基于B/S架構的城市軌道交通ATS仿真系統設計

胡壽建 鮑大彪

摘要：列車自動監控系統（Automatic Train Supervision System，ATS）是城市軌道交通列車自動控制系統（Automatic Train Control，ATC）中的重要組成子系統。它主要負責列車運行控制與監督，同時在調度指揮中輔助調度人員實現全線管理行車作業。文章運用國際流行的技術棧Vue與Spring Boot框架，設計并實現了基于 B/S 架構的城市軌道交通ATS仿真系統。系統提供ATS列車識別追蹤、列車自動進路控制、列車運行圖自動調整、設置故障與恢復等功能。經實踐驗證，仿真系統具有較高的自動化與智能化水平。本仿真系統使列車自動監控工作完成方便快捷，使仿真場景顯示清晰直觀；同時，有助于在教學和培訓上減輕教學壓力，加深學員對城市軌道交通全線作業的理解，提高學員的動手能力。

關鍵詞：ATS仿真系統；B/S架構；Vue框架；Spring Boot框架

中圖分類號：U291.69? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著社會經濟不斷發展，城市交通擁堵現象日益嚴重。作為緩解交通擁堵的有效途徑之一，開發城市軌道交通成為眾多城市建設發展的共同選擇。由于發車密度不斷增大，列車行車間隔不斷縮短，所以行車安全對全線行車指揮中心調度員的業務能力要求越來越高。而以列車自動監控系統（ATS）為核心的列車自動控制系統，可以有效實現對列車和地面設備的遠程自動控制，有利于減輕行車調度的工作強度，在保證行車安全的前提下完成高效的旅客運輸業務［1］。目前，城市軌道交通仿真系統一般采用的都是C/S架構，一方面要求用戶在本地客戶端安裝專門的軟件，造成額外的工作量和系統跨平臺性能差；另一方面，在軟件升級和維護上，每一臺客戶端都需要用戶重新手動升級軟件。如果系統部署了多個用戶的本地客戶端，那么在維護時會導致系統維護開銷巨大。因此，本文采用B/S架構進行設計，使用前后端分離的思想，開發出新一代基于B/S架構的城市軌道交通ATS仿真系統［2］。用戶只需借助瀏覽器即可運行仿真系統。后續升級維護時，服務器后臺自動完成更新維護，不需要客戶端本地安裝和更新。這種方式不僅提高了軟件的易用性，還有效降低了系統維護開銷資源［3］。

1 系統體系架構

由于B/S架構在安裝部署、維護升級、設置資源占用、學習推廣軟件成本等方面都具有顯著優勢，因此本系統采用B/S架構進行開發。根據先進的MVVM（Model-View-Viewmodel）軟件架構模式思想，本文將業務邏輯和視圖UI進行拆分抽離，實現解耦過程，實現低耦合、高內聚的設計模式思想。整個系統主要分為View層、View Model層和Model層。View層主要負責頁面視圖，也就是圖形繪制、人機交互和操作界面。View Model層主要負責視圖的數據模型和展現模型，可以簡化前端用戶界面事件驅動導向的程序設計煩瑣程度。Model層主要負責后臺的業務功能邏輯編寫和數據庫交互的部分。因此，用戶可以直接與View層進行人機交互并得到實時反饋；View層和View Model層進行雙向的數據綁定，簡化開發的冗余耦合程度；View Model層和Model層之間進行前端瀏覽器和后端服務器和數據庫數據的各類信息交互，本文采用的數據交互方式主要為AJAX、WebSocket和JSON技術［4］。由此，本文將城市軌道交通ATS仿真系統整體架構主要劃分為表示層、服務層、數據訪問層和數據層。表示層承擔用戶側UI界面的交互與反饋工作；服務層承擔仿真系統內部各個功能模塊的業務邏輯代碼運行計算；數據訪問層承擔后端服務器與數據庫之間的數據增刪改查工作；數據層承擔仿真系統內部數據的存儲。

2 系統功能設計

本文的城市軌道交通ATS仿真系統共設計了4個功能模塊，分別為ATS列車識別追蹤模塊、列車自動進路控制模塊、列車運行圖自動調整模塊和設置故障與恢復模塊［5］。

2.1 ATS列車識別追蹤模塊

ATS列車識別追蹤模塊主要負責對全線列車的識別追蹤，從而實現對所有列車的監控。實現方式主要為追蹤列車在站場顯示界面中的位置和車次號［6］。當今，ATS系統列車追蹤主要有兩種模式，分別是CBTC和軌道電路。一般情況下，系統采用CBTC模式。在CBTC模式下，ATO和ATP設備向車站ATS或監控中心ATS發送列車位置和狀態信息。本文采用的方式就是仿真系統服務器端以WebSocket方式實時向瀏覽器端發送列車位置、車次號和狀態信息。瀏覽器根據服務端數據更新追蹤狀態。

2.2 列車自動進路控制模塊

列車自動進路控制模塊主要負責在城市軌道交通作業中自動為列車排列進路［7］。進路控制模塊中存儲有全線運行圖數據和站場所有聯鎖表數據。在系統檢測到列車位置到達觸發點時，服務器端自動進行進路搜索并進行聯鎖檢查。在滿足聯鎖辦理條件時，系統才能開放進路。當滿足開放進路條件時，服務器端將開放進路信息發送給瀏覽器，實現進路開放顯示。

