（计算机应用技术专业论文）基于cbtc的ats数据结构分析与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 皇曼曼曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼鼍曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼曼曼曼鼍- - - - - - = m = m = ： 鼍曼皇曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼 摘要 基于通信的列车运行控制( 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 ) 系统利 用连续的车地双向数字通信，实现列车控制信息和列车状态信息传输，是今后城市轨 道交通列车运行控制系统的发展趋势。列车自动监督系统a t s ( a u t o m a t i ct r a i n s u p e r v i s i o n ) 是用于城市轨道交通的列车自动控制系统a t c ( a u t o m a t i ct r a i n c o n t r 0 1 ) 的一个子系统，通过与a t c 系统中的列车自动防护a t p ( a u t o m a t i ct r a i n p r o t e c t i o n ) 和列车自动运行a t o ( a u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o n ) 子系统的协调配合， 完成对高密度城市轨道交通运输信号系统的自动化管理和全自动行车调度指挥控制。 站场图是a t s 最主要的显示界面，实时显示列车的运行状态。由于c b t c 列车通信的连 续性，基于c b t c 的a t s 提供了更加丰富的列车信息表示和查询手段。 在基于c b t c 的a t s 系统中，用“边+ 偏移量”的方式表示列车的位置，把这种线 路描述方式称作有向图描述方式，在传统的固定闭塞系统向移动闭塞系统转换过程中， 需要对相关的线路数据进行相应的转换。本文结合作者在基于c b t c 项目中的a t s 站 场图研发工作，并查阅大量相关文献，对所使用的数据进行了设计研究与构建。本文 首先简要介绍了c b t c 和a t s 的系统结构；其次本文使用二叉树相关理论并结合城市 轨道线路特点对a t s 线路拓扑结构进行了研究与构建，最后，按照由通信得到的每一 帧信息指定的有向图结构转换成与原数据结构相对应的有向图结构，测试表明该结构 能够很好地满足系统仿真的需要。 关键词：a t s ：移动授权权限；数据转换；二叉树 西南交通大学硕士研究生学位论文第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 l ( c b t c ) s y s t e mi st h et r e n do fu r b a nr a i l t r a n s p o r t a t i o ni nt h ef u t u r e ，w h i c hi su s e df o rt r a n s m i t t i n gi n f o r m a t i o no ft r a i nc o n t r o la n d t r a i ns t a t e t h o u g h b i d i r e c t i o n a l d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n o f t r a i n - w a y s i d e c o n t i n u o u s l y a u t o m a t i c t r a i ns u p e r v i s i o n ( a t s ) i sas u b s y s t e mo fa u t o m a t i ct r a i n c o n t r o l ( a t e ) w h i c hi su s e df o ru r b a nr a i lt r a n s p o r t a t i o n ，a t sc o o p e r a t e sw i t ha u t o m a t i c t r a i np r o t e c t i o n ( a t p ) a n da u t o m a t i nt r a i no p e r a t i o n ( a t o ) t oa c c o m p l i s ha u t o m a t e d m a n a g e m e n ta n de n t i r ea u t o m a t e dt r a i nd i s p a t c h i n gc o n t r o lo fh i 曲d e n s i t yu r b a nr a i l t r a n s p o r t a t i o ns i g n a ls y s t e m r a i l w a yl a y o u ti s t h em o s ti m p o r t a n td i s p l a yi n t e r f a c eo f a