（交通信息工程及控制专业论文）城轨列车运行监控仿真系统.pdf

孓8 7 9 s g ，莛薹錾婆盔兰翌主堂莲整墨 摘要 圈麓，丈城市在交邋上融缝显示出了严峻的问题，而商可靠、商 效率、蠢密度熟城市魄道交通系统蹩勰决交邋瀚透的羹要手段。尉s 系统俘为城鞔艚c 系统的一个蘸要鳃成部分，对a t s 系统的研究篷穰育 必要的。瞧在实际运瞽系统上 乍轿究翻测试鸯禳大灞罐，掰强弼计舞 机仿真的手段，通遥剿车自动控制系统仿囊平台对勰s 谶彳亍戮究是篡 有琥安懑义辩。 本文基予北京市菜地铁线分柝了誊藩城赣交遇烈攀自渤控制系 统槁溅、功能、特点等，著译纲阐述了仿真方察及功髓实现熙鼹，并 给予钫嶷实躐。本傣爨系绞跫一个分布式交夏系绫，熬个仿真系统的 结擒主要出溺度中心、联锁戆秘车潍设备三个子系统铵出上鬻下韵簇 次终掬缀成。 在仿真系统分橱的基确上，本仿囊系统避行了系统侪囊逻辑实现 设计，系绞实侮旗鬓设诗，效键文本文件设计、数据痒设计霸数攥缭 狗存髓设计，潮车傍真运行嚣法设计，以及s o e k e t 越僖接鞠秘爆形界 面接弼等系统搂舀设计。系统运蹋多线程授术氍对镩控制鼓零实瑰了 全线列车韵仿舞运行；在列车仿真送行中，实瑰了囊韵进路控制功越； 并遮翔t e p l 蹦信技术实现了站阚率次传递鞠王髂湛灏售恩互访等 功熊。 关键谲；a 聃a ：r e 分布式交甄系统矧车仿冀遥行s o e l ( e t 北京交通大学硕二e 学位论文 a b s t r a c t n ow t r a m cp m b l e mi sv e r ys e r i o u si nb i gc i t y ，h i 曲e m c i e n c ya 1 1 d h i g hd e n s i t yc i t yr a i l w a yt r a 伍cs y s t e n li sn e e d e dt os o l v em i sp r o b l e m a t si sa ni m p o r t a l l tp a no fa t ci nc i t yr a i l w a yt r a m cs ”t e m ，a i l di ti s v e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ea t ss y s t e m b u t ，i ti sv e r yd i m c u l tt h a tw e d oo u rr e s e a r c ha n dt e s ti nt h er e a l 肌dw o r k i n gr a 订w a yt r 锄s p o r t a t i o n s y s t e m s ow ed ot h es a m et h i n gb yau n i v e r s a ls i m u l a t i o ns y s t e m ，w h i c h w eb u i l du pf o ra t s ，i tw i l lb es i g n i f i c a t i v e t h ep a p e ra n a l y z e dt h es t n l c t u r e ，f i l n c t i o n sa n dc h a r a c t c r i s t i co f t h e a t ss y s t e mb a s e do nt h er c s e a r c ho f b e 巧i n g sc e n a i ns u b w a y ，a n d e x p o u n ds c h e m e ，m e t h o di nd c t a i la i l dh o w t oi m p l e m e n t e di n1 a b t h i s s i m u l a t i o ns y s t e mi sd i s t r i b u t e dh l t e r a c t i v es y s t e m t h es t m c t u r ei sm a d e u po f c e n t 瓯i n t e r