臨時限速輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

佟 彤，許 巍，晉良波

（1.中國鐵路武漢局集團有限公司電務(wù)部，武漢 430071；2.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；3.北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

臨時限速（Temporary Speed Restriction，TSR）是保證列車安全運行的重要手段，也是高鐵列控系統(tǒng)的核心功能之一。隨著線路規(guī)模的日益擴大、復(fù)雜程度的日益提升，臨時限速的漏下、錯下都可能帶來極大的安全隱患。當(dāng)前臨時限速命令操作過程存在以下問題：臨時限速命令的擬定，需要人工查閱列控工程數(shù)據(jù)，將工務(wù)線路、里程轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電務(wù)線路號、起止里程標(biāo)系及公里標(biāo)，因人工轉(zhuǎn)換失誤導(dǎo)致限速命令無法下達。此外，復(fù)雜的臨時限速命令正式下達前往往需要在真實運營環(huán)境中進行預(yù)演，預(yù)演依賴現(xiàn)場運營設(shè)備，預(yù)演效率低且影響真實列控系統(tǒng)。為解決以上問題，本文研究基于工務(wù)限速需求的臨時限速參數(shù)自動生成方法，并結(jié)合集成化列控設(shè)備仿真技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)臨時限速輔助決策系統(tǒng)。此系統(tǒng)可根據(jù)施工計劃中限速需求自動生成電務(wù)臨時限速命令所需的參數(shù)，支持限速正式下達前的預(yù)演，使限速預(yù)演具備獨立于現(xiàn)場運營的仿真環(huán)境，輔助臨時限速操作人員進行限速規(guī)劃。

1 系統(tǒng)功能

臨時限速輔助決策系統(tǒng)包括限速命令生成功能和仿真預(yù)演功能，如圖1 所示。其中限速命令生成功能根據(jù)相關(guān)人員輸入的工務(wù)線路名稱與起止里程自動推算臨時限速所需的線路號、起止里程系及具體里程值等參數(shù)，運算結(jié)果可輔助相關(guān)人員進行限速預(yù)演。仿真預(yù)演功能通過對調(diào)度集中控制系統(tǒng)（Centralized Traffic Control，CTC）臨時限速相關(guān)功能及其管轄范圍的臨時限速服務(wù)器（Temporary Speed Restriction Server，TSRS）、列控中心（Train Control Center，TCC）、無線閉塞中心（Radio Block Center，RBC）進行仿真，構(gòu)建與真實運營場景相同的臨時限速操作環(huán)境，支持在限速命令正式下達前進行預(yù)演。

圖1 系統(tǒng)功能樹Fig.1 System function tree

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由限速命令生成子系統(tǒng)和仿真預(yù)演子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)形成獨立的微服務(wù)。限速命令生成子系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的工務(wù)參數(shù)生成臨時限速參數(shù)，并對已生成的限速命令進行管理，子系統(tǒng)表示層包含限速命令生成界面及命令管理界面，業(yè)務(wù)邏輯層包含限速參數(shù)推算模塊及命令管理模塊，數(shù)據(jù)接口層包含數(shù)據(jù)庫接口模塊；仿真預(yù)演子系統(tǒng)為相關(guān)人員提供虛擬限速預(yù)演環(huán)境，子系統(tǒng)表示層包含站場圖界面及限速預(yù)演操作界面，業(yè)務(wù)邏輯層包含CTC模擬及列控設(shè)備模擬，數(shù)據(jù)接口層包含數(shù)據(jù)庫接口模塊、以太網(wǎng)接口模塊和文件接口模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure

2.2 限速參數(shù)生成方法

限速相關(guān)操作人員從施工調(diào)度系統(tǒng)獲取限速及行車方式信息，從中提取工務(wù)線路名稱、起始里程、終止里程和限速值等限速需求關(guān)鍵信息。系統(tǒng)根據(jù)此信息自動生成臨時限速命令下達所需的電務(wù)線路名稱、起始公里標(biāo)、終止公里標(biāo)和起止里程標(biāo)系等信息。

