系搜索進路經過的道岔和軌道區段，直到找到進路的終端信號機。在此過程中，進路的始終端信號機、經過的軌道區段、經過的道岔、道岔的位置狀態等信息全部被存儲到特定的進路數據結構中，為后續進一步計算各種聯鎖表數據提供基礎。

3.4 聯鎖數據輸出模塊

當CAD信號平面中的各圖元建立起完整的鏈接關系，便可完成圖中進路的搜索，同時進路經過的信號機、道岔、軌道區段等設備都被進路數據結構存儲記錄。進一步發展，進路的敵對信號、接近區段、保護區段、自動觸發區段等各種聯鎖信息都可以結合各種圖元的圖塊信息和鏈接關系計算得到。計算得到的聯鎖信息按照進路被逐條存儲到相應的聯鎖數據結構中，通過程序直接輸出到對應的Excel聯鎖表中。

4 主要算法邏輯

4.1 進路搜索

聯鎖表數據主要由進路數據構成，實現進路搜索是完成聯鎖表數據自動計算的關鍵[7]。本文軟件依據一套完整的進路搜索算法實現進路搜索，如圖5所示。具體的進路搜索算法步驟如下：

圖5 進路搜索算法流程Fig.5 Flow chart of route search algorithm

1）識別圖中所有信號機、軌道區段、道岔、計軸、車擋、車站分界等設備圖元；

2）遍歷圖中所有的信號機，依次以每一個信號機為進路始端信號機，開始進路搜索，此處以始端信號機朝向為右為例繼續后續描述；

3）確定始端信號機內方軌道區段，作為進路路徑搜索的起始軌道區段；

4）遍歷圖中所有信號機，確定進路當前搜索軌道區段是否為某信號機外方軌道區段，如果是，則終止搜索，此信號機為進路末端信號機，如果不是，則根據圖元鏈接關系獲取當前軌道區段右端實體類型，繼續下述步驟搜索；

5）若當前軌道區段右端實體為計軸，則繼續根據圖元鏈接關系獲取計軸右側軌道區段圖元；若當前軌道區段右端實體為道岔，判斷此道岔為對向道岔還是順向道岔，若為順向道岔，則繼續獲取道岔右子區段（軌道區段）圖元；若是對向道岔，則存儲記錄此對向道岔，首先獲取此道岔的右子區段（軌道區段）圖元，當完成一條進路的搜索之后，后續會回退到此對向道岔，重新獲取此道岔的岔后反子區段（軌道區段）圖元，繼續搜索另外一條進路；若當前軌道區段右端實體為車擋，則未找到有效進路，進路搜索結束；

6）重復執行上述4）、5）步驟，直到滿足進路搜索終止條件，確定進路終端信號機。

4.2 敵對信號

敵對信號反應了聯鎖表中進路之間相互約束關系，是重要的聯鎖數據[8]。敵對信號的計算按照如下步驟進行：

1）遍歷進路搜索得到的所有進路，確定一條當前計算敵對信號的進路；

2）獲取進路數據結構中存儲的當前進路經過的所有軌道區段；

3）遍歷當前進路之外的其他所有進路，找到與當前進路始端信號機朝向相反，且進路內軌道區段與當前進路內軌道區段存在相同軌道區段的一條進路，則此進路為當前進路的敵對進路，其始端信號機為當前進路的敵對信號機；

4）判斷此敵對信號機是否為條件敵對信號機，若以此信號機為始端信號機的所有進路都與當前進路敵對，則為無條件敵對；若以此信號機為始端信號機的所有進路中存在一條進路與當前進路不是敵對關系，則此信號機為條件敵對，敵對進路中經過的對向道岔位置信息為敵對條件。

4.3 接近鎖閉計算

進路接近鎖閉的計算，主要包含以下步驟：1）遍歷進路搜索得到的所有進路，確定一條當前計算接近鎖閉的進路；

2）根據接近區段長度計算公式，計算進路接近區段長度；

3）以此進路始端信號機外方第一個軌道區段為起點，按照此進路始端信號機朝向相反方向，根據圖元鏈接關系搜索進路可能存在的接近方案；

4）記錄接近方案經過的接近區段、道岔、道岔位置以及信號機開放條件等信息。

5 總結與展望

配套工具開發屬于企業數字化轉型工作的一部分，利用工具軟件將設計者從繁雜的計算中解放出來是未來工程設計的趨勢。從CAD信號平面布置圖自動生成聯鎖表數據，能夠提升設計數據自動化，極大地提高工作效率，同時保證聯鎖數據的可靠性、安全性，為軌道列車的安全出行提供有力保障。后續在此基礎上，將CAD信號平面布置圖中的聯鎖數據存儲到服務器數據庫中，并增加相應的版本記錄，便能夠實現聯鎖數據對信號平面布置圖變更的追蹤記錄，更加便于聯鎖表數據的更新和管理。