軌道交通ATS仿真運(yùn)行框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軌道交通ATS仿真運(yùn)行框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘　要:在分析軌道交通ATS系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上,選用面向?qū)ο蟮姆抡娼？蚣芎瓦壿嬁刂瓶蚣?結(jié)合城市軌道交通的運(yùn)行特點(diǎn),對(duì)ATS仿真系統(tǒng)的時(shí)間控制和對(duì)象控制進(jìn)行明確定義,克服傳統(tǒng)仿真控制邏輯發(fā)散于描述模型過(guò)程代碼中的缺點(diǎn),介紹了一種面向?qū)ο蟮腁TS仿真系統(tǒng)運(yùn)行框架的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法,為ATS仿真系統(tǒng)提供新的思路和方案。關(guān)鍵詞:軌道交通;ATS仿真系統(tǒng);建模;框架;站場(chǎng)圖　　作為一個(gè)典型的強(qiáng)實(shí)時(shí)離散系統(tǒng),城市軌道交通ATS(Automatic Train Supervision)系統(tǒng)周期性地采集環(huán)境信息,根據(jù)外部輸入以及當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部的更新,生成控制命令,以控制外部環(huán)境。一般來(lái)說(shuō),在離散性的系統(tǒng)中,提示系統(tǒng)性能的狀態(tài)變量值將在隨機(jī)的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生躍變,而在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間,系統(tǒng)的狀態(tài)不發(fā)生任何變化。針對(duì)ATS系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn),有必要明確其仿真運(yùn)行的框架,從而保證該系統(tǒng)能夠順暢運(yùn)行,以充分發(fā)揮出仿真系統(tǒng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)支撐作用。1 ATS仿真系統(tǒng)建模框架 ATS仿真系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮慕？蚣?OSM),主要包括對(duì)象關(guān)系描述(ORS)、對(duì)象行為描述(OBS)和對(duì)象交互描述(OIS)等3個(gè)組成部分,符合城市軌道交通ATS系統(tǒng)設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)、組織嚴(yán)密、模塊化技術(shù)等特點(diǎn)。 ORS采用分類(lèi)、分解關(guān)系,進(jìn)行對(duì)象之間聯(lián)系的描述;OBS通過(guò)對(duì)象的狀態(tài)、引起狀態(tài)改變的事件以及在狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程中對(duì)對(duì)象所執(zhí)行的動(dòng)作進(jìn)行描述;OIS則對(duì)交互過(guò)程中所涉及的對(duì)象、對(duì)象的響應(yīng)方式以及交互方式進(jìn)行描述。 ATS仿真系統(tǒng)的對(duì)象通常分為信號(hào)點(diǎn)類(lèi)和列車(chē)類(lèi)。其中,信號(hào)點(diǎn)類(lèi)包括信號(hào)機(jī)、道岔、軌道等,由組件的元素類(lèi)和元素信息類(lèi)統(tǒng)一管理。該系統(tǒng)主要通過(guò)進(jìn)路控制、道岔信號(hào)機(jī)的連鎖控制和列車(chē)控制等方式進(jìn)行實(shí)際軌道系統(tǒng)控制細(xì)節(jié)的模擬。ATS仿真系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)對(duì)一些控制仿真模塊進(jìn)行抽象和封裝,稱(chēng)為控制類(lèi),包括運(yùn)行仿真器、出/入庫(kù)管理器、列車(chē)管理器和通信消息管理器等內(nèi)容。同時(shí),也對(duì)運(yùn)行時(shí)所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一封裝,稱(chēng)為運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)類(lèi)。1. 