t s ，i tc a n r e a l t i m ed i s p l a yt r a i n sr u n n i n gs t a t u s b e c a u s eo ft h ec o n t i n u i t yo ft h ec b t c t r a i nc o m m u n i c a t i o n ，a t st h a tb a s e do nc b t cp r o v i d e sar i c h e rm e a n so fi n f o r m a t i o n r e p r e s e n t a t i o na n dq u e r ym e t h o d i tc a nu s e “e d g e + o f f s e t m e t h o dt oe x p r e s st r a i n sp o s i t i o ni nt h ea t ss y s t e m w e c a l lt h i sl i n ed e s c r i b em e t h o dd i r e c t e dg r a p hd e s c r i b em e t h o d ，i ti sn e c e s s a r yt ot r a n s f o r m r e l a t e dl i n ed a t ei nt h et r a d i t i o n a lp r o c e s so ff i x e d - b l o c ks y s t e mt r a n s f o r mt ot h em o v i n g b l o c ks y s t e m a u t h o ro ft h i sp a p e rc o m b i n ea t sl a y o u tr e s e a r c hi nc b t cp r o j e c ta n da f t e r r e a dm a n yr e l a t e dl i t e r a t u r e ，d e s i g na n dc o n s t r u c td a t at h a tu s e di nt h ea t sl a y o u t t h i s p a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e ds y s t e m s t r u c t u r eo fc b t ca n da t sa tf i r s t ，t h e nt h i sp a p e r r e s e a r c h e da n dc o n s t r u c t e dl i n et o p o l o g ys t r u c t u r eo fa t sb yu s i n gt h er e l a t e dt h e o r yo f b i n a r yt r e ec o m b i n i n gw i t hc h a r a c t e r i s t i co fu r b a nr a i lt r a n s p o r t a t i o n ，a tl a s t ，t h i sp a p e r t r a n s f o r me v e r yp i e c eo fd i r e c t e dg r a p hs t r u c t u r et h a to b t a i n e db yc o m m u n i c a t i o nt o d i r e c t e dg r a p ht h a tc o r r e s p o n dt oo r i g i n a ld a t as t r u c t u r e ，t e s ts h o w st h a tt h i ss t r u c t u r ec a l l s a t i s f yt h en e e d so fs y s t e ms i m u l a t i o nv e r yw e l l k e yw o r d s ：a t s ：l i m i to fm o v e m e n ta u t h o r i t y ：d a t at r a n s f o r m ；b i n a r yt r e e 西南交通大学曲南交通大罕 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 不保密西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：住，老f 武 日期：仞口彳z 罗 指导老师签名：2 气每扒 日期：。口h 二哆 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： 1 、分析了c b t c 系统的结构和原理，分析了基于c b t c 系统的a t s 系统结构和功能， 并对a t s 数据结构进行了详细分析。 2 、本论文里a t s 站场图的所有静态图标信息是通过专用的画图工具画出的，我参 与了整个画图的过程。 3 、应用二叉树理论对a t s 线路拓扑结构进行了研究，并提出了a t s 线路搜索算法。 