（计算机科学与技术专业论文）ats仿真培训系统通用模型设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着城市轨道交通迅猛发展，a t s 仿真培训系统成了解决轨道交通运营企业 运营人员培养滞后的有效途径。如果针对每一种制式的a t s 系统都相对独立地 开发一套培训系统，就会产生大量的重复劳动，很多资源无法重复利用，又增 加了开发周期。本文就是针对上述情况，以a t s 系统的共性为原型构建a t s 仿 真培训系统通用模型，运用了软件组件化技术，将a t s 仿真培训系统的特性封 装成可配置的组件，并通过一个仿真运行框架生成a t s 仿真培训系统开发平台， 实现a t s 仿真培训系统的快速开发。 本文介绍了城市轨道交通a t s 仿真培训系统开发平台的功能和设计的特点， 同时阐述了软件组件化的技术，包括面向对象、软件重用以及基于组件的软件 开发技术等，着重讨论了a t s 仿真培训系统通用模型的设计与实现。从a t s 仿 真培训系统通用模型的基本需求出发，将a t s 仿真培训系统通用模型分成列车 仿真运行模型、列车仿真运行框架以及仿真数据接口三个部分进行描述。本文 对各部分的功能、结构和所采用的关键技术、方法进行了分析和阐述，并介绍 了一些实现细节。在此分析和设计的基础上，构建了一个a t s 仿真培训系统开 发平台原型，并介绍了该平台在上海轨道交通明珠线a t s 仿真培训系统开发中 的应用。 本文最后对全文进行了小结并针对进一步的工作进行了简要讨论。 关键词：a t c ，a t 8 ，c b s d ，固定闭塞，移动闭塞，o s m a b s t r a c t - 一 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a nt r a c k t r a n s p o r t a t i o n ，a t ss i m u l a t i o ns y s t e mb e c o m e s o n ee f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h ed i f f i c u l t i e so ft r a i n i n go p e r a t i o np e o p l ef o ru r b a n t r a c kt r a n s p o r t a t i o nc o m p a n y i fw ed e v e l o pa t ss i m u l a t i o n s y s t e ma c c o r d i n gt o e v e r ya t ss y s t e m ，t h e r ew i l lb eal o to fr e p e a t e dw o r k , a n dl o t so fs o f t w a r er e s o u r c e c a n tb er e u s e d t h i sp a p e ri st or e s o v l et h er e u s ep r o b l e mb a s e do nt h ec o n c e p to f s o f t w a r ed e v e l o p m e n tw i t hc o m p o n e n t i tt a k e st h ee s p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c so fa t s s y t e ma sc o n f i g u r a t i o nc o m p o n e n t sa n dc r e a t e sa t ss i m u l a t i o ns y t e mg e n e r a lm o d e l b a s e do nt h ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i c so fa t ss y s t e m a sa r e s u l t ，w ec a nb u i l da t s s i m u l a t i o ns y s t e md e v e l o p m e n tw o r k p l a c eb ys i m u l a t i o nf r a m e w o r kt om a k ea t s s i m u l a t i o ns y s t e md e v e l o p m e n te a s i e ra n d m o r ee f f e c t i v e t h i sp a p e ri n t r o d u c e sc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef u n c t i o na n dm o d e lo fa t ss i m u l a t i o n s y s t e md e v e l o p