2.3 列車運行圖自動調整模塊

列車運行圖自動調整模塊負責列車運行圖的自動生成和對未來階段的列車運行圖自動調整優化。在城市軌道交通運營場景中，由于突發狀況等原因可能會造成列車延誤，進而造成計劃運行圖和實際運行圖之間產生一定偏差。服務器端需要采集對比計劃列車運行圖和實際運行圖各個列車到發時刻。后續服務器端針對不同的延誤情況，采用智能優化算法對列車運行計劃進行調整，進而減少延誤時間，爭取及時恢復按圖行車。

2.4 設置故障與恢復模塊

設置故障與恢復模塊主要負責處理教學培訓時設置業務故障處理與恢復相關業務。本文主要設置了計軸區段故障、信號機燈絲斷絲故障、道岔故障和屏蔽門故障。相關模塊可以分別實現各類故障的設置與恢復功能。設置設備故障的意義在于通過建立實訓方式，增進學員的實際業務處理能力，為我國鐵路信號電務系統培養具有扎實動手實踐能力的人才。

3 數據庫主要實體聯系E-R圖

E-R圖被稱為實體-聯系圖（Entity Relationship Diagram），主要是用來描述現實世界在計算機理論中的抽象概念模型。E-R圖提供了多種方法用來分別表示各類實體的類型、聯系和屬性。在E-R圖中，系統主要用矩形表示各類實體類型，用菱形表示各個實體之間的聯系成因。本仿真系統站場圖層面共有5類實體，分別為車站實體、信號機實體、道岔實體、軌道電路實體和站臺實體。一個車站擁有多種設備設施，而車站中設備設施又主要分為信號機、軌道電路、道岔和站臺4類。因此，車站與各類設備設施之間分別為1∶n的關系。系統整體結構如圖1所示。

4 系統實現

本系統采用前后端分離思想完成開發工作：前端部分基于Vue2框架，采用JavaScript編程語言開發；后端部分基于Spring Boot框架，采用Java編程語言開發［8］。編程開發工具為IntelliJ IDEA。后端數據庫采用MySQL數據庫，支撐系統后臺所有的數據存儲業務。本文完成了基于B/S架構的城市軌道交通ATS仿真系統。

5 結語

本文從城市軌道交通ATS系統作用出發，對城市軌道交通ATS仿真系統整體架構和功能進行了設計。本文基于JavaScript編程語言和Java編程語言，開發了以B/S架構為核心，集ATS列車識別追蹤、列車自動進路控制、列車運行圖自動調整、設置故障與恢復等功能為一體的新型城市軌道交通ATS仿真系統。該系統可以方便快捷地安裝運行，清晰直觀地完成對城市軌道交通監控列車運行的全過程動態仿真作業。該系統有利于降低教學難度，加深學員對城市軌道交通運營的認知，提高學員的動手實操業務能力。后續研究可以從ATS系統的其他功能實現上對該系統進行完善補充，進一步完善ATS系統的整體仿真功能。

參考文獻

［1］胡鑫.城市軌道交通列車自動監控仿真系統研究與設計［D］.長沙：長沙理工大學，2015.

［2］范璐敏.基于BS架構的醫療設備維修系統的研究及實現［D］.上海：上海交通大學，2014.

［3］張恩平.基于B/S架構的代理人綜合管理系統的開發與研究［D］.上海：華東師范大學，2008.

［4］馬雪山，張輝軍，陳輝，等.前后端分離的Web平臺技術研究與實現［J］.電子技術與軟件工程，2022（8）：70-73.

［5］潘效玥.基于自律分散的城市軌道交通ATS的設計與實現［D］.杭州：浙江大學，2013.

［6］譚麗娜.城市軌道交通ATS行車模擬實訓系統的設計與實現［D］.長春：吉林大學，2015.

［7］李芝宏.城市軌道交通ATS系統監控子系統研究［D］.蘭州：蘭州交通大學，2015.

［8］孫佳留.基于Web的煤質信息管理系統的設計與實現［D］.北京：中國礦業大學，2022.

（編輯 王永超）

Design of urban rail transit ats simulation system based on B/S architecture

Hu? Shoujian1， Bao? Dabiao2*

（1.Tianjin Rail Transit Operation Group Co.， Ltd.， Tianjin 300000， China; 2.Beijing Jingwei Information Technology Co.， Ltd.， Beijing 100081， China）

Abstract： The automatic train monitoring system （ATS） is an important component subsystem in the automatic train control system （ATC） of urban rail transit. It is mainly responsible for the control and supervision of train operation， and at the same time assists dispatchers in dispatching and commanding to realize full-line management of train operations. This paper uses the internationally popular technology stack Vue and Spring Boot framework to design and implement an urban rail transit ATS simulation system based on B/S architecture. The system provides functions such as ATS train identification and tracking， automatic train route control， automatic adjustment of train diagram， fault setting and recovery， etc. It has been verified by practice that the simulation system has a high level of automation and intelligence. This simulation system makes it convenient and quick to complete the automatic monitoring of the train， and makes the simulation scene display clear and intuitive. At the same time， it helps to reduce the teaching pressure in teaching and training， deepens the students understanding of the full-line operation of urban rail transit， and improves the students hands-on ability.

Key words： ATS simulation system; B/S architecture; Vue framework; Spring Boot framework