4 、将由通信传过来的每一祯信息指定的有向图结构转换成原数据结构的相应轨 道区段及相应的偏移量，从而为基于c b t c 的a t s 系统仿真提供了很好的数据 基础。 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：帮，名，我 日期：伽加f 节 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼! 皇曼曼皇曼鼍曼曼曼曼量曼曼量曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼皇曼i 。i ：- = - = i = i = i i ii = | 鼍曼皇曼毫皇舅曼皇蔓曼曼曼曼曼鼍蔓窒! 曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景和意义 我国地大物博，人口众多，铁路运输仍是最主要的交通运输手段。经过3 0 多年的 发展，我国铁路信息系统从无到有、从小到大，从单机版本到多层次的网络应用，建 立了覆盖铁道部、铁路局和主要站段的计算机网络及传输网、交换网、数据通信网三 大通信基础网，先后开发了以列车调度指挥系统、铁路运输管理信息系统、客票发售 与预订系统为代表的一大批应用信息系统，铁路信息化建设取得了很大的成就u 1 。近 十几年来，城市轨道交通迅速发展，已经成为人们出行的主要交通工具。但是纵观我 国的城市轨道交通运营情况，普遍存在着列车发车间隔时间较长、晚点率较高、乘客 乘坐舒适性差等问题，运营质量急待提高。虽然我国在建的城市轨道交通系统已经采 用了先进的移动自动闭塞系统，但其核心技术都是由国外引进的，而且各不相同。由 于城市轨道交通信号设备具有专业性强、涉及专业多、技术复杂、品种多、设备用量 少的特点，成套引进设备不仅使工程造价高昂，而且导致技术管理复杂、设备配件配 备困难，给运营和设备维护带来一定的不便，更不利于系统的扩展。随着我国城市轨 道交通的大力发展，如何开发拥有自主知识产权的移动自动闭塞系统，建立开发适合 我国国情的的轨道交通运营组织，对于缓解城市交通拥挤、提高人民群众的生活质量， 具有重要的战略与经济意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 闭塞技术的发展与研究现状 以地铁、轻轨、市郊铁路为代表的轨道交通是指城市中有轨的大运量公共交通运 输系统，全称叫做城市快速轨道交通。近年来，伴随着我国城市化进程的加快以及经 济的高速发展，城市人口迅速增长，城市规模不断扩大，许多大城市的地面交通己经 无法适应日益增长的客运需求。由于城市轨道交通系统具有快速、便捷、大运量的特 点，在缓解城市交通矛盾中具有突出作用，因此许多城市己经确定了以轨道交通作为 公共交通骨干的战略。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 列车在区间运行必须保证安全，同一区间除了不能有对向运行的列车以外，同向 运行的各列车之间应相互保持定的间隔，以满足列车制动距离的需要，防止发生列 车追尾事故。基于这一思想，列车在区间的运行主要有时间间隔法和空间间隔法。时 间间隔法是指列车按照事先规定好的时间由车站发车，使前行列车和追踪列车之间必 须保持一定时间的行车方法，这种行车方法因追踪列车不能确切地得到前行列车的运 行状况，所以不能确保列车在区间内的运行安全。空间间隔法是把铁路线路划分为若 干个段落( 区间或比赛分区) ，在每个线段内同时只准许一列列车运行，这样使前行列 车和追踪列车之间必须保持一定距离的行车方法。这种行车方法能严格地把列车分隔 在两个空间，可以有效地防止列车追尾和正面冲突事故的发生，从而确保列车运行安 全别。， 两站之间的线路称为区间，通常区间分为若干个闭塞分区。列车在区间运行，必 须在运行前方闭塞分区空闲的情况下，而且必须杜绝其对向和同向同时有列车运行的 可能，即必须从列车的头部和尾部进行防护。这种为确保列车在区间运行安全而采取 一定措施的方法称为行车闭塞法1 。基本的行车闭塞方法有以下三种：电气路签( 牌) 闭塞，半自动闭塞和自动闭塞。目前我国主要采用的自动闭塞主要是固定自动闭塞系 统( f i x e db l o c ks y s t e m ，简称f b s ) ，它的主要特征是在线路上划分固定的闭塞分区， 并在分区的入口处设置信号机进行防护，闭塞分区分隔好后就固定不变h 1 。由轨道电 路等组成列车位置检侧系统，检查列车占用闭塞分区情况。通过轨道电路、电缆、信 号机等组成信息传输系统，将列车位置信息传送给司机或列车自动控制系统，控制列 车运行速度，以保证各列车之间保持若干个空闲闭塞分区，防止列车进入已被前方列 车占用的闭塞分区。f b s 条件下要求保持的空闲闭塞分区数目取决于信号显示制度。 固定自动闭塞系统在过去的八十多年里，无论是在保证行车安全，还是提高铁路 运输效率方面都起到了不可磨灭的作用，但f b s 中确也存在以下一些缺点晦1 。 ( 1 ) 闭塞分区的划分必须按照性能最差的列车制动距离来确定，因此只适应于制动 性能较为一致的车辆，对于条件较好的列车则降低了区间通过能力； ( 2 ) 随着列车牵引重量的增加，列车速度的提高，或是采用了新型的机车车辆，其 闭塞分区长度可能会出现不相适应的情况； ( 3 ) 追踪列车的司机无法确切掌握前行列车的运行工况、速度、精确位置等信息， 使得追踪驾驶困难，即f b s 为开环控制； ( 4 ) 通过缩短闭塞分区长度来提高区间通过能力，技术经济性差； ( 5 ) 在相同列车追踪间隔条件下，克服运行中干扰的弹性小，当列车运行偏离计划 时，容易造成大面积运行延误； 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 6 ) 因列车的运行工况、速度、精确位置无法掌握，调度员无法获得最佳的调度方 案，人工智能技术难以应用和发挥作用。 1 2 2 移动闭塞技术 移动闭塞与固定闭塞的根本区别在于闭塞分区的形成方法不同，移动闭塞系统是 一种区间不分割、根据连续检测先行列车位置和速度进行列车运行间隔控制的列车安 全系统。这里的连续检测并不意味着一定没有间隔点，实际上该系统把先行列车的后 部看作是假想的闭塞空间，由于这个假想的闭塞区间随着列车的移动而移动，所以叫 做移动闭塞( m o v i n gb l o c k ) 3 。 移动闭塞具有如下的特点曙1 ： 线路没有固定划分的闭塞分区，列车间隔是动态的，并随着前一列车的移动 而移动； 列车间隔是按后续列车在当前速度下所需的制动距离，加上安全余量计算和 控制的，确保不追尾； 制动的起点和终点是动态的； 可实现较小的列车运行间隔； 采用地一车双向传输，信息量大，易于实现无人驾驶。 与固定闭塞相比，移动闭塞具有以下优势： ( 1 ) 基于通信的列车控制( c o m m u n i c a t i o n sb a s e dt r a i nc o n t r o l ，简称c b t c ) 是 实现移动闭塞的最主要技术手段。采用这种方法以后实现了车地间双向、大容量的信 息传输，达到连续通信的目的，在真正意义上实现了列车运行的闭环控制，移动闭塞 可以根据列车的实际速度和相对速度来调整闭塞分区的长度，尽可能缩小列车运行间 隔，提高行车密度进而提高运输能力。 ( 2 ) 移动闭塞系统通过列车与地面间连续的双向通信，提供连续测量本车与前车 距离的方法，实时提供列车的位置及速度等信息。 ( 3 ) 由于系统采用模块化设计，核心部分均通过软件实现，因此使系统硬件数量 大大减少，可节省维护费用。 ( 4 ) 移动闭塞系统的安全关联计算机一般采取3 取2 或2 取2 的冗余配置，系统 通过故障一安全原则对软、硬件及系统进行量化和认证，可保证系统的可靠性和安全性。 ( 5 ) 移动闭塞还常常和无人驾驶联系在一起。两者的结合能避免司机的误操作或延 误，获得更高的效率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼鼍皇! 曼曼曼! 曼曼曼! - - i i ： i_i i 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼 1 3 论文主要研究内容 。 本论文主要对城市轨道交通列车自动监督系统的数据结构进行了研究。论文主要 分为五个部分，具体如下： 第一章绪论。主要介绍了本文的研究背景和意义，以及国内外研究现状。 第二章基于c b t c 的a t s 系统。首先简单介绍了c b t c 系统，并对c b t c 系统 的结构和原理进行了分析，然后分析了基于c b t c 的a t s 系统结构和功能。 第三章基于c b t c 的a t s 数据结构分析。首先分析了a t s 站场图中的静态数据和 动态数据，然后使用二叉树理论结合c b t c 线路网络特点与系统功能需求， 对基于c b t c 的a t s 进行了线路拓扑分析，并对线路搜索算法进行了研究。 第四章基于c b t c 的a t s 数据结构详细设计。详细分析了a t s 站场图的数据结构 和数据接口，并实现对由由通信得到的每一帧信息指定的有向图结构转换 成与原数据结构相对应的有向图结构。 结论对全文进行了总结，并对下一步的工作做出了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 曼曼曼曼舅曼曼皇曼皇曼皇曼舅曼舅曼鼍曼曼鼍 _ 鼍 m m mm 。皇曼鼍曼曼曼曼曼! 曼曼鼍曼曼曼皇曼巴曼璺曼! 曼曼曼 第2 章基于c b t c 的a t s 系统 2 1c b t c 系统发展概述 2 1 1c b t c 系统的由来 在线路工程质量、列车车辆性能都得到较大提高的前提下，改善列车运行控制系 统成为提升整个铁路运输效率的关键。传统的列车运行控制系统主要是基于轨道电路 的列车控制( t r a c kc i r c u i tb a s e dt r a i nc o n t r o l ，t b t c ) 系统。该系统技术成熟， 安全可靠，但由于t b t c 系统基于轨道电路来检测列车位置并向列车发送控制信息， 而轨道电路存在性能和功能上的缺陷和限制，使得t b t c 系统成为限制铁路运输效率 提高的瓶颈，主要体现在： ( 1 ) 限制了列车位置检测的精度。列车位置检测的最小分辨率为轨道电路区段，任 意一部分轨道电路被占用，整条轨道电路都将认为被占用。过长的区段设置会产生较 大的行车间隔，直接导致运行效率下降，过短的区段设置需要更多轨道电路设备，增 大投资。 ( 2 ) 传输信息量有限。列车提速及行车间隔减小，需要更多考虑前方线路坡度、弯 道情况、前车位置、速度等情况来确保行车安全，这使得列车信息需求量增大。若要 实现a t p 、a t o 等功能，对信息量的要求将更大。