l o c ks t a t i o na 1 1 ds t a t i o ne q u i p m e n t s t h es t m c t u r eo f m e s et h r e es u b s y s t e m si sb a s i p e t a l b a s e do nt l l es y s t e ma 工1 d i y s i s ，m el o g i s t i cr e l a t i o n 锄o n gm e s u b s y s t e m sw a sd e s i g n e dt of h n c t i o n a n dr e a lo b j e c tm o d e l s ，d a t u mt e x t d o c u m c n t ，d a t a b a s et a b l e ，d a t as t m c t u r e s ，t h e 撕1 1 1 1 c t i co f 仃a i nm o v e s i m u l a t i o n ，s o c k c ta n d 掣印h i c a li n t e r f a c e sa r ea l s od e s i g n e d t ot h e 如n c t i o n ，f i r s t ，t 1 1 es y s t e mc a ns i m u l a t e da l lt h et r a i nm o v i n go n1 i n ew i m t h et e c l l l l 0 1 0 9 yo f m u l t i t t l r e a d i n ga n dc o m p u t e rc l o c kb l a c k o u t ；s e c o n d ，t h e s y s t e mc a n 仃a n s f 色rt r a i nn u m b e rt on e x ti m e r l o c ks t a t i o nw i mn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n s ；t h i r d ，t h es y s t e mc a nh e l pt ot r a n s f e r si n f o n l l a t i o n b e t 、e e ns t a t i o n s k e y w o r d s ：a t s ，a t c ，d i s 啊b u t e dh l t c r a c t i v es y s t e m t r a i n sm o v e s i m u l a t i o n s o c k e t 北京交通大学硕士学位论文 第一章概述 目前，城市发展集中在城市中心区，交通阻塞、乘车难也主要反 映在城市中心区。地铁轨道交通运量规模大、受干扰小，能够做到快 速、正点运行，是进行大城市客流运输的有效手段。为了实现列车安 全、快速、正点运行的目标，必须采用安全、稳定、可靠的行车运行 控制系统，以保障故障灾情的及时排除和行车误点的及时纠正。随着 科学技术的发展，城市轨道交通a t c ( 列车自动控制) 系统得到了全面 的发展，计算机网络、信息通信、自动控制等技术在a r c 系统中得 到了广泛的应用，a t c 系统不但完成对列车速度的自动监控，保证列 车的安全，而且能够指挥行车，提高运营效率。 地铁a t s 系统是a t c 系统的核心子系统，是一种实时监控系统， 负责实现a t c 系统的调监功能。它采集列车运行信息和线路设备状 态信息，并把这些信息以生动的画面进行动态显示，供调度工作人员 对全线列车的运行进行实时监控。 城轨a t s 系统是城轨交通行车安全正点的有力保证，在当前城 轨交通系统中发挥着重要的作用，在将来的地铁等轨道交通发展中有 着广阔的应用前景，然而，当前国内还没有开发出完整的a t s 系统， 国内轨道交通使用的a t s 系统都是从国外引进的，在城轨a t s 系统 方面的研究还比较少，为此，我们有必要在实验室平台上以地铁为对 象对a t s 系统做系统的仿真研究工作，。 