m e n tw o r k p l a c ea n di n t e r p r e t st h e t e c h n o l o g y o f s o f t w a r e d e v e l o p m e n tb a s e do nc o m p o n e n t s ，i n c l u d i n go b j e c t o r i e n t ，r e u s eo fs o f t w a r ea n d c b s d t h ea u t h o rp a y sm o r ea t t e n t i o no nt h e d e s i g na n di m p l e m e n to fa t s s i m u l a t i o ns y s t e mg e n e r a lm o d e l c o n s i d e r i n gt h ec o m m o nr e q u i r e m e n t s ，t h e r ea r e t h r e ep a r t e r so fg e n e r a lm o d e lf o ra t ss i m u l a t i o ns y s t e m ：t r a i ns i m u l a t i o nm o v i n g m o d e l ，s i m u l a t i o nr u n n i n gf r a m e w o r ka n di n t e r f a c ef o rs i m u l a t i o nd a t a t h ea u t h o r a n a l y s e sa n ds p e c i a l i s e st h ed e s i g no fs o f t w a r es t r u c t u r e ，t h ef u n c t i o n so fm o d u l ea n d t h ec r i t i c a lt e c h n o l o g ya n dm e t h o dt h a tw a si n v o l v e d a f t e rt h a tt h i sp a p e ri n t r o d u c e s ap r o t o t y p eo fa t ss i m u l a t i o ns y s t e md e v e l o p m e n t p l a t f o r ma n di t sa p p l i c a t i o ni nt h e d e v e l o p m e n to f a t ss i m u l a t i o ns y s t e mf o rs h a n g h a in o 3l i n e i nt h ef i n a l i t y , i t sas u m m a r yo fe n t i r e p a p e ra n dt h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e r s t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：a t c ，a t s ，c b s d ，f i x e db l o c k i n g , m o v i n gb l o c k i n g ，o s m 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论弩签名易j f l 名渗 劂年1 月砧日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 於扫乌f ) 砺凄 男i ，饧以易 签名：” 第一章引言 第一章引言 本章主要介绍了目前城市轨道交通国内外研究与发展的现状；阐述了课题的 目的与意义，本文作者的主要工作和论文的主要内容。 1 1 背景介绍 自1 8 6 3 年伦敦出现第一条地下铁道以来，城市轨道交通的发展历程就与世 界经济发展同步。随着世界经济的迅速发展，城市的规模、人口都在不断地膨 胀扩大，这不仅导致了城市公共交通数量上的剧增，而且提出了新的质量上的 更高要求。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。 我国轨道交通的建设从2 0 世纪5 0 年代开始筹划，6 0 年代开始建设的。进 入2 0 世纪9 0 年代后，随着中国经济体制改革的逐步深入，使得部分计划经济 时期长期潜在的社会消费需求得到释放，促使社会经济迅速发展，城市交通需 求剧增，使得中国轨道交通处于较长的高速发展期。除了里程增加外，中国的 轨道交通也由原先的地铁一种形式向多样化方向发展，如上海的磁悬浮、大连 的快速轻轨、重庆的单轨等。轨道交通发展的前景宏大，建设市场广阔。 目前，上海城市交通发展战略总体目标是构筑国际大都市一体化交通，以优 质、高效、整合的巨型交通体系，适应不断增长的交通需求，全面提升城市的 综合竞争力。