轨道电路受工作原理和工作环境的限 制，无法满足列车控制信息量增长的需要。 ( 3 ) 轨道电路易受到天气、地理环境及电磁环境影响。道渣电阻变化、雨水、环境 温度和列车分路不良等都会对轨道电路性能产生影响。 ( 4 ) 轨道电路至今无法实现车对地的通信，列车相关信息无法有效传送给地面设 备。 为改善轨道电路存在的上述弊端，提出了大量新型的控制理念和方法，如在列车 与地面之间增加信道来实现列车到地面方向的通信。2 0 世纪6 0 年代，我国著名专家 汪希时教授提出了“移动自动闭塞系统”，并指出使用无线方式实现车地间双向通信。 到8 0 年代，借力于数字通信技术、无线通信技术、编码技术的迅速发展，发达国家 相继出现使用无线车地通信的应用方案，如：美国的先进列车控制系统( a d v a n c e d t r a i nc o n t r o ls y s t e m ，a t c s ) 、欧洲列车控制系统( e u r o p e a nt r a i nc o n t r o ls y s t e m ， e t c s ) 等等。这种列车运行控制系统被称为基于通信的列车控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 - - _ ml 皇曼曼曼曼曼曼皇曼皇! 曼曼曼皇皇曼蔓舅曼曼曼曼鼍曼舅皇皇曼曼鼍曼皇曼曼! 曼曼曼皇曼皇曼鼍 ( c o m m u n i c a t i o n s b a s e dt r a i nc o n t r o l ，c b t c ) 系统。包括阿尔卡特、西门子、阿 尔斯通等多家信号设备供应商均开发出了自己的c b t c 系统，并在温哥华、伦敦、巴黎、 香港、纽约等多个次时代饿轨道交通线路上运行3 。 2 1 2c b t c 系统的结构 一个典型的c b t c 系统应当包括：列车自动监督系统a t s ( a u t o m a t i ct r a i n s u p e r v i s i o n ) 、数据库存储单元d s u ( d a t a b a s es t o r a g eu n i t ) 、区域控制器z c ( z o n e c o n t r o ll e r ) 、计算机联锁c i ( c o m p u t e ri n t e r l o c k i n g ) 、车载控制器v o b c ( v e h i c l e0 n b o a r dc o n t r o l l e r ) 和数据通信系统d c s ( d a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，包括骨干网、 网络交换机、无线接入点以及车载移动无线设备) ，c b t c 的基本结构如下图2 1 所示。 计轴、 号机、 防淹门 a t s d s u 计轴、道岔、信 i 岔、信h 、： 号机、屏蔽门、 蔽门、 () z cc l z c c i 防淹门、紧急停 紧急停、 y 车按钮 z 诳 飞 产亡、 ，3 a pa pa p 图2 - 1c b t c 系统结构图 以下对c b t c 系统各组成部分的功能进行简单的介绍： ( 1 ) 列车自动监督系统a t s ：完成列车运行监控、报警显示、进路排列和运行图的 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 调整等功能，还可以提供近期的列车运行记录的查询。 ( 2 ) 区域控制器z c 系统：接收列车的位置报告信息，并为列车提供移动授权权限 l m a 。 ( 3 ) 数据库存储单元d s u 系统：保存所有的线路数据信息和配置文件信息。依照车 载v o b c 系统与区域控制器z c 系统的要求完成线路数据的实时查询和数据更新工作， 接收a t s 系统的命令，完成动态信息的修改工作。 ( 4 ) 联锁c i 子系统：完成管辖范围内列车进路的办理和取消以及道岔等设备的采集 和相关操作。 ( 5 ) 车载v o b c 系统：车载控制器通过检测轨旁的应答器，寻找它们在数据库中的位 置以及测量列车在两个应答器间的运行距离，来确定列车的位置。同时接收z c 发送的 l m a ，并对列车进行安全控制。 ( 6 ) 数据通信d c s 系统：它实现c b t c 系统每个子系统之间的数据传输。d c s 系统 包括地面骨干网络和地车无线网络，骨干网络采用双重冗余以太网结构。 列车在行驶过程中，按照一定周期将自身位置和行驶速度等行车状态信息通过无 线通信发送给当前位置所属的轨旁控制器。轨旁控制器结合中央控制设备发出的行车 指令、列车状态和前行列车状态，通过通信网络向列车发送控制命令，同时控制轨旁 设备进行相应动作，确保列车安全、高效的运行口1 。 中央控制设备通过网络获得整个系统内各个设备的状态，包括列车行驶状态、列 车当前位置、道岔状态等信息。同时，中央控制设备可以向轨旁控制器发出控制命令， 执行单独安排进路、单独操作道岔和设置临时限速等操作。由此可见，c b t c 系统的基 本特点在于：( 1 ) 不再依赖轨道电路的准确列车定位；( 2 ) 通过连续的车地、地车通信 网络，大大增加了控制信息和车辆状态信息的信息量；( 3 ) 地面设备和车载设备协同工 作，提供强大可靠的列车安全防护1 。 