这一章里将主要介绍a t s 系统，并阐述对其发展前景及仿真研 究的意义。 1 1 地铁轨道交通控制系统构成 地铁轨道交通控制系统通常包括两大组成部分：联锁装置和列车 运行控制系统。联锁装置是信息采集、信息传输和信息执行的基础设 北京交通大学硕士学位论文 备，由道岔、道岔转辙机、轨道电路、信号机和电气集中设备等紧密 结合而成，能够对信号机、道岔进行联动控制，实现对列车运行进路 的控制。 联锁装置是整个控制系统的硬件基础，列车行车控制系统是地铁 运输控制自动化系统的核心。其中列车行车控制系统是基于联锁设备 之上的上层建筑，它从联锁设备采集信息并显示信息供决策者进行决 策，同时能够接收决策者的命令信息并执行。 列车自动控制f a t c ) 系统为现代信号系统，主要包括列车自动防 护( a r p ) 、列车自动监控( a t s ) 与列车自动运行( a t 0 ) 等子系统，乃至 无人驾驶( d r i v e r l e s s ) 列车控制新技术，如下图所示。具体介绍如下： a t c a t p ( a u t ot r a i p r o t e c t i o n ) i ( 对列车驾驶进行防护实现对列车间隔保护、超速防护等功能) r 。一 a t o ( a u t ot r a i no p e r a t i o n ) l ( 月i 信自女m 目辄日、d 动前控目e * 镕a 下的自自# # r fa t s ( a u t ot 朋i 丑s h p e n ，i s i o n ) i i - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 、- - - - - - - - - - - - - _ j ( 对，幛运行进行监督和控制，辅助调度人员对全线列车运行管理) 图1 1 列车运行控制系统结构图 其中，a t p 、a t 0 的重点是车载设备，监控列车驾驶；a t s 重点 是地面系统，监控地面设备，重点之一是自动排列车进路。 1 1 1 、列车自动防护系统( a t p ) a t p 为整个a t c 系统的安全核心，负责列车间的安全间隔、超速防 护及车门控制，主要包括轨旁联锁( 车站与区间) 、车载等设备。主要 有车载测速测距设备、列车紧急制动系统和通信设备等构成，主要对 列车驾驶进行防护，实现列车的最小间隔距离防护和列车超速防护， 北京交通大学硕士学位论文 防止列车超速运行和发生列车追尾事故。 列车自动防护系统是实现列车联控追踪的前提条件和列车安全 追踪的重要保障。 1 1 2 、列车自动驾驶系统( a t 0 ) 列车自动驾驶是列车自动控制的最高境界，是列车运行自动化的 发展方向，能极大的降低列车司机的劳动强度和避免因司机失去警惕 后造成的列车运行事故，保证列车的高效快速运行。其主要有地面信 息系统、通信设施( 地面和机载) 以及列车驱动、制动系统构成。其 主要功能： 1 ) 自动调整列车速度； 2 ) 自动在车站准确停车； 3 ) 自动在区间执行信号停车和停车后的再启动； 4 ) 自动显示门状态和门控制； 5 ) 自动形成惰性控制以满足运行图的要求( 结合a t s ) ： 6 ) 自动进行诊断并给出报告。 1 1 3 、列车自动监控系统( a t s ) a t s 子系统是整个运行控制系统的最上层，也是运行控制的核 心，它通过信息采集设备，实时动态显示列车的运行状态和线路占用 情况，为列车调度人员和现场管理人员提供清晰真实的动态画面，供 工作人员对整个运行系统进行实时监督，并接收管理人员的命令进行 实时响应，控制调整列车的运行。 a t s 系统主要由控制中心计算机系统和车站设备组成共同完成对 列车的运行管理和监控控制中心主妥由a t s 计算机系统。行车调度 员、调度长、故降诊断与雄修以及培训系统等工作站，棋拟盘或其它 大型显示装里，通信接口i q 备等组成，并用局峨网将这o 设备连接起 来。软件系统为徽块结构，由不同功能的软件模块组成。中心与车站 北京交通大学硕士学位论文 设备之间通过通信系统联接。 