毕业论文-基于CBTC的ATS操作模块的设计与实现11902.pdf

西南交通大学 硕士学位论文 基于cbtc的ats操作模块的设计与实现 姓名：周华伟 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：刘莉 20100601 西南交通大学硕士研究牛学位论文第1 页 摘要 基于通信的列车控sj j ( c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o l ，c b t c ) 系统有别于传统 的列车控制系统。它用高精度的列车定位和连续、高速、双向的数据通信，通过车载 和地面安全设备实现对列车的控制。相对于传统形式的列车控制系统来说，c b t c 系 统实现了移动闭塞，这必将使城市轨道交通扩大运能、缩短运行间隔和提高速度，同 时也增加了系统安全性。 列车自动监督系统( a t s ，a u t o m a t i c t r a i ns u p e r v i s i o n ) 是c b t c 的一个子系统， 它是列车高速、正常运行的核心组件之一，其关键性不言而喻。本论文首先介绍了 c b t c 原理、结构以及所用到的关键的技术。其次详细介绍了a t s 系统结构，并通过 用例图的方式分析a t s 系统的功能需求。然后对这些功能进行详细的设计与实现， 主要内容包括： 1 列车识别与跟踪：是实现对列车进行监督与控制的重要条件。通过对车次号、 车次窗以及轨道的分析与设计，让车次号和列车相联系随着列车的运行同步前进，有 效地实现了站场图中的列车的跟踪。 2 时刻表管理：它是列车按计划有序运行的依据。列车运行调整是在列车出现偏 离时刻表的情况是所采取的调整策略。论文中实现了对时刻表结构和调整策略的分析 与设计。 3 列车进路控制：首先通过进路搜索算法将所有的进路以车站为单位存储到进路 表中，在列车到达进路触发区段时，从进路表中搜索相应进路实现自动排列进路。同 时在有道岔的区段也可以人工设置进路。 4 车站功能：根据列车在实际运行中可能出现偏离时刻表的情况，进行车站功能的 设计。主要包括：站台扣车、设置停站时间、车站跳停等内容。 5 对所做的功能，在模拟模式下进行测试。 最后，对全文的研究工作进行了总结，并展望了系统中进一步还要研究的内容。 关键词：c b t c ；a t s ；列车识别与跟踪；进路控制 西南交通大学硕士研究牛学位论文第1 i 页 a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ( c b t c ) i sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a l t r a i nc o n t r o ls y s t e m i tc o n t r o l st h et r a i ni nh i g h p r e c i s i o np o s i t i o n i n gb yt h ec o n t i n u o u s ， h i g h - s p e e da n dt w o - w a yt r a i n w a y s i d ed a t ac o m m u n i c a t i o n c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l t r a i nc o n t r o ls y s t e m s ，c b t ci sam o v i n gb l o c ks y s t e m ，w h i c hw i l li m p r o v et h eu r b a nr a i l t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c ef r o mc a p a c i t y , h e a d w a ya n dt r a i nt r a v e ls p e e d ，a sw e l l a st h es y s t e ms a f e t y a u t o m a t i ct r a i ns u p e r v i s i o n ( a t s ) i sa ni m p o r t a n ts u b s y s t e mo fc b t ct oc o n t r o l t h et r a i ni nh i g h s p e e da n dn o r m a lo p e r a t i o n t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h ec b t c p r i n c i p l e ，s t r u c t u r ea n dt h ek e yt e c h n o l o g y a n df o l l o w e db yt h ed e t a i l so ft h ea t ss y s t e m a r c h i t e c t u r e a t ss y s t e mf u n c t i o nr e