2 1 3c b t c 系统的原理 1 9 9 9 年9 月，电气和电子工程师协会轨道交通运输车辆接口委员会制定并颁布 了第一个c b t c 标准，( i e e es t d1 4 7 4 卜1 9 9 9 ) ，该标准详细定义了c b t c 系统的功 能，将c b t c 定义为：利用( 不依赖于轨道电路的) 高精度列车定位、双向大容量车一地 数据通信和车载、地面的安全功能处理器实现的种连续自动列车控制系统。并规定 了c b t c 系统的列车运行间隔、安全性和可用性等技术指标旧1 。c b t c 系统的控制基本 原理图如图2 2 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 i ii i _ , , 皇鼍曼詈曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼量曼鼍曼曼曼舅皇! 曼曼曼曼皇曼皇 图2 - 2c b t c 列车运行控制基本原理图 c b t c 系统引入了通信子系统，建立了车地之间连续、双向、高速的通信，列车的 命令和状态可以在车辆和地面设备之间可靠交换，使系统的主体c b t c 地面设备和受控 对象列车紧密的连接在一起，所以“车地通信”是c b t c 系统的基础，c b t c 系统的另外 一个基础则是“列车定位”，只有确定了列车的准确位置，才能计算出列车间的相对 距离，对列车进行限速或者与地面设备发生联锁，保证列车的安全间隔心1 。v o b c 通 过检测轨道上的应答器，并使用收到的数据从数据库检索信息来建立列车的位置，数 据库包括了所有相关的线路信息，包括车站停车，坡度，土建限速，道岔位置和信号 机位置等。v o b c 测量应答器之间的距离，并根据速度传感器输入信号计算自探测到 一个应答器后，列车所行驶的距离。c b t c 系统的主要任务是保证列车在系统控制的 线路范围内安全运行。这是由为每辆处于通信状态的列车提供一个移动授权权限 l m a ( l i m i to fm o v e m e n ta u t h o r i t y ) 来完成的。l m a 值是由区域控制器z c ( z o n ec o n t r o i l e r ) 使用列车当前位置、行驶方向、线路以及周围线路的当前状态来决定的。z c 通 过通信子系统向v o b c 传达列车的l m a 。车载控制器v o b c 负责列车在自己的l m a 范围内运行。当列车在受控线路区域内按照正常时刻表移动时，v o b c 将列车的位置 与方向发送给z c ，并且列车的l m a 将由z c 发送给v o b c 。z c 也向v o b c 发送 列车l m a 内的道岔和信号机状态，从而使v o b c 能够根据这些状态监督列车。c b t c 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 系统与传统的基于轨道电路的系统之间不同之处在于分辨率：在轨道电路系统中，移 动授权权限l m a 是以轨道电路区段为单位来给出，而在无线c b t c 系统中，移动授权拥 有更高的分辨率。 2 2 基于c b t c 的a t s 系统 2 2 1a t s 系统概述 城市轨道交通列车自动控制系统( a t c ) ，是负责保障列车安全运行的核心设备，它 能够保证列车行车安全，提高运行效率，缩短行车间隔，保障旅客舒适度；也能够促 进运营管理现代化，提高综合运营能力以及运输服务质量聆1 。 通常，信号系统包括a t c ( 列车运行控制) 系统和c b i ( 微机联锁) ，其中a t c 系 统又由a t p ( 列车自动防护) 系统、a t o ( 列车自动驾驶) 系统及a t s ( 列车自动监督) 系统 三个部分组成。a t s 系统是基于现代数据通信网络的分布式实时计算机控制系统，通 过与列车自动防护( a t p ) 和列车自动驾驶( a t o ) 子系统的协调配合，完成对城市高密度 轨道交通信号系统的自动化管理和全自动行车调度指挥控制。另外，a t s 可通过与电 力遥控( s c a d a ) 、防灾报警( f a s ) 、旅客向导等其他系统的接口，实现对这些系统的监 控或信息交换町。 a t s 系统位于a t c 系统的最上层，是整个地铁信号系统的指挥中枢，是集信息管 理、综合决策以及自动控制为一体的综合系统。信息管理主要指对列车运营相关信息 的管理，包括运输方案、列车运行相关计划、运行统计信息等；综合决策指利用人工 智能技术为调度人员提供决策支持，其中典型的应用是对列车运行调整的决策支持。 同时，a t s 系统又是一个实时的计算机监测控制系统，能够保证列车安全、正点、高 密度地运营。a t s 对提高系统的运营效率、自动化程度、管理水平以及减少行车指挥 调度人员的工作强度等方面具有最直接的影响。 近年来，随着我国城市轨道交通建设步伐的加快，价格昂贵的机电设备主要依赖 进口的状况与提高国产化率的矛盾口益突出。为了降低工程造价和维修成本，信号设 备国产化的工作已进人实质性启动阶段。然而，目前我国对城市轨道交通的信号系统 中运用的数字轨道电路、车一地信息传输和列车自动驾驶等诸多高新技术尚不能全面掌 握，使国产化水平仅仅停留在国外公司在国内寻求生产厂家进行部分设备配套生产的 阶段。