a t s 系统的主要功能如下： 自动执行计划运行图，指挥列车按图运行； 自动排列列车进路： 自动调整列车运行计划； 自动显示或描绘列车实迹运行图； 列车运行、设各状态的自动监视； 自动进行列车运行数据的统计、为车辆管理提供依据； 列车运行模拟及行车调度人员的培训功能； 具有旅容向导功能； 中心计算机故降时可降级使用，转为中心人工控制或车站控制 运行图的编较功能； 与其他系统接口等。 1 1 4 、车站分机系统 车站设备是整个系统的底层支撑，主要有联锁设备和信息采集设 备构成，实现线路进路的控制和线路各设备元件状态信息的采集。联 锁设备目前主要运用微机联锁，信息采集设备一般是可编程控制器。 车站设备接受控制中心或车站a t s 分机的指令，实现进路控制、 乘客向导和车站发车等自动控制，并通过车站和轨旁设备完成向信号 车载设备传送线路、列车位置、速度和运行调整等列车控制所需信息 或指令；同时也接受车载设备发送的车载a t c 设备的状态、车号、 目的地等信息。列车对地信息，通过车站a t s 分机传送至控制中心 和车辆段a t s 分机，实现车辆修程及乘务员管理等。在a t s 系统中 结构如下图： 北京交通大学硕士学能论文 图l 一2 城孰列车运彳亍调度指撂系统硬传结构图 车站分规系统是辘遂交遥控剿系统夔重要缀残部分，楚孰道交通 调度管理人员进行列车调度和行车管理的有效手段，是本篇论文介绍 的重点，在下一节姆详缨介绍。 1 。2 国内外地铁a t s 系统状况及其仿真意义 1 2 厶国杰外地铁a t s 系统的发展状况 城市轨道交通的诞生和发展已有l o o 多年历史。据粮路统计，已 北京交通大学硕士学位论文 有5 0 个国家建有3 6 0 条轻轨线路。大城市逐步形成了以地下铁道为 主体，多种轨道交通类型并存的现代城市轨道交通新格局。目前地下 铁道运营线路超过1 0 0 k m 的城市已有十多个。 随着轨道交通尤其是地铁交通的飞速发展，人们不但要求交通的 快捷、有序，而且对交通安全越来越重视，因此对地铁和铁路的调监 系统提出了越来越高的要求。伴随着近代信息化、自动化技术的空前 发展，法国、德国、美国等西方国家利用自身的自动化技术优势，研 制出了非常可靠、安全、稳定的a t s 及其相关车站分机系统，并大 量应用于实践，技术已趋于成熟。然而，我国城市特点不同于国外， 我国大城市人口密集，交通流量大，无法照搬照抄国外的用法，并且 设备技术引进成本大运营费用高，不利于降低工程造价和技术产品国 有化。 目前我国已有很多大城市已建有或正在修建、拟建地铁，以北京 为例，北京为了解决2 0 0 8 年奥运带来的巨大交通流量，将斥巨资来 拓展轨道交通，到2 0 0 8 年形成合理的轨道交通网络。由北京市建设 委员会提供的资料显示，当前北京在建的地铁线路4 号线、5 号线和 1 0 号线，总里程已达到8 8 公里多，总投资已超过4 0 0 亿元。另外我 国的一些大城市诸如上海、广州、南京等城市都有在建或拟建地铁项 目。由此可见我国的地铁正处于飞速发展阶段。 尽管我国的地铁交通发展迅速，但我国采用的地铁调监控制系统 大多引进外国a t c 系统，例如北京引进英国西屋公司，广州引进德 国西门子公司，上海引用法国公司等等，因此，我国在地铁调监系统 方面的技术起点还比较低，在系统造价和运营维护方面的费用成本还 比较高。 虽然我国在地铁调监方面取得了突出成就，但在地铁a t s 系统 方面的研究和探讨还相对比较少。 1 2 2 、地铁a t s 系统的发展前景及仿真意义 目前我国国内超过1 0 0 万人口的大城市已达3 5 座，普遍出现交 北京交通大学硕士学位论文 通拥挤，环境恶化，严重制约了社会与经济的发展。建设部提出“拓 宽空间利用条件，重点发展以轨道为骨干的公共交通网络”。国际公 共交通协会( ui t p ) 也提出大力发展具有大、中客运能力的轨道交通 方式。可以预期，未来的几年城市轨道交通将出现个新的发展高 潮。由此可见，地铁a t s 系统有着长远和广阔的应用发展前景。 虽然如此，然而我国城市轨道交通信号技术却基本上以引进国外 先进的列车自动控制系统为主，尚未形成国产的a t s 系统。