1 運(yùn)行仿真器 作為仿真控制的核心,運(yùn)行仿真器能夠?qū)崿F(xiàn)仿真時(shí)鐘、仿真線程、按時(shí)刻表和時(shí)鐘組織列車(chē)出入庫(kù)和運(yùn)行的管理以及信號(hào)點(diǎn)類(lèi)對(duì)象之間的交互管理等。運(yùn)行仿真器劃分為站場(chǎng)運(yùn)行仿真器和停車(chē)場(chǎng)運(yùn)行仿真器。其中,必須具備站場(chǎng)仿真器,停車(chē)場(chǎng)仿真器則根據(jù)具體情況而確定。1. 2 列車(chē)出/入庫(kù)管理器 當(dāng)停車(chē)場(chǎng)運(yùn)行仿真器存在時(shí),管理器負(fù)責(zé)在列車(chē)站場(chǎng)仿真器和停車(chē)場(chǎng)仿真器之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移,并在此過(guò)程中初始化或撤銷(xiāo)列車(chē)對(duì)象數(shù)據(jù);當(dāng)停車(chē)場(chǎng)仿真器不存在時(shí),負(fù)責(zé)將列車(chē)對(duì)象放入站場(chǎng)仿真器,或?qū)㈦x開(kāi)站場(chǎng)仿真器的列車(chē)對(duì)象銷(xiāo)毀。1. 3 列車(chē)管理器 管理仿真器中運(yùn)行的列車(chē)。1. 4 列車(chē)類(lèi) 對(duì)應(yīng)于ATS系統(tǒng)中的實(shí)際列車(chē)。對(duì)列車(chē)的信息、狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù),并可仿真列車(chē)與地面設(shè)備的交互方式。1. 5 數(shù)據(jù)類(lèi) 統(tǒng)一運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)和站場(chǎng)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)規(guī)則。1. 6 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù) 由運(yùn)行時(shí)所需的時(shí)刻表、停站時(shí)間表和運(yùn)行等級(jí)表等組成,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的加載、查詢(xún)和訪問(wèn)。1. 7 站場(chǎng)圖類(lèi) 站場(chǎng)圖主要由圖中的元素組成,即信號(hào)點(diǎn)類(lèi)的對(duì)象是仿真運(yùn)行的模擬場(chǎng)地。1. 8 組件元素類(lèi) 用于封裝加載到組件化對(duì)象,使系統(tǒng)不用直接使用COM接口訪問(wèn)組件對(duì)象,可通過(guò)元素信息類(lèi)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)組件分類(lèi)管理。1. 9 組件元素信息類(lèi) 記錄組件對(duì)象的類(lèi)型等信息。2 ATS仿真系統(tǒng)邏輯控制框架 在仿真運(yùn)行過(guò)程中,對(duì)象之間通過(guò)相互發(fā)送消息,執(zhí)行內(nèi)部定義的邏輯控制。其中,主動(dòng)對(duì)象向時(shí)間控制結(jié)構(gòu)報(bào)告下次內(nèi)部事件,由時(shí)間控制結(jié)構(gòu)確定相應(yīng)的時(shí)間。條件時(shí)間的測(cè)試則在對(duì)象內(nèi)部完成,同時(shí)將執(zhí)行情況報(bào)告給對(duì)象交互控制結(jié)構(gòu)。當(dāng)每次時(shí)鐘推進(jìn)之后,對(duì)象交互控制結(jié)構(gòu)就監(jiān)測(cè)對(duì)象之間的交互方式,若在當(dāng)前時(shí)鐘下所有對(duì)象都不能完成交互,則向時(shí)間控制結(jié)構(gòu)發(fā)出要求推進(jìn)時(shí)鐘的信號(hào)。此時(shí),時(shí)間控制結(jié)構(gòu)將最早發(fā)生的事件發(fā)送到目的對(duì)象,再次開(kāi)始交互。以上過(guò)程不斷重復(fù),直至仿真結(jié)束,則完成仿真運(yùn)行。 ATS仿真系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮姆抡孢壿嬁刂瓶蚣?提供了包括仿真時(shí)鐘管理、事件表控制、實(shí)體生成和刪除、數(shù)據(jù)傳送、對(duì)象交互監(jiān)控等在內(nèi)的仿真對(duì)象運(yùn)用方法,能夠明確區(qū)分仿真設(shè)計(jì)中不同的控制功能元素,克服了傳統(tǒng)模型仿真區(qū)分不清的缺點(diǎn)。 ATS仿真系統(tǒng)的邏輯控制框架通過(guò)時(shí)間控制和對(duì)象交互控制,采用多線程模型。