q u i r e m e n t sa r ed e t a i l e da n a l y z e dt h r o u g ht h ec a s e m o d ed i a g r a m s t h e ni ti st h ed e t a i ld e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n t h em a i nc o n t e n t sa r e ： 1 t r a i ni d e n t i f i c a t i o na n dt r a c k i n g ：t h i sf u n c t i o ni st h ei m p o r t a n tf o rr e a l i z i n gt h e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo ft h et r a i n b yt h er e l a t i o n s h i po ft h et r a i ni d e n t i f i e r , t r a i ni d w i n d o wa n dt r a c kc i r c u i tt h et r a i ni dc a nm o v ea l o n gw i t ht h et r a i ni d e n t i f i e r , s ot h a tt o r e a l i z e dt h et r a i nt r a c k i n gf u n c t i o n 2 s c h e d u l em a n a g e m e n t ：i ti st h eb a s i st om a k et h et r a i n sc a no p e r a t ea c c o r d i n gt ot h e s c h e d u l e t r a i no p e r a t i o na d j u s t m e n ti st h es t r a t e g i e sw h i c ha d o p t e di nt h ec o n d i t i o nw h e n t h et r a i nd e v i a t e st h es c h e d u l eo ft h es i t u a t i o n t h ep a p e rr e a l i z e dt h ea n a l y s i sa n dd e s i g n o ft h es t r u c t u r a la n da d j u s t m e n ts t r a t e g yo ft h et i m e t a b l e 3 t r a i nr o u t ec o n t r o l ：r o u tt a b l es t o r e da l lt h er o u t e st h a ts e a r c h e db yt h ea l g o r i t h m w h e nt h et r a i na r r i v e dt h et r i g g e rs e c t i o n i tw i l la u t o m a t i c a l l ys e l e c tac o r r e c tr o u t ea n d i n i t i a t et h er o u t es e t t i n gc o m m a n dt oi n t e r l o c k i n gs y s t e m i ns o m es i t u a t i o n ，t h eo p e r a t o r c a na l s om a n u a l l ys e tar o u t ea tt h es w i t c ha r e a 4 s t a t i o nc o n t r o l ：i td e s i g n st h ef u n c t i o no ft h es t a t i o na c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o nw h e n t h et r a i ni sf a rf r o mt h es c h e d u l ei nt h ea c t u a lo p e r a t i o n i ti n c l u d e ss t a t i o nh o l d ，s e td w e l l t i m ea n ds t a t i o ns k i p 5 a l lt h ef u n c t i o n sa r et e s t e du n d e rt h es i m u l a t i o nm o d e t h el a s ti st h es u m m a r yo ft h ep a p e ra n dt h ep r o s p e c t sf o rt h ef u r t h e rs t u d y k e yw o r d ：c b t c ；a t s ；t r a i ni d e n t i f i c a t i o na n dt r a c k i n g ；r o u t ec o n t r o l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密匹使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：阁乍伟 指导老师签名：学位论文作者签名：j 专i 竿彳巾指导老师签名： 刍1 翻 日期：z o l e 2 髟日期： d p 石文歹 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 一) 项目前期，参与整个站场图的绘制，以及一些静态数据( 如信号机、轨道、 站台等属性) 的设计和实现。 ( 二) 对基于轨道的列车控制系统和基于通信的列车控制系统的优缺点进行比 较分析，并着重介绍了基于通信的列车控制系统的原理和结构以及移动闭 塞的原理。 ( 三) 对基于通信的列车控制系统的子系统列车监督系统的操作功能，如列车的 识别与跟踪、列车进路、时刻表管理、运行图管理、站台控制、报警、日 志、列车运行调整等功能进行了详细的分析设计与实现，最后对一些主要 功能进行测试。 ( 四) 分析调度台和服务器的功能、设计调度台与服务器之间的命令传输接口并 实现。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：j 司擎饰 日期：2 0 0 2 五 西南交通大学硕士研究牛学位论文第1 页 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 随着经济社会持续快速发展和城市化速度加快、机动化水平的提高、城市的规模、 人口都在不断地膨胀扩大，城市地面道路交通通行能力不足问题日渐突出，而且由于 人口和建筑密度大，土地资源紧张，地面道路建设受到用地短缺的制约，因此这已成 为城市发展的“瓶颈”问题1 1 】。 城市轨道交通具有运能大、速度快、安全准时、乘坐舒适、节约能源以及能够缓 解地面交通拥挤和有利于环境保护等多方面的优点，因此采用立体化的快速轨道交通 来解决r 益严重的城市交通问题已经成为城市交通发展的大趋势。 但是城市轨道交通也存在一定的局限性，如建设费用高，建设周期长，技术含量 高，建设难度大；而且城市轨道交通建成后就难以迁移和变动，不像地面公共交通可 以机动地调整路线和设置站点，以满足乘客流量和流向变化的需要。另外城市轨道系 统根据其固有的特点，在信号方面也有要求：安全性要求高、通过能力大、抗干扰能 力强、可靠性高、自动化程度高等特点【2 】，因此建设城市轨道交通存在还存在很多困 难。 不过从新世纪开始，国家首次把“发展城市轨道交通”列入国民经济“十五”计划发 展纲要，并作为拉动国民经济，特别是大城市经济持续发展的重大战略【3 】。城市轨道 列车运行控制系统能够确保列车安全、畅通运行。它是将先进的控制技术、通信技术、 计算机技术与铁路信号技术溶为一体的行车指挥、控制、管理自动化系统，是现代保 障列车行车安全、提高运输效率的核心。因而，建立轨道交通为骨干，公共交通为主 体的城市交通体系，是城市交通发展的必然趋势，这不仅与走可持续发展道路、建设 和谐社会的要求相适应，也是解决大城市交通的根本途径，我国这方面的研究也还具 有很大的发展空间。 1 2 国内外研究现状 基于通信的列车控$ 1 ( c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o l ，c b t c ) 系统有别于传统 的列车控制系统。它用高精度的列车定位和连续、高速、双向的数据通信，通过车载 和地面安全设备实现对列车的控制1 4 】。相对于传统形式的列车控制系统来说，c b t c 系统实现了移动闭塞，将使城市轨道交通扩大运能、缩短运行间隔和运行提高运行速 度，同时也增加了系统安全性。当轨道交通运输发展到高速、高密度和重载的情况时， 增大了识别信号和驾驶列车的难度，甚至会发生冒进信号的事故，此时以往沿用视觉信 西南交通大学硕士研究牛学位论文第2 页 号传递方式的铁路信号系统，就不再适应。这就出现了列车自动控带i ( a t c ，a u t o m a t i c t r a i nc o n t r 0 1 ) 系统，它是一种对列车运行全过程或一部分作业实现自动控制的系统。 其特征为后续列车依据与先行列车间的距离和进路条件，在车内连续地显示出列车容 许的速度信号，并按照该信号显示自动地控制列车的运行。它改变了以往传统的以地 面信号为主的模式，而将机车信号变为主体信号，指示列车应遵守的速度；系统以此 可靠地防止由于司机失误而发生的追尾等事故【5 1 。a t c 系统包括三个子系统，列车自 动防护( a t p ，a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ) 系统、列车自动运行( a t o ，a u t o m a t i ct r a i n o p e r a t i o n ) 系统和列车自动监督( a t s ，a u t o m a t i ct r a i ns u p e r v i s i o n ) 系统。