因此利用 国外城市轨道交通信号技术的成功经验和借鉴我国在大铁路调监方 面的发展经验，对地铁a = r s 系统进行仿真研究有着非常重要的意义： 1 ，弥补目前我国在地铁调度监督系统仿真研究方面存在的空白， 为我国地铁a t s ( a u t ot r a i ns u p e r v i s i o n ) 的发展做技术积累。 2 ，仿真真实的地铁调监系统运行，在实验室内完善和加强调监系 统的各种功能，规避可能存在的安全隐患。 3 ，通过仿真研究出更优越的图形界面全程监控动态显示系统，提 高工作人员的工作效率。 4 ，模拟真实的地铁运行情形，为工作人员提供一个调监培训平 台。 5 ，通过仿真研究更进一步促进铁路调度集中系统的发展。 地铁调度监督系统的发展不但关系到地铁现代化管理的进程，也 关系到铁路信号系统自动化水平的进一步提高，是我国信号系统从传 统的独立的联锁设备向数字化、网络化、信息化方向发展的关键一步。 北京交通大学颧士学位论文 第二章a l t s 系统仿真分析 2 1 系统仿真概述 嚣蘸我国虽然正处予辕道交逶静毽遗发震除羧，僵我遁城市鞔道 交通信号技术基本以引进国外先进的列车自动控制系统为主，尚未 形藏完整瓣鏊产豫系统，藏为我阉垂嚣发震辕遂交遴事韭豹技术簸 颈，因此我们要利用国内外轨道交通信号技术，尤其是我国大铁路信 号控割系绕熬残凌经验，结台我灏城市软遂交通豹特点塞行磅究秀 发适合我圊国情的信号控制系统。 系统傍奏技术邈其经i 莠牲、安全蛙、蜀重曩燃等特点嚣褥至l 广泛 应用。而面向对承的方法则能有效提高仿真模型的灵活性、兼容性、 可修改性及模块化。这样媳系统也可解决调度员墙训闽题，与在实际 装置上进行培训相比，具有自由安誊阼、可进行重复性训练、节约时间 与经费等优点。 2 。1 1 、控制系统仿真的基本概念及原理 从仿粪的角魔来看，a t c 系统是一个欺型的控制系统。控制系统 仿粪是2 0 髓纪5 0 年代发震怒来酶，为建立在控鬟系统穰蝥萋硇上静角 于验证系统动态性能的过程实验。用仿真的办法能形象地艇现控制系 统豹运章亍过程，可以零予系统方案论证，选择系统结稳参数，验渡系 统性能指标等。 当兹，控裁系统蛰奏主要春嚣大类：数学仿真秘凌理镑奏，在数 学仿真中应用较多的又是计算机仿真。 诗算枫仿真就是运用数字计雾艇求菸数学模裂熬过稷，孛# 为一门 投术学科，随着计算机硬件和软件水平的提高，计算机仿真技术已得 到了很大的发展，特别是：【作站在仿真中的应用，工搀站通常具露篱 北京交通大学硕士学位论文 运算速度、大容量存储、高分辩率的显示，具有友好的人机交互环境， 具有优良的图形功能及较强的网络特性这些优点再配上大量的建模 与仿真软件，使数字仿真技术广泛应用于各个领域。 物理仿真是利用物理模型进行实验研究的过程，其模型可以将系统组 成元素的全部或部分作为实物。理仿真因为有实物参与更能反映系统 的实际情况。 a t c 系统仿真实际上是将数学、物理仿真应用于a t c 工程研究各阶 段的过程，可以从a t c 方案论证、系统设计、样机验证直到产品 例行试验。在应用于方案论证阶段时，用简化的系统模型进行数学仿 真，探讨方案的可行性。在设计阶段的仿真也是数学仿真，可看作为 a t c 系统的计算机辅助设计，这一阶段通常以设计好的精确模型为验 证对象，检验系统设计效果，另外，部分仿真软件还可直接用来设计 系统。a t c 样机验证仿真为物理仿真，即某部分组成为实物，其他部 分为模型，通过这种仿真可以检查实物与其模型的差异，同时也当作 a t c 系统的例行试验，在通过了物理仿真后，可以解决a t c 系统存在的 问题。 下图为仿真的a t c 系统原理简图，系统工作模式有正常模式和降 级模式。在正常工作时，通过数字轨道电路、裂缝波导、电缆环线等 将检测到的列车位置数据送至控制中心：在降级模式下，则将列车位 置数据传送至本地a t s ，由车站控制列车运行。 北京交通大学硕士学位论文 图2 一l 用于仿真的a t c 原理简图 2 1 2 、仿真系统实现目标及思路 轨道交通的高安全性要求信号控制系统的高稳定性，它要求我们 不可能在现有的城市轨道交通既有运行线上进行实验，因此为了掌握 这些技术并使它转化为生产力，我们需要在实验室内建立一套完整的 仿真系统。