上海市加快了轨道交通建设的速度，以一种超常规和跳跃式的速 度发展，进入了轨道交通的集中发展期，形成总长约2 5 0 公里的骨架网络。日 均承担客运量为3 2 0 万人次，约占公交客运量的2 5 ，年平均以4 0 公里的建设 速度。上海市计划在2 0 1 0 年实现城市轨道交通基本网络规划，经过集中发展以 后，由1 3 条线路形成总长达5 1 0 k m 、功能较完善、能够支撑国际化大都市发展 目标的轨道交通网络，中心城区范围内的总里程约为3 1 0 k m 。 随着轨道交通进入快速发展期，上海轨道交通专业技术人员的需求也很巨 大。而同时，轨道交通设备安装投运以后，受训人员无法在已运行的设备上训 练实际操作能力。因此，人才培养滞后已经成为城市轨道交通发展亟待解决的 第一章引言 问题砼1 。 仿真作为一门综合性的学科已有5 0 多年的发展历史，其间经历了物理模型 仿真，模拟计算机仿真和数字计算机仿真。由于仿真用模型代替实体作实验， 因此，它具有经济、安全、实验周期短等特点。这些特点使得仿真技术作为一 种分析、设计系统及训练人员的有利工具，已广泛应用于几乎是所有的工程与 非工程领域。随着计算机技术的发展，应用计算机进行系统仿真更是日益受到 人们的重视。计算机仿真技术结合了实验和分析这两种方法，将分析的方法用 于模拟实验，充分运用已有的基本物理量及相似性原理，可建立待研究系统的 数学模型，采用与对实际的物理系统进行实验相同的基本研究方法，在计算机 上运行仿真实验。现今的社会已进入“后工业信息时代”，随着信息技术、计 算机技术、系统理论、通信技术、图形图像技术的飞速发展，计算机仿真技术 正以日新月异的面貌呈现在世人面前，并日益深入到人们工作和生活的各个领 域，显示出突出而奇妙的作用口1 。因此，针对城市轨道交通的建设与发展现状， 利用计算机仿真技术无疑是上佳的选择。 目前，国外相关技术中，列车运营模拟仿真技术的研究主要还是针对铁路交 通的模拟和仿真，针对城市轨道交通仿真的开发与研究相对较少。而铁路与城 市轨道交通是有区别的，轨道交通的运营管理是通过列车自动控制( a = r c ) 系统 来完成的，更为自动化、更为精确化，所以对铁路的模拟仿真还不能直接用于 城轨交通仿真，城轨交通的研究和开发有其自身的特点。其次，国外的相关技 术都是针对特定a t c 系统设计的模型，各公司都在自身a t c 系统上进行开发和 研究，缺少通用的设计与开发h 副呻7 1 。 国内目前也在积极地进行城市轨道交通的调度仿真、故障仿真、信息命令仿 真等的开发与研究，已经出现了一些软件或产品。这些软件或产品主要有两个 特点：首先，主要是针对系统局部，对综合系统的仿真相对来说就少了许多呻】； 其次，主要是针对特定的城市，特定的线路，或针对特定的a t c 系统，缺乏通 用性、扩展性呻儿1 0 1 2 1 。我国在这方面的研究已经启动，具有很大的发展空间。 1 2 课题的目的与意义 全国城市轨道交通迅速发展，导致了当前不尽合理的专业技术人员结构以 及对大量运营管理专业人员的需求。由于受到设备、技术、场地的限制，人才 2 第一章引言 培养的滞后己成为十分突出的问题。运营专业人员需要具备实际操作能力，应 熟悉调度中心调度员的工作，也应熟悉车站值班员及停车场值班员的工作。然 而，出于现场行车安全的考虑，目前是无法在已经运行的设备上进行教学实践 的，到现场只能观看行车值班人员的操作。现场设备不可能用来教学培训，使 员工无法进行实践的演练、学习。因此，怎样使每一位员工能系统、快速地掌 握这些技术，尽快具备实际操作能力，就成为亟待解决的重要课题。从长远利 益考虑，必须有一套完整的仿真系统，能够模拟整个线路的列车运行过程，使 得在其上可模拟各种运营条件下的操作，包括控制中心调度员操作，集中站车 站值班员操作以及停车场调度员操作等，就像现场实际操作一样，以供运营管 理岗位的员工进行教学实践之用。利用计算机仿真技术，开发a t s 仿真培训系 统自然就成为一条快速培养运营专业人才的有效途径。 由于城轨交通各条线路所用的列车自动控制( a t c ) 系统，由不同的公司研 制，以既有上海轨道交通线所采用的a t c 系统为例，上海轨道交通1 号线采用 了美国g r s 公司( 现为a l s t o m 公司的一部分) 的a t c 系统，上海轨道交通2 号线 采用了美国u s s 公司的技术，上海轨道交通3 号线、4 号线采用了法国a l s t o m 公司的a t c 技术，而上海轨道交通5 号线( 莘闵线) 采用了德国s i e m e n s 公司的 设备n3 1 。因此，a t c 系统中与运营管理有关的列车自动监控( a t s ) 系统的界面、 操作方式以及一些具体功能也就各不相同。而轨道交通运营企业为了更有效的 对轨道交通运营人员的培训，又有需求针对每一条线路都开发相对独立的a t s 仿真培训系统。而如果针对每条线路开发相应的a t s 仿真培训系统，将会出现 很大的重复劳动，既浪费资金，也增加了开发的周期。虽然一些模块函数可以 应用到不同线路的a t s 仿真培训系统的开发，但其中仍然存在很多重复工作和 浪费，其中最大的风险在于开发人员的变更，开发环境的变动导致某些工作不 得不从头做起。 