它是套完 整的监督、控制、管理系统。a t s 是a t c 的子系统，主要实现对列车运行的监督和 控制，辅助行车调度人员对全线列车运行进行管理，监督和记录运行图的执行情况， 在列车偏离运行图时能够自动修整运行图或者提出调整建议，并提供同其它子系统的 外部接口【6 1 。 城市轨道交通在我国广泛建设的时间还比较短，国内对综合监控系统集成的a t s 的研究也还仅仅处于起步阶段，研究成果有限，还没有进入实施阶段【_ 7 1 。然而，行车 调度是运营管理的主要工作之一，将a t s 集成到综合监控系统是轨道交通综合自动 化系统的发展趋势，新加坡、欧、美、r 等轨道交通发达的城市对综合监控系统集成 a t s 都有不同深度的研究、实验，有些已经投入运行，并有成功的范例。新加坡东北 线是一条无人驾驶的线路，系统包含了列车自动调度系统和列车自动监督系统，以控 制列车在不同客流条件下和不同操作条件下的运营，确保地铁系统顺利、高效地运行。 在经过3 个月的试运营后，各项统计表明系统性能完全到达了设计要求，已经正式投 入运营。法国巴黎1 4 号线无人驾驶线路，也集成了包含a t s 在内的主要机电系统， 使得运营管理人员明显减少，运行效率显著提高。西门子、美国g e 、法国t h a l e s 等国际大公司都具有集成a t s 系统的能力和经验【8 】。 1 3 论文的结构安排 本论文从总体上介绍了a t s 系统架构并分析各部分功能，然后对所要实现的功 能进行了需求分析，最后通过详细设计，并用v i s u a lc + + 开发工具实现了a t s 的操作 模块的基本功能，主要安排如下： 第一章绪论，主要介绍了本课题的研究背景和意义，以及通过国内外研究现状的 分析，来再次阐述本文研究的现实意义和发展空间。 第二章首先介绍了c b t c 系统，并着重阐述移动闭塞原理，最后对整个a t s 的 系统结构进行介绍，并对其各部分功能进行需求分析。 第三章先从整体上介绍a t s 操作模块所包含的内容，然后对各个子模块的功能 进行详细分析和设计。 西南交通大学硕士研究牛学位论文第3 页 鲁昌昌毒= 皇暑= 詈昌= 皇詈= 穹暑= 昌昌昌毫皇皇霉皇= 昌皇暑= = 窖= 皇= 昌= 鲁亭= = = 昌穹昌昌= 昌暑= 鲁昌= 昌= 皇= 昌昌毒害穹昌暑皇穹皇皇= 昌昌皇昌昌= = = = = = = = 昌昌= 毒 第四章在对各个予模块功能分析完成的情况下，对其实现，主要介绍了实现的思 路。 第五章主要通过对各个功能的实际操作来测试功能实现的f 确与否，并对操作功 能进行优化。 西南交通大学硕士研究牛学位论文第4 页 第2 章基于c b t c 的a t s 系统概述 2 1c b t c 系统介绍 2 1 1c b t c 系统原理 1 9 9 9 年9 月，i e e e 将c b t c 定义为：“利用高精度的列车定位( 不依赖于轨道电 路) ，双向连续、大容量的车一地数据通信，车载、地面的安全功能处理器实现的一种连 续自动列车控制系统”【4 j 。定义中指出c b t c 中的通信必须是连续的，这样才能实现连 续自动列车控制，利用轨间电缆、漏泄电缆和空问无线都可以实现车、地双向信息的 连续传输。 传统的轨道交通控制系统一般是基于轨道电路的列车控制系统( t r a c kc i r c u i t b a s e dt r a i nc o n t r o l ，t b t c ) 。该方式几乎完全依靠轨道电路和轨旁设备来检测列车的 位置。这种方式的列车控制系统对于列车防护，保障行车安全来说是非常有效的【9 】， 但是一方面它的列车定位精度只能精确到轨道区段，定位精度不高；另一方面能传递 给列车的信息不足，只有信号灯及列车驾驶室中的速度编码，所以驾驶室内的列车信 息很有限，而使列车的加减速只能断续进行，最终导致轨道设施的利用率极低；而且 轨道电路工作稳定性很容易受到环境的影响、线路的通过能力比较容易损坏、维护起 来费用较大等诸多弱点。c b t c 系统在解决铁路的运量与运输矛盾上具有很好的适应 能力，它在技术上的成熟与进步能够很好的解决传统的t b t c 在列车控制上的局限 性。因此，c b t c 必定将会取代t b t c ，成为列车运行控制系统的主要发展方向。 c b t c 系统是一个以车辆为中心的系统，它摆脱了传统轨道交通用地面轨道电路 设备进行信息传输和判断列车占用的束缚，充分利用无线通信的传输手段，实时或定 时地进行车一地间的双向通信，其车辆子系统负责管理许多安全相关的功能，特别是 负责计算和安全管理速度曲线；同时列车也负责确定它自己的位置，并把位置报告给 轨旁；轨旁设备负责接收辖区内每列列车的位置报告，接收轨旁部件( 信号机、联锁 条件) 的状态以及确定每列列车的移动授权权刚1 0 】。 车载控制器( v o b c ) 通过双向车一地无线通信向轨旁c b t c 设备报告列车的位 置。c b t c 系统的轨旁设备会根据列车的当前位置、速度以及运行方向，并同时考虑 进路、道岔状态、速度限制以及其它障碍物，来向列车发送移动授权权限( m a ) 。因 此，可以保证列车间的安全间隔。 