使仿真系统实现以下目标： 1 ) 、完全按照目前北京某地铁线的a t s 系统，在实验室平台上实 现系统仿真再现。 2 ) 、努力把仿真系统做成一个实际应用系统的培训l 平台，能为 将来的工作人员提供实验室操作培训。 3 ) 、在仿真现有轨道交通a t s 系统基本功能的基础上完善和拓展 新的调监功能，如车站设备进行的自动排进路功能。形成更人性化、 更自动化和更有竞争力的新产品。 4 ) 、充分利用我国大铁路c t c 系统的特点和技术积累，为轨道交 通a t s 系统和将来高速铁路的发展作技术积累。 而为了实现上述仿真目标，仿真平台我们采取以下思路进行实 现： 1 ) 、充分研究我国大铁路和轨道交通调监系统的相同点和不同 点，充分利用我国在铁路信号控制系统方面积累的技术经验 2 ) 、充分做好目前我国轨道交通既有运行线路a t s 系统的结构和 功能分析 3 ) 、着眼于未来实际应用，实现整个监控系统的结构仿真和功 能仿真。 按照上述仿真系统实现目标和仿真系统实现思路，我们对轨道交 通a t s 系统进行结构仿真和功能仿真分析。 0 北京交通大学硕士学位论文 2 2a t s 仿真系统结构分析 按照仿真系统实现的思路，我们根据北京某地铁线实际调监系统 运行情况进行a t s 系统结构和功能仿真。 2 2 1 、仿真系统结构划分 在区域划分上，我们保持区域划分不变，整条线划分成如干个区 域联锁站，每个区域联锁有监控台，全线有调度中心，这样可以使仿 真系统与北京一号线调监系统相一致。 在功能层次上，整个轨道交通调监系统主要分为上层信息处理系 统和下层信息采集系统，对于上层主要是的数据库服务器、调监台和 调度台，这些配置或子系统都可以集中安置于实验室内，因此在仿真 系统中可以和实际应用中配置完全一致，并按同样的原理进行系统搭 建。对于下层系统主要是覆盖面积比较大的线路设备以及联锁控制设 备等装置，并且在实际应用中又有很多在线列车的运行，这部分不可 能原样不变的搬到实验室，必须采用相应的仿真技术加以解决。因此， 我们采取上层结构与实际相同，下层结构使用列车仿真机代替联锁设 备和信息采集设备的整个系统仿真方案。系统仿真结构图如下图所 不。 北京交通大学硕士学位论文 图2 2 轨道交通a t s 系统结构图 2 2 2 、仿真系统构成 由轨道交通a t s 系统结构图可知，整个仿真系统由三个子系统 构成，系统的调度中心子系统不变，包括网络传输模式、服务器配置、 调监设备配置以及信息处理逻辑不变；实际系统的下层即车站子系统 由列车仿真机替代，直接仿真生成列车运行时的线路设备状态变化信 息和列车动态运行信息；以及车站设备处理排进路，信号发送等。其 结构如下： 数据库服务器： 储存来自列车仿真机的线路设备状态仿真变化信息、列车运行的 实时仿真数据，时刻表管理工作站的列车时刻表和列车调整信息，调 度台调度命令信息和监控台的运行监控、车次追踪、进路办理以及故 障报警提示等信息，同时接收联锁站的信息读取与存储。 列车仿真机： 取代车站联锁设备和信息采集设备，按照列车在线路上运行时的 线路设备状念信息变化规律和列车动态信息生成规律模拟生成列车 实时运行时从调监系统车站设备采集的信息变化数据，为整个系统提 北京交通大学硕士学位论文 供数据来源，并把信息储存在数据库服务器：接收来自的调度台的调 度鸯令馕恩，对列车的运彳亍进路遂彳亍控制稠办理，并生成鞭的动态信 息传给动态显示系统进行嶷时画耐显示；从数据库下在新的列车时刻 表，避于亍新的仿真数据生成。 率站分机设备仿真： 进行排进路，以及向列车仿真机发送所排进路情况及信号显示情 况。 通信前置机： 通僚蓊置梳的主要任务是与联锁站的设备交换数据，现场设备实 时数据通过通信前置机传送到控制中心，控制中心发出的控制命令通 i 熏逶信蘸鬣辊发往现场设备，双穰热备豹澎式使中心与车潞之瘸熬逶 俗能不间断地进行，保证了系统的可靠性。在通信前置机驻示器上可 嚣示联镂始藜工终羧态，箨瓒系统维护入爨远程臻议系绞备分襁豹状 态。通信前置机- 媳采用双机热备的形式进行工作 遴疫曼台： 调度馈台的主要作用是为调度员提供个人机界面。调度员台从 皇计算捉接收数据，经过强形处理变为懿场显示秘各季申状态的表示。 