虽然各a t c 系统的制式不同，但各子系统的核心工作原理具有很多的共同 点。同时随着a t c 系统关键技术的发展，很多标准组织如i e c 等，已经开始对 a t c 系统进行标准化n 引。如果在跨不同制式a t c 系统的基础上进行统一，抽取其 中的共性进行模拟、建模，并将各线路的特性附加的参数进行分解，作为可装 卸的模块，并将这些特性模块统一管理起来，就可以构建一个平台，其上能够 快速开发各种不同制式的a t s 仿真培训系统。这样，开发者只需将注意力集中 在开发a t s 仿真培训系统的特性，其他的共性都由开发平台来提供，开发者只 3 第一章引言 需将这些特性与共性组装起来就能完成a t s 仿真培训系统的开发。这将能节省 资金，同时完全可以克服设备、场地的限制，真正缩短学员的培训周期，解决 人才培养滞后的问题。 本论文的工作针对上述情况，运用了软件组件化技术，将a t s 仿真培训系 统的特性封装成可配置的组件，以各种制式的a t c 系统的共性为原型构建a t s 仿真培训系统通用模型，在一个仿真框架应用该模型，通过将组件挂接到仿真 框架来实现a t s 仿真培训系统的快速开发。这是软件组件化技术在a t s 仿真培 训系统领域中的应用；是a t s 仿真培训系统开发领域的组件化开发技术的实现； 是组件技术与仿真技术相结合的尝试。 根据以上思想所开发的a t s 仿真培训系统，不仅可以用于轨道交通运营人 员培训，而且也可以与a t c 系统的其它子系统联合仿真完成整个a t c 系统工作 原理的模拟。该课题对于轨道交通a t c 系统新技术的研究也有一定的理论参考 价值，其研究成果不仅可以应用于上海市轨道交通，也可应用于全国其它城市 的轨道交通。 1 3 本论文的主要工作 本课题的主要目标是研究和设计一个a t s 仿真培训系统的通用模型，提供 相应数据接口，并应用到a t s 仿真培训系统开发平台中，从而实现自动或者半 自动( 人工介入) 的快速生成a t s 仿真培训系统。 本论文的主要工作是根据a t c 系统中的a t s 子系统的实际情况，在跨不同 制式a t c 系统的条件下，运用基于组件的软件工程技术、计算机仿真技术、轨 道交通运营管理技术与计算机图形技术等，设计出了一个通用性、实用性并重 的a t s 仿真培训系统通用模型，将该模型应用到a t s 仿真培训系统丌发平台中， 并利用平台开发了一套以上海轨道交通三号线a t s 系统为原型的a t s 仿真培训 系统。 1 4 论文内容安排 第一章绪论部分介绍了本课题的研究背景，选题的目的和意义以及本论文 工作的简要介绍和内容安排。 第二章从介绍轨道交通a t c 系统开始，接着介绍了a t s 子系统的功能和结 4 第一章引言 构，a t s 仿真培训系统以及a t s 仿真培训系统开发平台。 第三章介绍了本课题研究所采用软件组件化技术，包括组件化技术的产生、 发展和本论文工作所使用的组件技术c o m 和a c t i v e x 。 第四章从通用模型的总体概述，到通用模型所包含的列车仿真运行模型、 仿真运行框架、仿真数据接e l - - 方面内容，进行了详尽的论述。 第五章介绍了论文的工作成果a t s 仿真培训系统开发平台原型及其应 用。 第六章总结全文并对课题后续的工作提出一些设想。 5 第二章a t s 仿真培训系统开发平台概述 第二章a t s 仿真培训系统开发平台概述 本章介绍城轨交通的一些背景知识，主要介绍了城轨交通a t c 系统的组成 和主要作用，a t s 子系统的功能和特点，a t s 仿真培训系统的功能、结构以及 a t s 仿真培训系统开发平台的功能、结构。 2 1 城轨交通a t c 系统简介 自城市轨道交通问世以来，人们不断地为提高其安全程度和通过能力而努 力，其中一项重要的技术措施就是采用列车运行自动控制系统( a t c ) ，这是获 得大的运能、安全性、可靠的客运服务的要求。为了获得必要的高效率，必须 对中央、车站、车上设备进行很好的协调安排n 5 j 。 列车运行自动控制系统是能够实现列车速度自动控制和列车运行间隔自动 调整的系统，它替代了传统的主要依赖于司机的信号系统。a t c 系统经过了几十 年的发展，技术已经渐趋成熟，系统方案主要集中于基于模拟轨道电路、基于 数字轨道电路和基于无线信息传输方式这三种。随着研究的进一步发展，更多 的新技术还在不断的涌现n 钳n 5 l 。 通常列车运行自动控制系统( a t c ) ，都包括三个子系统，列车自动防护( a t p ， a u t o m a t i ct r a i nc o n t r 0 1 ) 子系统、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 ) 子系统和列车自动监控( 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 ) 子 系统1 6 3 。 