双向通信也提高了列车运行和监督的能力。因此，列车可以在安全的列车间隔下 以更小的间隔运行，并且提高列车控制的灵活性。 c b t c 系统中，移动权限m a 的计算，是由区域控制器来计算并发给车载控制器 西南交通大学硕士研究牛学位论文第5 页 = 昌= = 暑= 皇昌= 皇= 昌暑昌皇皇昌昌昌昌皇窖= 昌= 鲁昌皇暑皇= 昌= 詈昌= = = 昌昌= 昌皇= 昌皇= 昌= = 兽昌= 篁= 皇= = = = = 昌昌= = = 昌昌= = 昌= 暑昌= 昌= = = 昌= = = = = = v o b c 执行。区域控制器首先根据报告的前行列车位置和不确定误差来计算在最不利 的情况下列车的位置，并将它是为后续列车的障碍物，由此为后续列车计算移动权限。 保证列车问的安全运行间隔12 1 。c b t c 实现原理图如图2 1 所示： 2 1 2c b t c 系统结构 图2 ic b t c 系统原理图 一般c b t c 系统应当有以下部分组成：列车自动监督( a u t o m a t i ct r a i n s u p e r v i s i o n ，a t s ) 、区域控制器( z o n ec o n t r o l l e r ，z c ) 、数掘库存储单元( d a t a b a s e s t o r a g eu n i t ，d s u ) 、车载控制器( v e h i c l eo nb o a r dc o n t r o l l e r ，v o b c ) 、计算机联 锁( c o m p m e ri n t e r l o c k i n g ，c i ) 和数据通信系统( d a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，d c s ， 包括以太网、无线接入点、网络交换机和车载移动无线设备等) f 2 】，c b t c 系统整体 结构框图如图2 2 所示： 西南交通大学硕士研究牛学位论文第6 页 图2 2c b t c 系统结构图 ( 1 ) 列车监控子系统( a t s ) a t s 子系统负责对列车运行的监督和控制，是非安全系统。其主要功能有：时刻 表编辑与维护、自动排列进路、自动记录列车运行实迹、自动列车运行调整、自动进 行运行数据统计及自动生成报表等，在控制中心显示控制范围内列车的运行状态和设 备状态，辅助调度人员对全线列车进行管理。 ( 2 ) 区域控制器子系统( z c ) z c 安装在轨旁，是基于处理器的安全控制器。z c 子系统需要根据从a t s 、c i 、 d s u 和v o b c 接收到的各种数据信息和状态信息经过处理，为在z c 控制区域内的 列车生成移动授权m a ，并持续更新和传输，然后将移动授权通过d c s 系统发往车 载设备v o b c 以控制列车运行；z c 还负责控制道岔和信号机和响应邻近区域z c 的 授权请求；对站台屏蔽门的控制和状态进行监视。 ( 3 ) 数据存储单元子系统( d s u ) 数据存储单元d s u 是完成整个c b t c 系统数据库管理的子系统。由于在c b t c 系统中，列车定位是由车载本身而不再依据轨道电路来实现，因此就需要车载和地面 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 同时用个统一的数据库d s u 来实现整个系统的协调统一。该数据库将包括动念数 据库、静态数据库、参数数据库和配置数据库等。鉴于数据库的安全性和重要性，必 须采取冗余设计来实现。 ( 4 ) 车载控制器子系统( v o b c ) v o b c 包括基于微处理器的控制器、相关速度测量及位置定位传感器。车载设备 与列车的各子系统接口，并通过数据通信系统与区域控制器进行信息交互。它主要实 现列车超速防护、自动驾驶、列车定位等功能。车载控制器采用三取二表决方式，有 效地减少了系统故障时问，并大大提高了系统可靠性。 ( 5 ) 计算机联锁子系统( c i ) 计算机联锁子系统c i 的主要功能是轨道空闲处理、道佾控制、信号机控制、进 路控制。通过各个设备之间的正确联锁关系，来保证列车的运行安全；而且对于来自 操作设备的错误操作，具备有效地防护能力。 ( 6 ) 数据通信系统( d c s ) 数据通信系统d c s 可实现任何子系统问的通信，也就是说和数据通信系统相连 的任何两个间接电子件，都可以相互通信。d c s 设备包括：轨旁光纤骨干网、轨旁无 线设备接入点( a p ) 、车载无线设备等。 2 i 3 移动闭塞原理 传统的信号系统主要设计目标是通过使用的轨旁信号来确保列车间隔、列车停车 和提醒司机等，因此没有列车会进入另一列车占用的闭塞区段。基于c b t c 的移动闭 塞系统的设计目标是：在保持传统设计安全性的前提下，通过改进列车定位分辨率和 移动授权更新频率来减少列车间隔距离，提供更大的通过能力，缩短列车间隔距离【l o l l 】 o v o b c 在区域控制器发出的移动授权权限( m a ) 下负责列车的安全运行。m a 被 授权至列车前方，直到进路的末端或者是存在的第一个障碍物。v o b c 确保由它产 生的速度曲线将包括考虑所有适当的安全因素。