通过调度崩台，调度员可以监视列车的运行，现场设备的各种状态， 在出现列车运行不正常或设备故障的情况下，能发出报警信息通知调 度人员。接收来自信息处理机的实时动态信息，动态显示列车运行画 蕊；辅助工作人员进行进路控制；实现列车车次实时跟踪照示和管理； 判断设备故障迸彳亍故障报警提示。调度员踅示器鬣示内容包括线路局 部( 可能包括一或二个站) 、关于进路、信号、轨道和道岔的详细信 息，包话设备号釉状态、控制范瀚肉信号设备静教障正常状态、籁 车位置和标识、报警信息等。 调度爱遴能遴过谲魔贯台设鬟各耱靛麓命令，完成调度员霞鬻工 作的各种操作需要。调度员台对命令进行预处理，检查命令合理性， 并将鑫令传给主计算辊懿毽，主诗葵聿晁焚瑾爱将笼理结巢发雀瑗场。 照控台： 接救袋交奉袋镂蘸瘫镕惠廷疆橇懿实时动态继愚，著是示动念运 北京交通大学硕士学位论文 行画面；从调度中心下载来自其它联锁站的动态信息数据，对其它联 锁站的列车运行情况进行查看；对本站列车进路和信号机进行控制； 实现本联锁站内的车次追踪；实现设备故障报警提示。 系统维护台： 系统维护台为维护人员提供功能强大、使用方便的维护系统，以 实现有效的系统维护及网络管理。 路由器： 系统包括了控制中心局域网与联锁站局域网，并通过路由器用来 实现控制中心、联锁站之间的不间断的双向通信，并通过一小段光纤 来模拟现实城轨中的区间网络。 投影仪或电子屏幕： 在控制中心内进行全线投影显示，便于对全线列车的运行进行实 时监控。显示内容：线路布置、站名、列车位置、列车标识( 车次号 和目的地) 、进路状态、信号表示、道岔表示、轨道区段状态等。 其他外部设备： 包括打印机、彩色绘图仪及u p s 电源等。 2 3a t s 仿真系统功能分析 2 3 1 、功能概述 轨道交通调监仿真系统仿照实际系统是由快速局域网、工作站、 高性能微型计算机、先进的输入输出设备组成，按列车时刻表仿真生 成所有列车的实时运行数据，实现对轨道交通调监系统的生动仿真。 仿真系统主要实现以下调监功能： 1 ) 全线站场图铺画显示( 包括单屏显示和一机多屏显示) ； 2 ) 轨道、道岔、信号机和进路状态信息的仿真生成、传输和列车运 行轨迹动态显示； 3 ) 进路和信号机的自动控制； 4 北京交通大学硕士学位论文 4 ) 列车车次追踪和自动报点； 5 ) 列车运行中的运行、设备故障表示、报警提示和自动记录 6 ) 列车运行中列车和线路上各元件的动态数据自动记录； 7 ) 列车运行数据的统计与打印输出； 8 ) 系统的仿真检测与仿真培训： 9 ) 职责与控制范围授权； 1 0 ) 系统重启； 下面针对要实现的仿真功能进行详细分析。 2 3 2 、各仿真功能详细分析 1 ) 站场圈铺画显示： 通过清晰的动态画面对列车运行状态和线路设备状况进行监控， 首先必须实现对线路图的铺画。铺画线路设备元件需要对线路基本数 据进行组织和存储，然后再用程序实现界面显示。本系统以特定颜色 铺画车站站场图和区间线路图，主要包括股道、道岔、信号机等物理 设备元件以及屏幕上需要显示的进路表示、线路上下行方向标志、联 锁站名称和故障报警等功能提示标志以及在线运行的列车。 铺画显示方式分两种即单屏显示和一机四屏显示。 ( 1 ) 、单屏显示： 是以一个联锁站的联锁控制范围为基本显示内容，显示在一个监 视屏上。它主要用于各联锁站的监控台终端显示，只对本联锁站的列 车运行状况、线路设备状态和人工办理进路进行监督和控制。 ( 2 ) 、多屏显示： 用一机四屏卡将四个监视屏连接起来形成一个完整的画面，每个 屏大致显示一个联锁站的内容，因此能同时显示至少四个联锁站的列 车连续运行画面，有利于调度人员对全线列车的实时运行状况进行监 控。多屏显示主要应用于调度所的调度员监控台，负责对全路的运行 状态进行监控。 北京交通大学硕士学位论文 2 ) 状态监视功能： 在控制中心的模拟显示盘上显示地铁系统的运行情况和有关设 备的状态信息。通过运行模拟盘及调度台显示器，能对车辆段线路、 正线车站及区间内的信号机状态、道岔位置、轨道电路状态、进路状 态及开通方向、列车位置及车次、命令执行情况及系统设备状态等进 行监视。当列车运行或信号设备发生异常时，控制中心计算机自动将 有关信息在行调工作站上。 