为了加快城市轨道交通信号a t c ( 列车自动控制) 系统全面实现国产化的进程， 在当前a t c 系统全面实现国产化难度较大，国产化进程缓慢的情况，继续进行国产a t c 系统的研究和开发固然必要，但按其子系统有计划、分步骤地实施国产化则具有更重 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 大的现实意义，作为a t c 系统三大子系统之的列车自动监督系统a t s ，就可以作为首先 实现国产化的子系统n 羽。 2 2 2a t s 系统结构 基于c b t c 的a t s 系统主要由数据库服务器、应用服务器、外部接口服务器、调车 员和调车长工作站、维护台工作站、大屏幕显示工作站、打印机和车站工作站构成。 如图2 - 3 所示： 【 大屏 i l 引s b a s f a s i m c 一 敷据痒服务嚣 报告打印机 i b j 善i l l r a i d 、i 退 应用服务嚣 擅摩舄t 作t 上l诅詹幕t 作t t ，+ 臣u 广1 t 傩l 竺筌，jl 竺筌，j 一睫贝j _ t f 柏z人丹1u j _ i f ，口一一 r 3 虱 f i |靥 。 餐凰 匿 圄” 差量 圄 。i ” 口l 凰 。f 1 ” ! l l w w丌旷 i l_ n | j ：) 址，i j 些一龟广坫 些 匐一 垂虱 癌| 1 l 1 亡!掌j 亡警j 。 圄9 # m m “ 鼍1 t 田，jq o 口l 、l j 匠! ! 皇k l 土仨调度二作站 维护= 作站 外部接口服务器 道岔的位置： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 曼曼曼曼曼曼量曼曼! 曼曼曼曼曼曼鼍曼舅皇曼曼曼鼍! _ 一l u i i 一 ；- - 皇鼍曼! 皇曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼 信号状态； 关闭的区域： 进路状态： 以下数据将由a t s 发给区域控制器t 道岔设置； 引导信号请求； 人工进路预留请求； 进路请求： a t s 与v o b c 之间的交换信息 a t s 与每个v o b c 每隔t b d 时间周期( 具体值来自数据库) 交换报文。下列信息将 被a t s 传送到v o b c ： 运行的类型； 列车停止恢复运动； 列车出发以及列车跳站； 下一站和终点站信息。 以下的信息将会从v o b c 传送到a t s 列车的车次号； 列车运行的方向和速度 列车紧急制动状态； 扣车状态： 3 2 基于c b t c 的a t s 线路拓扑结构 3 2 1 线路拓扑的主要功能及特点 城市轨道线路拓扑分析的主要功能是将轨道路网的物理模型转化成数学模型。它 是其它高级应用软件和数据库管理平台的基础，无论是数据库查询、数据库下载，还 是网络重构、轨旁设备铺设与维护等都需要轨道路网的线路拓扑分析n 3 1 。 传统的轨道线路描述方式，采用的是在线路的某个位置( 一般是线路的一端端点) 设置线路零点作为起点，其余位置的位置采用相对于零点的绝对距离作为位置信息描 述，即公里标。采用公里标方式的线路描述网络中，在线路比较复杂的路段，比如道 岔或者交叉渡线的侧线位置，公里标的描述方式无法精确的进行位置信息的描述，对 列车位置的精确定位造成困难。因此，公里标的线路描述方式无法满足c b t c 系统的要 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 lu l1 w i n - - - - - 求。 本文根据地铁轨道线路的实际线路状况与图纸，吸取了现有的线路描述拓扑方案 的经验与不足，并结合c b t c 系统的系统需求以及设计特点，对基于c b t c 的a t s 线路 进行了线路拓扑分析，具有以下特点： ( 1 ) 抽象性 对地铁轨道线路及设备进行拓扑分析的过程本身就是一个数据抽象的过程，将实 际的轨道、道岔、应答器等现实中的带有各种空间属性的事物抽象为可视的网络平面 图以及可以被计算机识别的数据，通过这个过程可以将线路网络数据与现实的线路剥 离，抽象为便于分析与研究的图和数据。本文采用有向图的方式对轨道线路进行描述。 如前所述，有向图的描述方式能将a t s 的线路网络与现实的线路在每个点( 位置) 都 进行分离，可以在逻辑关系上方便的对线路上的位置信息进行描述，可以提高列车运 行控制的效率。 ( 2 ) 节约存储空间 数据库在磁盘上的存储占用空间以及运行时占用内存的大小一直是系统设计者们 非常关心的问题。进入二十一世纪以来，计算机以及存储技术的高速发展使得数据库 占用空间问题已经不是系统设计的瓶颈，但是许多实时系统( 如c b t c ) 对数据库的响 应、数据传输、数据处理的实时性有很高的要求，所以数据库存储空间的节约对c b t c 系统依然具有很大的意义。本文a t s 轨道线路拓扑结构与现实线路数据脱离，用简单 少量的数据构建线路网络，节约了数据库的存储以及运行空间，可以提高数据库下载 的传输效率。 3 2 2 应用二叉树构建a t s 线路拓扑 3 2 2 1 树相关概念 树型结构是一类非常重要的非线性数据结构，可以用来描述客观世界中广泛存在 的、呈现层次结构的关系，其中以树和二叉树最为常用。树结构在客观世界中广泛存 在，如人类社会的族谱和各种组织机构都可以用树来形象表示。