这些考虑因素包括最坏情况下的停车 距离。 z c 将根据报告的列车位置、加上位置的不确定误差，从而得出该列车在最差条 件下的停在位置，并将其作为后续列车的障碍物来计算后续列车的移动授权极限，使 之与前方列车尽可能接近。如图2 3 所示，安全余量是列车间的一个固定值，它是在 后车预定的停车点与确认的前车尾部位置之间的距离。这个距离的取值考虑了存在一 系列最不利情况，仍能保证安全间隔。 西南交通大学硕士研究牛学位论文第8 页 图2 - 3 移动闭塞原理 2 2 基于c b t c 的a t s 系统结构及其各模块功能分析 列车自动控带j j ( a t c ) 系统，它是一种对列车运行全过程或一部分作业实现自动控 制的系统。其特征为列车通过获取地面信息和命令，来控制列车运行，并调整与前行 列车之间的距离。a t c 系统包括三个子系统，列车自动防护( a t p ) 子系统、列车自动 运行( a t o ) 子系统和列车自动监督( a t s ) 子系统。a t p 子系统是a t c 的核心组成部分， 主要对列车驾驶进行防护，对与安全有关的设备或系统实行监控，实现列车f b j 隔保护、 超速防护等功能；a t o 子系统主要用于实现用地面信息对列车驱动和制动的控制； a t s 子系统主要实现对列车运行的监督和控制，辅助行车调度人员对全线列车运行进 行管理，功能主要有控制列车进路、管理列车时刻表、记录列车运行相关信息、显示 并记录报警信息和统计汇编等。 a t s 子系统结构包含的主要部分有：应用服务器、数据库服务器、大屏接口工作 站、维护工作站、调度员工作站( 主任调度工作站台、调度员工作站和车站工作站) 、 外部接口服务器、打印机【2 ”】。其系统结构图如图2 4 所示： 西南交通大学硕七研究牛学位论文第9 页 图2 4a t s 系统结构 ( 1 ) 应用服务器 它是整个a t s 系统中的核心部分。为了保证系统的可靠性，它采用双机热备 系统，两台服务器都与轨旁的以太网连接，当然它们之间也是相互连接的； 它接受数据库服务器和地面设备传输过来的有关站场、设备、列车的位置和 状态等信息，并对这些信息进行处理、然后将处理后的信息发送到相应的客 户端； 它根据接收到的列车到点信息同时刻表以及运行图做比较，进行偏移计算和 计划调整，并将调整指令发送到车载a t o 执行。 它负责全线的a t s 系统命令的处理功能，其具体功能主要有列车追踪、自动 调度、自动进路和控制请求确认等。 ( 2 ) 维护工作站 西南交通大学硕十研究牛学位论文第10 页 图2 5 维护台的系统结构图 a t s 系统的维护台主要是监控a t s 信号系统各设备的工作状态，显示设备正 常和故障的状态： 显示“信号系统设备配置连接图”中的主要设备和连接关系； 能够体现f 常和故障的状态( 颜色区分) ； 点击系统设备能够显示更详细的信息； 维护台的主要设计原理是基于监控的实时处理系统。系统的主服务程序通过通信 接口与被维护设备保持实时通信状态，并且在统一的维护台信号设备连接图上显示出 来。此外，还有对故障设备的图像显示。另外在数据库中存储同志，设备故障历史， 以及用户操作等信息。 a t s 维护台各子模块的功能 通信系统主要是和被维护设备进行实时的通信，保证其工作状态能够实时的 反映在维护台上； 维护台信号设备连接图主要是显示a t s 信号设备的实时状态； 图形显示系统主要是显示故障设备所处的位置； ( 3 ) 数据库服务器 主要负责管理和存储线路信息、被维护设备的当前状态、过往维护记录、报 警信息，以及用户的操作记录等信息； 完成和应用服务器之间数据交互，从而为用户生成包含所有这些数据的报告 以及每日的运行图。而且为了保证数据的可靠性，存储数据库的系统一般采 用共享磁盘阵列的双机系统； 提供列车运行各种数据给模拟系统： ( 4 ) 大屏接口工作站 大屏接口工作站主要显示整个站场图的情况，包括各车站的站台、信号机、道岔、 车次窗、轨道、进路的状态及列车运行状态等。 大屏接口工作站一般设计在和主任调度工作站在一起，当列车较多时，大屏可以 西南交通大学硕士研究牛学位论文第1 1 页 清晰的看到每条线路上各个列车的运行状态，从而帮助调度员制定相应的计划。 大屏所显示的内容和各调度站显示终端显示的内容一致，不过调度站可以进行一 些相关功能的设置，大屏不能进行操作，主要起辅助查看的作用。 ( 5 ) 调度员工作站和主任工作站 调度员通过工作站与c b t c 系统交互，其界面是菜单和鼠标化的。所有工作站将 在启动时自动载入a t s 工作站应用软件并显示线路屏幕。调度工作站分为两个调度 员工作站和一个主任调度工作站，它们主要功能基本相同，不过主调工作站拥有更高 的权限。调度员在有权使用任何命令前必须输入用户名和密码。所有操作员的错误输 入行为将被记录在服务器数据库。 它们主要功能是：监视沿线站台设备状态，地面信号设备，以及列车运行的位置 和状态，并且允许调度员操作一些功能，如进行控制模式的改变，道龠处重新办理进 路，车站扣车、跳停等操作。 ( 6 ) 打印机 系统一般设置三类打印机，其中一台彩色激光打印机作为运行图的打印机，一台 用以随时打印系统所发生的所有事件的事件打印机，包括列车的状态、进路的设置 取消、道俞的位置变化、调度员的操作等等；最后一台打印机作为报告打印机，用于 打印系统的各种统计报告及故障报告等等。