系統(tǒng)對工務(wù)線路與電務(wù)線路的映射關(guān)系建模，形成工務(wù)-電務(wù)線路映射表。將某條工務(wù)線路拆分為多個子線路，每一個子線路對應(yīng)不同類型的電務(wù)線路，工務(wù)線路與電務(wù)線路映射關(guān)系可分為3 種：非列控管轄，正線和側(cè)線。非列控管轄表示該工務(wù)線路子線路不屬于列控TSRS 管轄范圍，正線表示該工務(wù)線路子線路對應(yīng)電務(wù)正線線路，側(cè)線表示該工務(wù)線路子線路對應(yīng)電務(wù)車站內(nèi)的側(cè)線線路。在映射表中對于正線映射類型需明確該工務(wù)子線路對應(yīng)的電務(wù)線路里程標(biāo)系、起始/終止里程、線路號。對于側(cè)線映射類型需明確該工務(wù)子線路對應(yīng)的電務(wù)側(cè)線線路號、車站。以漢口樞紐調(diào)度臺管轄范圍內(nèi)的灄武線上行為例說明工務(wù)-電務(wù)映射關(guān)系，工務(wù)-電務(wù)線路示意如圖3 所示。工務(wù)線路灄武線上起訖里程為24+290 km 至0+000 km，從24+290 km 至22+075 km 為非列控管轄范圍、里程22+075 km 至20+640 km 為電務(wù)線路46 號線、里程20+640 km 至20+458 km 為肖馬陽線路所站內(nèi)4 號側(cè)線、里程20+458 km 至0+114 km 為電務(wù)線路34 號線、里程0+114 km 至0+000 km 為非列控管轄范圍。

圖3 灄武線上工務(wù)-電務(wù)線路示意Fig.3 Schematic diagram for civil works and signal system of up track of Shekou-Wuchang line

按照上述灄武線上工務(wù)里程及對應(yīng)的電務(wù)線路里程可建立如表1 所示的工務(wù)-電務(wù)線路映射。

表1 灄武線上工務(wù)-電務(wù)線路映射Tab.1 Line mapping between civil works and signal system of up track of Shekou-Wuchang line

限速命令生成主要流程如圖4 所示。系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的起始線路名稱、起始工務(wù)里程值、終止線路名稱和終止工務(wù)里程值，查找映射表獲取起點所在的工務(wù)線子路及對應(yīng)電務(wù)線路、終點所在的工務(wù)子線路及對應(yīng)電務(wù)線路。如果起始工務(wù)線路名稱和終止工務(wù)線路名稱相同，則根據(jù)映射表搜索出起點和終點之間該工務(wù)線路包含的工務(wù)子線路及其對應(yīng)的電務(wù)線路集合。如果起始工務(wù)線路名稱和終止工務(wù)線路名稱不同，則需跨工務(wù)線路進行搜索，具體邏輯為：首先在起點所在的工務(wù)線路中搜索出起點所在的工務(wù)子線路至該工務(wù)線路內(nèi)最后一個工務(wù)子線路的集合A，在終點所在的工務(wù)線路中搜索出該工務(wù)線路內(nèi)第一個工務(wù)子線路至終點所在的工務(wù)子線路集合B。遍歷集合A 和集合B，如果集合A中某個子線路a 的終點里程連接了集合B 中的某個子線路b，而集合B 中的子線路b 的起點連接了集合A 中子線路a，則找到兩條工務(wù)線路的連接關(guān)系，進而根據(jù)線路映射表搜索到起點和終點之間包含的電務(wù)線路集合。搜索到起點和終點之間包含的電務(wù)線路集合后，根據(jù)電務(wù)線路的線路號、里程標(biāo)系、里程值等字段確定限速命令參數(shù)。