a t p 子系统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，实现列车间隔保护、超速防护等功能，其主要工作原理是不断地将一些信 息( 如来自联锁设备和操作层面上的信息、线路信息、前方目标点的距离和允许 速度等) 从地面传至车上，从而得出此时所允许的安全速度，依此来对列车实现 速度监督及管理。 a t o 子系统主要用于实现用地面信息对列车牵引和制动的控制。使用a t o 子 系统后，可以使列车经常处于最佳运行状态，避免了不必要的、过于剧烈的加 速和减速，因此明显提高了旅客的舒适度、列车准点率及减少轮轨磨损，若与 列车的再生制动相配合，还可以节省电能的消耗。 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 6 第二章a t s 仿真培训系统开发平台概述 车运行进行管理。它给行车调度人员显示出全线列车的运行状态，监督和记录 运行图的执行情况，在列车因故偏离运行图时，及时做出反应( 提出调整建议或 者自动修整运行图) 。 这三个子系统协调工作，构成一套完整的a t c 系统，。a t p a t o 子系统可以在 保证安全的同时保证需要的行车间隔，并可以给予司机大力的支持。a t s 子系统 可以使用一系列的自动功能，使得对列车的运行和轨旁设备的监督控制连续而 平稳。一般的a t c 功能可见下页图2 1 。 2 2a t s 子系统简介 作为a t c 系统的重要子系统，列车自动监控( a t s ) 子系统用以指挥和监督列车 运行。它根据列车运行计划，制定实时运行图，指挥列车的运行，包括办理列 车进路，控制列车发车时间，改变运行区间的模式等；同时实时收集列车运行 信息及线路的各种信息，包括车次号、目的车站、列车信号。由控制中心计算 机系统进行实时跟踪，并显示在中心表示盘上。它是一个行车指挥自动化控制 系统，对全线运行的列车进行实时监控，极少需要人工干预。 a t s 子系统主要集成以下功能： 列车运行的实时显示 列车标识号跟踪、传递和显示 运行调整：根据在线时刻表管理列车运行。系统可跟踪列车运行，并准 确报点。当列车运行偏离时刻表时，系统将自动执行调整功能使列车返 回时刻表状态。 自动进路：列车自动监控系统根据在线时刻表中列车的目的地或图定进 路自动为列车开放进路，包括终端站的折返进路。 时刻表编制( 运行图编制) ：提供图形化时刻表编制功能。在计划员输入 相应的运行要素后，经人工必要的介入能自动生成不同运行要素下的各 种时刻表，调度员修改后可生成不同的基本时刻表。 回放：日常运行数据存入数据库，保存在计算机内，也可通过维护员工作 站的光刻机将其存入光盘中作永久保存。在维护工作站可回放所选时间 段内的运行状况以便于根据当时情况判定事故责任以及故障所在。 事件和报警：记录储存同常运行过程中发生的事件和报警发生的时间及 7 第二章a t s 仿真培训系统开发平台概述 其简洁的描述，并在事件打印机上进行实时打印。 统计和报告：系统收集的所有数据将被用于统计报告，以评价和分析自 动列车控制系统( a t c ) 和车辆的性能，这有助于决定是否需要预防性维 护。 图2 1a t c 系统功能结构 a t s 列车自动监控系统是一个分布式系统，它通过以太网连接主机、调度员工 作站和其他设备，设备安装在控制中心、车站、车辆段停车场内。下图2 2 所示 为一般a t s 系统的结构示意图： 8 第二章a t s 仿真培训系统开发平台概述 图2 2 期晒系统结构示意图 a t s 子系统设备分别设于控制中心和有联锁的车站。在控制中心设有：数据 传输设备，用于控制中心和车站之间的双向数据交换；调度显示屏以光带、光 点、数字形式显示列车位置、进路状态等；计算机系统用于完成自动调度和运 行统计，存储运行图及进行数据处理；调度控制台用以调度控制和运行管理及 设备维修。在联锁车站设有：车站数据传输设备，用于车站与控制中心之间的 双向数据通信；轨道电路的接收、发送设备，它连向区间及车站各个轨道区段 以向该区段发送列车检测信息或速度信息，并反映各个区段无车占用时的接收 情况。 2 3a t s 仿真培训系统概述 a t s 仿真培训系统是利用计算机仿真a t s 子系统的工作过程，根据站场及列车 信息，按照列车运行与信号控制的逻辑规则，模拟出列车运行情况，并给以图 像显示，同时根据客户终端的控制命令，做出相应的运行变化，提供逼真、稳 定的模拟环境。实际上a t s 仿真更注重于现象和逻辑的模拟，因此在不少地方可 以忽略很多通讯和控制方式，只要在列车仿真运行时跟现场基本一致即可嘞1 。 在物理系统中处理的数据，均为现场设备产生的真实数据。而在仿真软件中， 为了实现系统运行，必须构建仿真系统自身的站场数据库。为提高系统拟真程 9 第二章a t s 仿真培训系统开发平台概述 度，仿真系统中使用的站场数据、列车数据均为物理系统中的真实数据，所有 系统功能的实现必须是基于站场数据库及列车信息数据库。必要时a t s 仿真培 j l 系统需对实际系统的系统码表进行数字化站场结构变换，映射物理设备，产生 逻辑运算数据，提交给模拟机进行逻辑运算，产生仿真前台显示n 7 1 。 