以列車(chē)對(duì)象為中心,根據(jù)其狀態(tài)的變化,結(jié)合仿真時(shí)鐘的推進(jìn)控制,協(xié)調(diào)各對(duì)象交互,完成對(duì)象的交互控制。2. 1 ATS仿真時(shí)間的控制 ATS仿真時(shí)間控制主要包括仿真時(shí)鐘控制和時(shí)間表控制兩部分。 (1)時(shí)鐘控制采用多線程處理模型,需要一個(gè)輔助計(jì)時(shí)器,在指定的時(shí)間間隔內(nèi)啟動(dòng)一個(gè)仿真過(guò)程,以<1s的間隔進(jìn)行計(jì)時(shí)為宜。多線程可同時(shí)處理多輛列車(chē),通過(guò)設(shè)定科學(xué)得當(dāng)、數(shù)值相同的時(shí)間間隔,減少系統(tǒng)資源的占用,并具有良好的擴(kuò)展性,較好地處理兩個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)同一輛仿真列車(chē)時(shí)的沖突問(wèn)題。 ATS仿真時(shí)鐘控制過(guò)程:用戶(hù)啟動(dòng)仿真運(yùn)行以后,仿真主線程立即啟動(dòng)一個(gè)系統(tǒng)計(jì)時(shí)器。同時(shí),主線程將系統(tǒng)時(shí)鐘置零,此后該系統(tǒng)時(shí)鐘在計(jì)時(shí)器到1s時(shí)向前跳一秒鐘,作為仿真的基準(zhǔn)時(shí)刻。在時(shí)鐘啟動(dòng)之后,主線程負(fù)責(zé)系統(tǒng)時(shí)鐘的推進(jìn),而仿真運(yùn)行過(guò)程交由其它線程處理,直至仿真結(jié)束(一般仿真時(shí)間以24h為一個(gè)循環(huán))或用戶(hù)中止仿真。 (2)時(shí)間表的控制。ATS仿真系統(tǒng)是組織列車(chē),按照地鐵運(yùn)營(yíng)公司編制的班次計(jì)劃和時(shí)刻表運(yùn)行的。因此,在系統(tǒng)中將運(yùn)行時(shí)刻表作為最基本的時(shí)間表,用來(lái)規(guī)定車(chē)站一級(jí)的時(shí)刻,即到站和出站的時(shí)刻等。而對(duì)于列車(chē)在軌道上運(yùn)行的時(shí)刻,如何時(shí)占用軌道、離開(kāi)軌道、觸發(fā)信號(hào)機(jī)以及清除進(jìn)路等,則需要仿真處理線程根據(jù)列車(chē)的速度、軌道的實(shí)際長(zhǎng)度以及軌道和信號(hào)機(jī)的關(guān)系來(lái)確定。下面就是一段計(jì)算車(chē)頭占用軌道時(shí)間(即“進(jìn)入下一條軌道”事件的發(fā)生時(shí)刻)的函數(shù),其中m_odtHTCheckTime記錄了所求的時(shí)刻, g_SystemTime即為系統(tǒng)當(dāng)前仿真時(shí)刻,該函數(shù)在車(chē)頭剛進(jìn)入軌道時(shí)計(jì)算: void CTrain::CaHl eadTrackCheckTime() { intnLength=0; intnSeconds=0; if(m_pHeadTrack! =NULL) {nLength=m_pHeadTrack->GetLength(); nSeconds=int(nLength/m_fSpeed); } m_odtHTCheckTime=g_SystemTime+COleDateTime- Span(0, 0, 0, nSeconds); }2. 2 ATS仿真對(duì)象的控制 ATS仿真對(duì)象控制的核心是對(duì)列車(chē)的控制,只要仿真列車(chē)運(yùn)行起來(lái),其他信號(hào)點(diǎn)對(duì)象就可以根據(jù)列車(chē)的狀態(tài)、位置信息按照ATS系統(tǒng)的規(guī)定做出反應(yīng)。各種不同制式的ATS系統(tǒng)中,信號(hào)點(diǎn)對(duì)象與列車(chē)之間的交互,往往存在著不同的方式,并且存在各種各樣的支持對(duì)象、功能對(duì)象的交互方式。這些交互方式均圍繞列車(chē)仿真運(yùn)行而得以進(jìn)行,可通過(guò)確定仿真列車(chē)的控制框架設(shè)計(jì),為其他對(duì)象的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。2. 2. 1 列車(chē)仿真運(yùn)行處理過(guò)程 處理開(kāi)始時(shí),從列車(chē)管理器中取出對(duì)象(一輛列車(chē)),根據(jù)列車(chē)當(dāng)前的狀態(tài),確定如何處理列車(chē)的運(yùn)行。 若列車(chē)為平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài),仿真器則會(huì)檢查列車(chē)車(chē)頭是否到達(dá)下一軌道。