树在计算机领域中也 得到了广泛应用，如操作系统中文件管理采用的就是树形结构；在编译程序中，任何 一个语法正确的句子都可以根据语言的文法表示成一棵语法树，并以此来描述句子的 语法结构；在数据库系统中，树形结构也是信息的重要组织形式之一n 钔。 作为一种数据结构，树的定义如下：树( t r e e ) 是n 0 个结点的有限集合。n = o 的 树称为空树。在任何一棵非空树t 种，有一个特定的结点t t ，称为t 的根结点；其 余的结点t 一 t ) 被分割成m o 个不相交的有穷子集t 。t ，其中每个这样的子集t ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 曼! 曼曼鼍i - n 一一一i m m m mm- 。量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼鼍 ( i m ) 本身又是一棵树，称为根结点的子树。由此可见，树的定义是一个递归定义 【1 5 o 图3 5 所示是一棵具有1 5 个结点的树t = a ，b ，0 ) ，其中，a 为t 的根结点，其 余结点t 一 a ) 被分割成3 个不相交的子集t l = b ，e ，f ，l ，m ) ，t 2 = c ，g ，h ，i ，n ，0 ) ，t 3 = d ，j ， k ) 。t ，t 。，t 3 都是t 的子树。其中，t 。的根结点为b ，其余结点t 广 b ) 又分为两个不相交 图3 5 树示意图 的子集t 。= e ，l ，m ) ，t 1 2 f ) ，它们都是t ，的子树。t 。的根结点为e ，并且包含两棵结 点数为1 的子树，t 。的根结点为f ，没有子树。 在一棵树中，一个结点被定义为其子树的根结点的父结点，而其子树的根结点就 是它的子结点。如图3 1 中，a 为b 、c 、d 的父结点，b 、c 、d 则为a 的子结点，而b 又为e 和f 的父结点，由此可见，树结构具有以下特点n 剐： l 、有且仅有根结点没有父结点 2 、除根结点外，其余所有结点有且仅有一个父结点 3 、包括根结点在内，每个结点可以有多个子结点，树的数据元素之间存在着一对 多的关系。 结点的度和树的度：每个结点具有的子树数或者说后续结点数被定义为该结点的 度( d e g r e e ) ，所有结点的度的最大值被定义为该树的度。 分支结点和叶子结点：度大于o 的结点称作分支结点或非终端结点；度等于0 的结 点称作叶结点或终端结点。 儿子结点、双亲结点和叶子结点：每个结点的子树的根，或者说每个结点的后继， 被习惯地称作该结点的儿子结点，相应地，该结点被称作儿子结点的双亲结点。具有 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 同一双亲的孩子互称兄弟，即兄弟结点。每个结点的所有子树中的结点被称作该结点 的子孙，在一棵树中，根结点没有双亲结点，叶子结点没有子女结点。 结点的层数和树的高度：树既是一种递归结构，也是种层次结构，树中的每个 结点都处在一定的层次上。结点的层数( 1 e v e l ) 从树根开始定义，根结点为第一层，它 的孩子结点为第二层，依此类推，树中结点的最大层数称为树的深度( d e p t h ) 或高度 ( h e i g h t ) 。 有序树和无序树：若树中各结点的子树是按照一定的次序从左向右安排的，则称 之为有序树，否则称之为无序树。 森林：森林是m ( m o ) 棵互不相交的树的集合，对于树中的每个分支结点来说， 其子树的集合就是森林。 3 2 2 2 二叉树概念 二叉树( b i n a r yt r e e ) 是指树的度为2 的有序树，它的递归定义为：二叉树或者是 一棵空树，或者是一棵由一个根结点和两棵互不相交的左子树和右子树所组成的非空 树，左子树和右子树又同样都是二叉树。二叉树的特点是每个结点最多只有两个子女， 即在二又树中，不存在度大于2 的结点。二叉树的子树有左右之分，左右子树的顺序不 能颠倒口引。因此，根据该定义，二叉树有如图3 3 所示的五种基本形态。其中，图3 6 ( a ) 为空二叉树，图3 - 6 ( b ) 为只有一个根结点的二叉树，图3 - 6 ( c ) 为只有左子树的二叉树， 图3 6 ( d ) 为只有右子树的二叉树，图3 6 ( e ) 为左右子树均为非空的二叉树。 ( 空)o ( a )( b )( c )( d )( e ) 图3 - 6 二叉树示意图 满二叉树：深度为k ，且有2 。1 个结点的二叉树称作满二叉树n 刮。满二叉树的所有 分支结点都存在左子树和右子树，并且所有叶子结点都在同一层上。 完全二叉树：如果从第一层开始自上而下，每一层从左到右，对二叉树中的结点 进行顺序编号为1 ，2 ，n ，则深度为k ，且有n 个结点的二叉树，当且仅当它的每一 个结点都与同样深度的满二叉树中编号为1 至n 的结点一一对应时，称其为完全二叉树 1 6 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 二叉树结点间的拓扑关系在数据库中集中反映为二叉树的数据结构，二叉树一般 有两种数据存储结构：数组存储结构和链式存储结构。 ( 1 ) 数组存储结构 当在数据处理过程中，二叉树的大小和形态不发生大的变化时，可以采用数组方 式来表示二叉树的抽象数据类型。使用数组方式存储二叉树结构，就是用一组连续的 存储单元存储二叉树的数据元素n 6 1 。为了