根据a t s 仿真培训系统要求，该系统一般都具有如下功能： 1 ) 列车时刻表管理仿真功能 2 ) 列车速度仿真功能； 3 ) 信号机逻辑功能； 4 ) 轨道、道岔逻辑功能； 5 ) a t p 运行保护功能； 6 ) 数据库维护模拟； 7 ) 调度操作和故障仿真功能； 基于软件功能的考虑，a t s 仿真培训系统需实现逻辑控制与仿真数据的分离， 即基于基本数据库( 站场数据库、列车数据库、时刻表数据库) 的数据支持，系 统进行逻辑运算，产生图形化界面。这是一种客户机服务器( c 1 l e n t s e r v e r ) 模式。这种计算体系通常被描述为两层结构。在一个两层式体系结构中，客 户机负责应用程序的数据处理和演示部分，数据存储在集中管理的服务器上。 两层应用程序就是早期的c s 结构应用程序模型。它主要由c 1 i e n t 端和数据库 s e r v e r 端组成。它的伸缩性不够好。开发人员写出的程序在客户端运行、占用 了大量的系统资源和网络资源。随着应用程序业务逻辑及复杂性的不断增大、 其开发工作的难度也越来越高。 目前，多层应用程序已成为主流，它能满足应用程序的两种需求，即可伸缩 性( 或可扩展性) 和i n t e r n e t i n t r a n e t 应用。三层( 多层) 结构的应用程序把业 务逻辑独立出来、组成一层或多层，这样就形成了客户端的客户界面层、中间 业务逻辑层( 可细化为多层) 和后端数据库服务器层。 多层结构中、界面表示层向用户提供数据显示，并有选择的允许用户编辑数 据；中间业务逻辑层用来强制实施业务逻辑和数据规则；数据库服务层用来进 行数据存储管理。中间层的逻辑规则主要提供表示层所需的数据筛选、逻辑运 算、数据规则用来确保在多个存储位置上存储数据的一致性。一个典型的三层 结构如图2 3 所示n 州n9 。 1 0 第二章a t s 仿真培训系统开发平台概述 图2 3 一个典型的三层结构 在此功能需求和逻辑结构的基础上，一般的a t s 软件仿真系统体系结构可以 进行模块化的划分( 如图2 4 ) ： 图2 4a t s 仿真培训系统体系结构模块 1 、终端显示模块 终端显示模块提供一个人机交互的界面，使得整个仿真系统在外观上与实际 仿真系统尽可能的一致。这一部分的主要功能包括：显示整个站场图的状态， 包括各集中站轨道、道岔、信号机、站台、车次窗的情况，确定它们的位置， 并确保用户层各工作站界面的布局安排、各个窗口的弹出等符合实际。 2 、a t s 操作模块 负责响应用户在仿真系统上的操作，系统假定用户就是实际的操作员，因此 对用户发出的信号控制、列车状态功能等各种命令做出反应。提供信号控制命 令，就主要实现设置控制模式、设置终端模式、进路控制等功能。 3 、模拟列车运行模块 系统根据列车时刻表、运行等级表、停站时间表以及其他客观情况模拟出列 车的运行状态，包括确定列车的a t p 速度，确定列车基本位置；根据列车运行情 第二章a t s 仿真培训系统开发平台概述 况及其他信号设备状态，确定股道的占用、锁闭、空闲等不同状态；根据列车 运行情况及操作员操作命令，确定信号机的开放、关闭等不同状态；根据列车 运行情况，产生站场中道岔的定位、反位、锁闭等不同状态。 这一部分是整个仿真模块的核心，根据其结构和功能，可以进一步划分为： 轨道、道岔、信号机逻辑模块，a t p 运行速度模块、列车运行仿真模块，列车按 时刻表仿真运行管理模块、故障仿真模块。 轨道、道岔、信号机逻辑模块是整个系统数据的基础，每一时刻的列车速度 主要由一系列的轨道、道岔、信号机的状态决定的；a t p 运行速度模块负责根据 前方轨道、道岔、信号机逻辑状态计算出列车的速度，保证列车运行安全，防 止列车冒进或者列车追尾事故；列车仿真模块是处理运行中的列车的各种状态 的转换，包括停车、折返等，并模拟列车与车站的信息交换；列车按时刻表仿 真运行管理模块则是整个运行过程的管理员，它按照时刻表的要求，协调所有 列车的出库、入库、运行、停站、折返的过程；故障仿真模块则是负责故障的 产生和消除过程的模拟。所有子模块的一般结构如图2 5 。 图2 5 模拟列车运行模块结构图 4 、数据存储和管理模块 构建数字化站场，负责列车运行时刻表、进路搜索，a t s 仿真培训系统数据 库数据一般分为静态的和动态的两种。描述信号点逻辑关系的数据和时刻表数 据构成了系统的静态数据；在系统运行后，不断变化的列车信息、信号点状态 等则构成了系统的动态数据。当然一些动态的数据也可以直接保存在轨道、道 岔、信号机逻辑之中，而无需访问数据库。 1 2 第二章a t s 仿真培训系统开发平台概述 2 4a t s 仿真培训系统开发平台概述 2 4 1 开发目标 前面章节已经提及目前城轨交通所用的a t c 系统存在多种制式，造成与运营 管理有关的列车自动监控( a t s ) 子系统的界面、操作方式各不相同，而且具体 一些功能还有差异。因而，为了培训新的行车调度人员、车站值班人员以及提 高在岗人员业务能力，轨道交通运营企业有需求对每一条线路都提供一套相对 独立的a t s 仿真培训系统。然而，如果针对每条线路的行车培训开发相应的a t s 仿真培训系统，将会出现很大的重复劳动，既浪费资金，也增加了开发的周期。 