一旦到達(dá),則要處理所引起一系列信號(hào)點(diǎn)對(duì)象狀態(tài)的變化,并重新計(jì)算當(dāng)前ATP的速度,確定車(chē)頭占用新軌道的時(shí)間,并對(duì)車(chē)尾進(jìn)行類(lèi)似的處理。 若列車(chē)為停車(chē)狀態(tài),則分3個(gè)階段:剛進(jìn)入停車(chē)狀態(tài)時(shí),將列車(chē)的速度置零,并處理停車(chē)時(shí)各種信號(hào)點(diǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換;列車(chē)停穩(wěn)后一般不會(huì)有狀態(tài)變換,主要檢測(cè)是否有列車(chē)啟動(dòng)消息;列車(chē)收到重新啟動(dòng)消息后,處理停車(chē)到啟動(dòng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。 若列車(chē)為折返狀態(tài),則在進(jìn)入新的循環(huán)之前轉(zhuǎn)載新的時(shí)刻表表項(xiàng)作為計(jì)劃時(shí)間表,折返之前一般都存在一個(gè)停車(chē)的過(guò)程。因此,在重新啟動(dòng)時(shí)會(huì)與站臺(tái)停車(chē)有所不同。2. 2. 2 列車(chē)運(yùn)行狀態(tài) (1)進(jìn)入仿真運(yùn)行:從列車(chē)車(chē)頭到達(dá)出庫(kù)線開(kāi)始,到車(chē)尾出現(xiàn)在站場(chǎng)仿真器為止的狀態(tài)。 (2)離開(kāi)仿真運(yùn)行:從列車(chē)車(chē)頭到達(dá)入庫(kù)線開(kāi)始,到車(chē)尾離開(kāi)站場(chǎng)仿真器為止的狀態(tài)。 (3)列車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行:列車(chē)按ATP速度在軌道上運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。 (4)列車(chē)進(jìn)路處理:當(dāng)觸發(fā)信號(hào)機(jī)且信號(hào)機(jī)進(jìn)路開(kāi)放時(shí),列車(chē)即進(jìn)入進(jìn)路處理狀態(tài),直至列車(chē)離開(kāi)進(jìn)路并將進(jìn)路解鎖。 (5)列車(chē)折返:列車(chē)行駛到道岔,且停車(chē)后即將重新啟動(dòng)時(shí),進(jìn)入列車(chē)折返狀態(tài),直至列車(chē)正式啟動(dòng)。 (6)列車(chē)進(jìn)站(減速):從列車(chē)發(fā)現(xiàn)前方有停車(chē)車(chē)站開(kāi)始,到列車(chē)速度即將為零時(shí)為止的狀態(tài)。 (7)列車(chē)停站:從列車(chē)即將停穩(wěn)開(kāi)始到即將啟動(dòng)時(shí)為止的狀態(tài)。 (8)列車(chē)離站(加速):從列車(chē)自停車(chē)車(chē)站啟動(dòng)開(kāi)始,到列車(chē)速度平穩(wěn)時(shí)為止的狀態(tài)。ATS仿真系統(tǒng)使用switch... case控制語(yǔ)句完成各列車(chē)狀態(tài)的切換處理過(guò)程,通過(guò)在各狀態(tài)處理過(guò)程中判斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件,進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換(見(jiàn)圖1)。3 結(jié)語(yǔ) 仿真運(yùn)行框架是ATS仿真系統(tǒng)得以正常工作的核心。ATS仿真系統(tǒng)是離散系統(tǒng)仿真的一種應(yīng)用,是使?fàn)顟B(tài)隨著時(shí)間的推進(jìn),不斷進(jìn)行轉(zhuǎn)移的一類(lèi)系統(tǒng)仿真,這種仿真主要集中在時(shí)鐘的控制上。本文在設(shè)計(jì)ATS仿真運(yùn)行框架時(shí)使用了面向?qū)ο蟮姆抡娼？蚣?OSM)和仿真邏輯控制框架,并在此基礎(chǔ)上獲得了ATS仿真系統(tǒng)框架類(lèi),集中解決了ATS仿真時(shí)間控制和對(duì)象控制兩方面的問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[1]馮允成,等,離散系統(tǒng)仿真[S].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.[2]趙根苗,陳永生.基于三層分布式架構(gòu)的列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[ J].微型電腦應(yīng)用,2003, 19.