绘图仪和打印机可以采用网络型的或通过 一台作为打印机服务器的计算机连接在网络上。 ( 7 ) 外部接口服务器 外部接口服务器主要是提供同c b t c 系统外部系统间的接口和协议转换。 2 3 小结 本章首先简要介绍了c b t c 系统的关键原理及结构，然后阐述了城轨交通信号系 统，最后详细分析了其子系统a t s 的结构及其各模块功能。 西南交通大学硕士研究牛学位论文第12 页 第3 章a t s 操作模块的功能分析 3 1 系统功能模块概述 把系统按照功能分解成不同的模块，各模块间又相互独立。这种分布的体系结构 及模块间的独立性，保证了系统具有良好的可扩展性。当需要增加或者修改某一部分 功能时，只需对该模块进行更改而不用修改整个系统，方便后续的维护及扩展。 根据对a t s 系统结构的分析，可以将系统功能分为以下几个模块，如图3 1 所示： 图3 一l 系统功能模块图 终端显示模块：它提供人机交互的界面，用户通过此模块直观的看到整个站场图 的状态，包括各集中站的道岔、站台、车次窗、信号机、轨道以及列车的运行，而且 调度员的操作也是直接在此模块上进行。 a t s 操作请求模块t 它主要是在终端显示模块上直接发出命令请求( 比如站台控 制、信号控制等功能) ，并将相应的信息传送到通信接口，最后通过a t s 操作处理模 块进行处理。 通信接口模块：通信接口模块主要是为了实现在显示端所进行的操作命令以及终 端显示模块的信息交互。当操作员在在终端显示模块进行操作时，会将操作命令信息 通过通信借口模块发送给a t s 操作处理模块，处理模块经过处理将结果( 例如：终 端显示模块中的设备状态的改变) 发送给终端显示模块，来实现命令的执行和更新显 示模块。通信接口模块的功能在系统中是由通信类实现，其用到的技术主要是s o c k e t 通信机制。s o c k e t 是在计算机中提供了一个通信接口，可以通过这个接口与任何一个 具有s o c k e t 接口的计算机通信。应用程序在网络上传输和接收信息也都通过这个 s o c k e t 接口来实现。 数据存储和管理模块：数据库中数据分为静态的和动态的两种。描述站场图基本 设备如：轨道、道岔、信号机、站台、车次窗等的位置以及一些属性的数据构成系统 西南交通大学硕士研究牛学位论文 第13 页 的静态数据；而系统运行时不断变化的列车信息、信号设备状态的改变等则构成系统 的动态数据。此模块则负责对这些数据的存储、记录和管理并同其它处理模块进行交 互。 a t s 操作处理模块：实际上是指a t s 系统结构中应用服务器的功能，它主要是 对调度员发出的命令以及系统的其它功能进行处理，主要包括进路控制、站台控制、 列车追踪等。 3 2 系统业务需求建模 任何大规模的系统设计都是相当复杂的，模型化可以帮助用户从高层理解系统， 使用户专注于系统设计的重要部分，搜集关键信息，而不需要关心一些无关紧要的部 分。模型是真实事物的抽象，并且是对真是系统的简化，与直接深入开发实际的系统 相比，这种方法可以简化系统的设计和维护，使之更容易理解。 面向对象方法的基本思想是从现实世界中真实的事物( 即对象) 出发来构造软件 系统，并在系统构造中尽可能的运用人类的思维方式。这种方法如今已经成为软件开 发的首选方法，面向对象的分析方法以对象作为分析问题和解决问题的核心，在软件 开发前期就对对象进行分析、设计和建模，从而解决了需求分析模型和软件设计模型 匹配难的问题。要有效地进行系统建模，就需要一种规范化的语言进行描述。统一建 模语言( u m l ) 的全称是u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，它是系统建模的标准，利用 u m l 建模技术可以进行面向对象的分析、设计、编程、测试乃至面向对象软件设计 的整个过程，亦可对对象进行建模分析i l 引。 u m l 提供了两类图进行建模，一类是静态图，包括用例图、类图、对象图、组 件图、部署图；另类是动态图，包括顺序图、协作图、状态图和活动图。由于篇幅 所限，本系统仅采用用例图来描述需求模型与设计模型之间的关系。图3 2 是a t s 系 统的用例图，它是从调度员的角度出发，根据a t s 的功能展示它的一系列作用。其 中小人代表调度员，椭圆代表a t s 系统所需实现的功能。 3 3a t s 操作模块的结构 图3 - 2 a t s 系统用例图 操作模块是a t s 系统中最重要的部分之一，通过研究a t s 的系统功能，将a t s 操作模块中分为几大功能：列车识别与跟踪、列车进路功能、时刻表管理、运行图管 理、站台控制功能、报警、报告、日志、列车调整功能和列车模拟功能等几个模块。 每个模块对应实现相应的功能，其又包含一些子功能，如图3 3a t s 操作模块功能图 所示： 西南交通大学硕七研究牛学位论文第15 页 图3 3 操作模块功能框图 3 4 操作模块的功能需求分析 3 4 1 列车的识别与跟踪 列车由车次号来识别，列车车次号是a t s 功能的重要条件，列车的识别与跟踪 是都与车次号相关联，a t s 系统对列车的追踪是列车从车辆段出发占用转换轨时开始 跟踪，至终到站或返回车辆段离开转换轨时跟踪结束。