通过对不同制式a t c 系统的原型分析以及a t s 子系统功能的研究，发现其工作原 理基本类似，a t s 子系统的功能也有很多相似之处，完全可以做到在跨不同制式 a t c 系统的基础上进行统一，抽取一个系统的共性构建通用模型，应用该模型快 速开发a t s 仿真培训系统。 a t s 仿真培训系统开发平台就是针对以上情况提出的。它的目标是建立一个 统一的a t s 仿真培训系统生成的通用模型，提供可视化操作，以“搭积木的方 式或者说以“零件”组装的方式生成所要求的a t s 仿真培训系统。于是，通用模 型负责完成不同制式的a t s 系统底层共性功能的开发，对于它们各自的特性，就 可以通过在平台中应用已开发，新开发或定制的组件来完成。 a t s 仿真培训系统对于整个a t s 仿真培训系统开发平台是相对独立的，也就 是说，作为最终结果的a t s 仿真培训系统与开发平台是生成关系，结果系统的运 行和操作依赖于开发平台提供的组件和数据。当然生成的结果系统可能并不能 完全满足实际的a t s 仿真培训系统需求，解决的办法有两种：1 ) 开发人员在结 果系统上再作一些后续开发；2 ) 平台开发人员扩展a t s 仿真培训系统开发平台 的功能后再开发。 a t s 仿真培训系统开发平台中的“零件”就是组件。组件仓库就像包装了这 些组件的“工具箱”。a t s 仿真培训系统开发平台就是在这组件仓库的基础上， 为a t s 仿真培训系统开发人员提供一个组件配置和组装的交互窗口。a t s 仿真培 训系统开发人员根据实际a t s 仿真培训系统要求在组件库中选出合适的组件并 配置组件的功能和数据，确定组件问的相互关系和通信方式，最终生成必要的 基础数据，应用通用模型构建仿真运行框架，并通过数据接口将基础数据输入 到仿真运行框架，最终生成a t s 仿真培训系统。图2 6 所示为通过a t s 仿真培训系 1 3 第二章a t s 仿真培训系统开发平台概述 统开发平台的开发a t s 仿真培训系统的一般过程。 口 = 1 _ 7 一 獭装 。 i 盟j 、- _ ， ，+ 掣黼 f ，l j ij 山i 沪l j ij 飞强弱露露翟煳 仿真运行框架 ( 应用通用模型： 图2 6 开发平台开发a t s 仿真培训系统过程 2 4 2 总体设计 a t s 仿真培训系统开发平台的主要开发内容包括组件库( 包括组件和组件管 理系统) 以及仿真系统框架的设计和实现。根据实际需要，a t s 仿真培训系统开 发平台由组件管理、仿真运行框架、站场数据生成、g u i 界面组成。这样划分各 子系统有较强的独立性，功能相对独立，可独立扩展。图2 7 所示为a t s 仿真 培训系统开发平台总体结构框图： 图2 7a t s 仿真培训系统开发平台总体结构框图 1 4 第二章a t s 仿真培训系统开发平台概述 组件管理不仅管理组件库中的组件，还要管理在系统中实例化的组件对 象，将两者放在一起是因为组件和组件对象同样是其它子系统的基础，而且将 组件实例化到组件对象的过程也是组件管理的主要功能。组件对象管理这部分 是直接为其它子系统提供服务，而且在a t s 仿真培训系统开发完成之后需随仿 真运行框架一道作为结果系统和核心组成部分。组件对象管理负责在绘图或仿 真运行时提供组件对象生成、销毁、访问的服务，而组件库管理则负责组件的 注册、注销、扩展等。 仿真运行框架提供了仿真运行的框架。在该框架之上提供了通用仿真模 型、故障仿真、控制仿真的统一功能接口，这个框架能提供一些基本的、各种 制式间相对统一的功能，而一些具体的仿真功能则需由定制好组件来提供。也 就是说，仿真运行框架就像汽车的骨架，组件则像定制的引擎、刹车等内部零 件，两者结合才能使汽车跑起来。当然这个框架也具备一定的灵活性，可以由 用户对其做一些配置。仿真运行对组件的访问也需要通过组件对象管理模块。 站场数据生成包括了站场图绘制、生成站场数据、定制仿真监控这几个 功能。用户的绘制、定制、生成的请求经过g u i 界面系统解析之后调用该子系 统提供的这些功能，并通过组件对象或返回值的形式通知g u i 界面修改显示或 通知用户。该系统中对组件对象的操作是通过组件对象管理模块来完成的。 开发平台g u i 界面负责与用户的交互，完成站场图的显示、打印，为 用户提供简单明了的图形交互方式，响应用户请求并将系统信息、错误信息报 告给用户。 2 5 小结 在城市轨道交通列车自动控制系统中，列车自动监控( a t s ) 子系统是其中 一个重要子系统。a t s 子系统作为a t c 系统中人机交互的终端，主要实现对列车 运行的监督和控制，指挥和监督列车运行，辅助行车调度人员对全线列车运行 进行管理。a t s 仿真培训系统是使用计算机仿真a t s 子系统的工作过程的系统。 对其开发多采用三层的逻辑结构，且仿真系统体系结构也有较为类似的模块划 分。a t s 仿真培训系统开发平台则根据a t s 物理系统构建通用仿真模型，通过组 件技术，向a t s 仿真培训系统开发人员提供一种快速开发a t s 仿真培训系统的工 具。 