圖4 限速參數(shù)生成流程Fig.4 Flow chart of TSR parameters generation

在搜索到起點和終點之間包含的電務(wù)線路集合后，需對集合中的電務(wù)線路進行分解，生成所需的限速命令參數(shù)。

以樞紐調(diào)度臺正線、側(cè)線接續(xù)的復(fù)雜場景為例，選取灄武線上行工務(wù)里程范圍21+100 km 至20+800 km 進行限速參數(shù)生成。里程范圍內(nèi)對應(yīng)的電務(wù)線路集合：46 號線。系統(tǒng)遍歷電務(wù)線路集合獲取首段線路即46 號線，將21+100 km 作為限速命令起始里程，并獲取該電務(wù)線路里程標(biāo)系SWK 作為限速命令起始里程標(biāo)系，同時檢查20+800 km是否在電務(wù)46 號線覆蓋范圍內(nèi)。20+800 km 在該電務(wù)線路覆蓋范圍內(nèi)則以20+800 km 作為終止里程，將SWK 作為終止里程標(biāo)系并結(jié)束遍歷，系統(tǒng)生成一條限速命令，如表2 中序號1 對應(yīng)的結(jié)果。

表2 限速參數(shù)生成結(jié)果Tab.2 Generation results of TSR parameters

如果選取灄武線上行工務(wù)里程范圍21+100 km至20+500 km 進行限速參數(shù)生成。里程范圍內(nèi)對應(yīng)的電務(wù)線路集合：46 號線、站內(nèi)側(cè)4 線。系統(tǒng)仍按上述邏輯判斷20+500 km 不在46 號線覆蓋范圍內(nèi)，則首先將46 號線終止里程20+640 km 作為限速命令1 終止里程，SWK 作為終止里程標(biāo)系。系統(tǒng)繼續(xù)遍歷至電務(wù)線路集合中第二段線路即站內(nèi)側(cè)4 線，判斷集合中第二段電務(wù)線路與第一段線路線路號及里程標(biāo)系不同且為側(cè)線線路，則對限速命令進行分解并創(chuàng)建限速命令2，由于限速命令2 為側(cè)線線路，無需關(guān)注里程及里程標(biāo)系參數(shù)。至此，系統(tǒng)生成限速命令1 與限速命令2 兩條限速命令，如表2 中序號2 對應(yīng)的結(jié)果。

2.3 列控集成化仿真

仿真預(yù)演子系統(tǒng)需提供與真實運營列控系統(tǒng)一致的仿真環(huán)境，因而涉及列控設(shè)備較多。若每個設(shè)備仿真作為獨立的進程運行會耗費較多硬件資源。本文采用集成化仿真技術(shù)，將各個列控設(shè)備應(yīng)用層主機邏輯封裝為動態(tài)鏈接庫，由仿真調(diào)度模塊統(tǒng)一調(diào)用，將眾多列控仿真集成為一個獨立的進程，降低系統(tǒng)部署成本。

仿真預(yù)演子系統(tǒng)包含列控設(shè)備模擬與CTC 模擬。列控設(shè)備模擬包含若干TSRS 模擬、TCC 模擬和RBC 模擬。所有列控設(shè)備模擬可集中部署于一臺服務(wù)器，CTC 模擬以Web 微服務(wù)形式獨立部署于一臺服務(wù)器。列控設(shè)備模擬包含配置文件接口模塊、以太網(wǎng)接口模塊、仿真調(diào)度模塊和若干設(shè)備模擬模塊。仿真預(yù)演子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 仿真預(yù)演子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of simulated rehearsal subsystem

為最大程度上保證仿真邏輯的真實性，設(shè)備模擬將真實設(shè)備主機應(yīng)用層邏輯從主機軟件剝離并將其封裝為動態(tài)鏈接庫。通常主機程序運行于安全平臺，調(diào)用安全平臺提供的API 接口完成數(shù)據(jù)收發(fā)及邏輯運算，在封裝過程中以靜態(tài)庫形式提供安全平臺API 接口的PC 版模擬，使主機應(yīng)用層代碼能夠以動態(tài)庫形式被普通PC 程序調(diào)用。此外，以動態(tài)鏈接庫導(dǎo)出函數(shù)的形式提供應(yīng)用數(shù)據(jù)接口，使仿真調(diào)度模塊通過應(yīng)用數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)與設(shè)備模擬模塊的數(shù)據(jù)交互并驅(qū)動其周期運行。將包含平臺API 仿真接口的靜態(tài)lib 庫與應(yīng)用數(shù)據(jù)接口以及主機應(yīng)用層代碼共同編譯，生成設(shè)備模擬動態(tài)鏈接庫，如圖6 所示。