当一列列车没有车次号或者车 次号错误时，系统就不可能对其进行正确的跟踪。列车的跟踪是监视受控区域内列车 的运行的。不论是人工还是自动方式，每列列车都与惟一的一个车次号相关联。当列 车在正线运行时，根据对来自联锁设备的信息的推断，随着列车的运行，列车车次号 随着列车的从一个车次窗依次传递到下一个车次窗。 a t s 系统中，列车分为计划列车和非计划列车。计划列车是按照时刻表自动分配 一个车次号，非计划列车是指临时的加车。在站场图中，车身和列车标签( 车次号) 代表一辆列车。列车车身是一个带有箭头指向和颜色的矩形框，箭头端指向表示列车 的运行方向。列车的识别号即车次号，在车次窗中显示，它有五位数字组成，前三位 表示列车的运行号、后两位表示列车的目的地。通过运行号我们可以在运行图中查看 该车的运行图情况，而目的地号表示列车运行的终点站编号。 ( 1 ) 车次号的生成有人工设置和自动匹配两种方式： 人工设置：人工设置车次号是在临时加车或者所加入的列车无法从时刻表中读取 到对应的车次号信息，此时由调度员通过监视终端人工的给列车定义一个车次号。 自动匹配：当列车离开车辆段进入转换轨，而且调度员先前未在转换轨处输入车 西南交通大学硕士研究牛学位论文第16 页 次号，则建立请求检查时刻表系统，查找列车的车次号，如果能找到出车计划， 时刻表就会把对应的车次号匹配给该列车，使列车按照时刻表运行。 ( 2 ) 车次号的主要操作： 车次号定义：如果是临时加车、计划运行图中没有的列车或者在模拟模式下，列 车无法从时刻表中自动匹配车次号，此时可以通过人工给它定义一个非计划车次 号。 车次号修改和移动：一般情况下车次号是和列车同步运行，但有时车次号跟踪系 统时会产生差错，甚至一列车出错后会影响后面的列车，这样有可能会导致众多 的列车车次号与列车对应不上。这时就需要对车次号进行修改或移动，使其和列 车同步运行，实现f 常的跟踪。 车次号删除：车次号删除是从a t s 系统中清除车次号记录。对于脱离正常运营线 路进入维修厂、车辆段的列车车次号将被删除，或被覆盖时删除，也可以人工删 除。 3 4 2 信号控制功能 信号机是交通信号基础设备之一，它对进路的设置起着重要的作用。在办理进路 时，a t s 直接把始终端信号机发送给联锁设备，联锁没备经过处理最后状态发送回 a t s 。本系统中进路分为通过进路、自动进路和人工进路，因此对应的将信号机分为 三种：连续通过信号机、自动信号机和普通信号机。一般道分处的信号机设为通过信 号机或者自动信号机。通过信号机：即设置了以该信号机为始端信号机的进路为连续 通过进路，列车通过该进路后，如没有人工的设置，进路将再次自动排列；自动信号 机：为了提高自动化程度，给车站的相关信号机赋予自动属性，使得以某信号机为始端， 一条或几条进路可以根据列车的运行状况而自动办理出来，即设置了该信号机为始端 的进路为自动进路，不过列车通过该进路后，此进路即结束，下一个列车到来时再重 新根据情况排列进路。 3 4 3 列车进路控制功能 进路是指列车由一指定地点运行至另一指定地点所经过的路段。每条进路必须在 进路入口处设立由相应的信号机来防护，列车或者调车车列必须在防护信号机开放时 才能通过进路，否则可能会造成追尾、冲突等行车事故。为了保障行车安全，在进路、 道岔、信号机之间按照一定条件、一定程序建立的相互制约、相互联系的关系，称为 联锁【14 1 5 1 。 然而在c b t c 系统中，由于系统采用移动闭塞的列车追踪原理，列车的安全间隔 由区域控制器保护，当进路内存在其他列车时，在区域控制器授权的情况下，联锁依 西南交通大学硕士研究牛学位论文第17 页 然可以办理并锁闭该进路，后续列车的移动授权可以越过进路的防护信号机追踪至前 行列车的尾部。 在c b t c 系统中，a t s 子系统将进路命令发送给联锁，由联锁在满足安全准则的 前提下，管理进路、道俞和信号的控制。本系统中模拟实现联锁的功能，由于联锁条 件比较复杂，是本系统的主要功能之。 根据实际情况以及程序实现的需要，将进路的分为以下几类： ( 1 ) 通过进路 通过进路也叫永久进路。它是指预先设定好的条进路，在列车通过该进路后系 统并不解锁，道分仍然保持原来的位置。只有通过调度员人工进行“解锁命令”后才能 解锁。 ( 2 )自动进路 地铁系统的运营具有高密度、运行间隔短等特点，为了提高地铁信号系统的自动 化和智能化程度，给车站的相关信号机赋予自动属性，使得以某信号机为始端，可以 根据列车的运行状况而自动办理进路。和通过进路不同的是自动办理的进路在列车通 过该进路后自动解锁。 ( 3 ) 人工进路 人工进路是指在一些特殊情况下，自动进路和通过进路无法满足i f 常运行时，为 了重新办理进路，调度员可以通过人工操作的办法办理进路。 3 4 4 时刻表管理 时刻表模块包括安装、存储、修改时刻表，显示、描绘和打印实迹运行图。 系统提供时刻表编制用的数据库，通过调度员的人工设置如列车目的地、出入站 时间、列车间隔、站停时间、区间运行时间、车次号及区间运行等级等数据生成列车 计划时刻表。列车在正线运行时，利用车次号和列车位置同时刻表中的计划时间与位 置进行比较，在发生偏差( 晚点或早到) 时，列车自动调整子系统