1 5 第三章软件组件化技术 第三章软件组件化技术 传统的面向过程的程序设计方法也是结构化程序设计方法，它遵循面向过程 的问题求解方法，这是面向机器的，而非面向编程人员的，它是用计算机能够 理解的逻辑来描述和表达待解决的问题及其具体的解决过程，也就是说它的重 点只在于机器是否能理解，就直接导致了软件的可读性，可维护性，可靠性， 开发效率差。之后，程序设计方法中又陆续产生了模块化，数据抽象等技术， 在一定程度上缓解了问题，但是，随着技术的发展，软件规模的扩大，这些问 题又尖锐地暴露了出来研制软件的周期过长，可靠性差，维护困难。 于是，面向对象的方法出现了。在面向对象的基础上，程序设计的方法得 到了飞速的发展，产生了设计模式等可复用的软件开发概念，并最终与组件编 程思想结合，形成基于对象的组件软件结构，造就了组件、构件、中间件等概 ，冬 2 0 c o 0 针对各种不同制式的a t s 仿真培训系统的开发过程，a t s 仿真培训系统开发 平台的设计结构的层次化、模块化的特点，而且各种模块结构有很多的相似点， 使用组件化的软件技术是一种理想的选择。 3 1 面向对象的软件开发 对象是将一组数据和作用在它上面的一组操作或过程封装在一起组成的实 体。面向对象问题求解关心的是包含所有过程的系统，它能够使计算机逻辑来 模拟描述系统本身，包括其组成、各种可能状态以及系统中可能产生的各种过 程与过程引起的系统状态切换它代表了一种全新的程序设计思路和观察、表 达、处理问题的方法。 面向对象方法的显著特点是：它更接近于人类的思维规律，因而设计出的软 件系统能够更直接、自然地反映客观现实中的问题。客观事物是由不同的对象 所组成，每一对象都有自己的运动规律和内部状态，不同对象之间的相互作用 和相互通信构成了完整的客观世界。因此，它降低、分解了问题的难度和复杂 性，提高了整个求解过程的可控制性、可监测性和可维护性，从而达到以较小 代价和较高效率获得较满意效果的目的。 针对软件开发的僵硬和重用率低，人们又提出了面向对象软件开发的原则： 1 6 第三章软件组件化技术 1 ) “开一闭 原则：系统应该在不修改己有源代码的情况下扩展系统，改变 模块行为，即将系统的可变因素封装起来。 2 ) 里氏代换原则：一个软件实体如果适用于基类的话，一定可以适用于子 类，它是对“开一闭”原则的补充。 3 ) 依赖倒转原则：依赖于抽象，而不要依赖于具体。抽象是基础，抽象决 定具体，所以要依赖于抽象。也就是说，要针对接口编程，不要针对实现编程。 4 ) 接口隔离原则：使用多个专门的接口比使用单一的总接口好。 5 ) 合成聚合重用原则：在一个新的对象里面使用一些己有的对象，新的对 象是通过向这些对象的委派达到重用已有功能的目的。 6 ) 迪米特法则：一个对象应当对其它对象尽可能少的了解。 总而言之，面向对象软件开发必须以不修改原有已开发好的软件，通过扩展 来增加新功能，实现“即插即用”为目标，以基于抽象设计实现，基于数据封 装、继承、多态这些面向对象的特性，封装可变性，模块间尽量减少通信为手 段，达到很好的可扩展性，可维护性，可管理性晗。 然而设计面向对象的软件是比较困难的，而设计可复用的面向对象软件就 更加困难。于是有识之士又提出了设计模式的概念乜引。 模式是人脑把握和认识外界的关键。模式化的过程是把问题抽象化，忽略 了不重要的细节后，发现问题的一般性本质，并找到普遍适用的解决方案的过 程。模式的本质便是抽象：对问题的抽象，对环境的抽象，对最优解决方案的 抽象。它是对具体问题、环境、最优解决方案的总结，经过提炼出公共要素后， 在更高一个层次上对它们进行再现。模式所描述的问题及问题的解答都应当具 有代表性。虽然问题及问题的解答以不同的形式重复出现，但其本质一样。 模式是一种思想，它在特定的环境中起作用，并且也可能在应用于其它环 境中，它们都有以下共同特征：模式来源于经验，但高于经验；模式总是以一 种结构化格式记录的形式出现；模式的出现实现了重用，避免了重新设计；模 式的本质是抽象，所以存在于不同程度的抽象当中；模式并不是一成不变的， 它也在不断地被完善，最优实践是过去的最优，因而它是会随着技术的发展而 发展的；模式可以用来交流设计和指导最佳实践；多个模式可以一并使用，以 解决复杂的问题。 1 7 第三章软件组件化技术 3 2 软件重用技术 软件重用就是以已存在的软件为基础创建新的软件系统的过程瞳4 1 。软件重 用的目的，就是在新系统开发中不必一切从零开始，以己有的工作为基础，充 分利用过去应用系统开发中积累的知识和经验，从而将开发的重点集中于应用 系统的特有构成成分上瞄3 。随着计算机应用领域的不断扩大，特别是应用系统 软件的规模及其复杂性也在不断加大，软件重用是提高软件生产率和软件质量 的一个有效途径。软件重用已成为国内外软件产业界的研究热点，并取得了一 定的成果。 软件资源的重用，不单纯是软件代码的重用，还包括系统的结构、系统的 各类文档等都可以重用。随着可重用技术的发展，可重用组件、标准组件、软 件开发工具等的丰富，除了代码重用之外其它重用的途径显得越来越重要。 可以从3 个不同的方面来看软件的重用。从应用范围来看，重用可分为特定 应用，特定应用域和普遍适用三个层次瞳5 | 。普遍适用是指满足一般需求的生产 管理信息系统的参考原型，具有可实例化的不同层次的系统组件和相对稳定的 逻辑结构，重用度最高；