圖6 設(shè)備模擬模塊動態(tài)庫生成原理Fig.6 Principles of dynamic library generation for equipment simulation module

仿真調(diào)度模塊周期依次調(diào)用各個設(shè)備模擬動態(tài)庫的導(dǎo)出接口函數(shù)，驅(qū)動各設(shè)備模擬模塊運行并實現(xiàn)各設(shè)備模擬模塊間數(shù)據(jù)交互。以設(shè)備TSRS 和RBC 為例說明仿真調(diào)度模塊工作過程。仿真調(diào)度模塊為實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，為TSRS 與RBC 維護兩個消息隊列，分別存儲TSRS 發(fā)送至RBC 的數(shù)據(jù)以及RBC 發(fā)送至TSRS 的數(shù)據(jù)。當(dāng)仿真調(diào)度模塊當(dāng)前遍歷至TSRS 設(shè)備模擬時，首先從RBC 至TSRS 數(shù)據(jù)隊列中獲取發(fā)送至TSRS 的數(shù)據(jù)，通過TSRS 設(shè)備模擬的應(yīng)用數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)傳遞至TSRS 內(nèi)部接收隊列，之后調(diào)用TSRS 設(shè)備模擬的應(yīng)用接口驅(qū)動TSRS 進行本周期邏輯運算，最后通過TSRS 設(shè)備模擬的應(yīng)用數(shù)據(jù)接口獲取TSRS 發(fā)送至RBC 的數(shù)據(jù)并存儲到TSRS 至RBC 隊列。當(dāng)仿真調(diào)度模塊遍歷至RBC 設(shè)備模擬時，首先從TSRS 至RBC 隊列獲取發(fā)送至RBC 的數(shù)據(jù)。重復(fù)上述流程，實現(xiàn)各設(shè)備模擬模塊間數(shù)據(jù)交互以及邏輯運算。

3 應(yīng)用與展望

臨時限速輔助決策系統(tǒng)對武漢樞紐調(diào)度臺管轄范圍內(nèi)線路數(shù)據(jù)進行建模，可提供覆蓋樞紐TSRS臨時限速管轄范圍的仿真預(yù)演環(huán)境。系統(tǒng)已在武漢樞紐調(diào)度臺部署試用，系統(tǒng)提供便捷的限速命令生成界面，以及便捷化限速仿真預(yù)演環(huán)境，輔助調(diào)度員準(zhǔn)確、高效地進行限速規(guī)劃。

目前系統(tǒng)運行獨立于真實列控系統(tǒng)，需要通過人工錄入方式使系統(tǒng)內(nèi)臨時限速與現(xiàn)場保持一致。未來可通過抓取TSRS 發(fā)送至CTC 的限速命令數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與真實環(huán)境臨時限速命令的自動同步，進而可實現(xiàn)對現(xiàn)場臨時限速狀態(tài)的監(jiān)控和管理。

4 總結(jié)

本文針對目前臨時限速擬定過程中限速參數(shù)規(guī)劃困難，限速預(yù)演依賴真實運營環(huán)境，預(yù)演效率低且影響真實列控系統(tǒng)等問題，研究基于工務(wù)限速需求參數(shù)自動生成臨時限速參數(shù)相關(guān)方法，并研究集成化列控設(shè)備仿真技術(shù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計并實現(xiàn)臨時限速輔助決策系統(tǒng)。系統(tǒng)可快捷、準(zhǔn)確地生成臨時限速命令參數(shù)，并提供低成本、集成化的限速仿真預(yù)演環(huán)境。該系統(tǒng)經(jīng)過部署試用，可有效解決相關(guān)臨時限速操作人員限速命令規(guī)劃困難，預(yù)演效率低下的問題。