在调监系统的实际应用中，需要对轨道占用状态、道岔正反位状 态、信号机状态、进路占用状态等状态信息和设备故障信息等进行采 集，这些信息主要由可编程控制器从微机联锁设备上提取，经编码和 组帧后，通过通信网络传送到调度中心数据库和各联锁站工作站，由 动态显示系统进行实时显示。这些动态信息主要有： ( 1 ) 站内信号机或区间信号机状态信息； ( 2 ) 车站自动进路和人工进路的办理、占用和出清等状态信息； ( 3 ) 线路轨道电路和道岔状态信息； ( 4 ) 列车车次号显示和车次追踪显示信息； ( 5 ) 车站和线路等设备故障表示信息； ( 6 ) 车站控制及中心控制状态信息； 在仿真系统中，这些信息都不可能像实际运用中那样直接从硬件 设备上采集得到，他们主要由列车仿真机根据列车时刻表，按列车实 际运行时线路各设备元件状态变化的规律和列车进路开通、占用、出 清的工作原理，生成列车动态运行的仿真数据，同时完成数据的传输 和列车运行轨迹的动态显示。 3 ) 进路和信号机的自动控制： 系统需要根据实际运营要求以及系统运行状态采取不同的进路 选择方式。系统可根据联锁表、计划运行图、列车识别号及列车接近 条件自动生成、输出进路控制命令，传送到车站联锁设备，设置列车 进路。 在实际系统运行中，控制方式分为调度中心控制和车站值班员控 北京交通大学硕士学位论文 制两种方式。当系统运行正常的情况下由调度中心控制；当系统运行 失效或需要时可转换为车站控制状态。在调度中心控制方式下，一般 情况下采用自动控制方式，特殊情况下也可设置为人工控制方式。在 自动控制方式下，调度中心根据列车计划运行图( 时刻表) 、车次实 时跟踪和信号机、进路控制状态及应遵循的调度安全要求发送迸路控 制命令。主机在收到控制命令后通知前置处理机采用立即插入传送的 方式下发控制命令，r t u 设备在收到控制命令后通过遥控锁存接口输 出到联锁设备，设置列车进路。在车站控制状态下，车站值班员可在 联锁站控制台上进行进路和信号控制；也可将部分或所有信号置于自 动进路模式状态。 进路和信号控制的主要内容包括： ( 1 ) 人工进路的办理和取消； ( 2 ) 自动进路办理及取消； ( 3 ) 保护进路办理及取消： ( 4 ) 跳发命令办理及取消； ( 5 ) 自动折返办理及取消； 在仿真中，我们设置触发轨和相应的触发进路以及人工可办理进 路，只是列车压上触发轨进行自动进路触发的数据由列车仿真机按列 车仿真逻辑自动生成，其它控制台的界面人工控制功能与实际相同， 控制命令产生的效果以仿真数据生成的形式进行显示。 4 ) 列车车次追踪显示和自动报点： 系统通过跟踪列车对轨道区间的占用情况和区间内道岔的实际 位置自动完成对控制区段内的列车身份确认，并对由现场传来的列车 识别号进行校核。 系统能自动完成正线控制区段内的列车识别号跟踪。当列车由车 辆段或其它地点进入正线运行时，a t s 系统将根据计划时刻表自动给 计划车加入车次识别号。识别号随着列车的走行自动跟踪，至终到站 或返回车辆段离i ( 转换轨跟踪结束。车次识别号可由中央a t s 自动生 成或由列车经设于转换轨和站台区的车一地通信系统向a t s 发出，调 l e 京交通大学硪学位论文 度员可人工修改，包括设定、删除、变更识别号。 在本仿囊系统中，车次号是运章予中翔车麓准一拣悫，菠浚的是捌 车的种类、编组、黛最和长度等，魁铁路现率管理的重要信息源。 a 、车次遣黥 实际中，系统根据采集的轨道占用信息、正线轨道方向信息、列 车遮行诗划褒透露车次爨踪。当翻车避入正线区菠投入运萼亍瓣系统主 机自动赋予列车一个表号和一个车次号，主机将根据列车走行情况实 瑷车次号鑫渤跟踪。娄翻车滋渍调度区段孵其表号帮车次号瞧出溘， 并随列车传掇下一调度区段。列车车次跟踪的结果将以车次报号的形 式在车站曼示羼帮调度员工终楚大麟纂显示瀑上显示，蒡传为实时数 据存入数据庠。 因此车次追踪的主要仿真功能蠢： ( 1 ) 车次号随列车移动的动态婕示 ( 2 ) 列车车次母的自动输入和手工输入 ( 3 ) 列车车次譬在楣邻联锁站阐的自动传递 ( 4 ) 列车通过到达报点。 b 、车次号管理 对在线列车车次号的管理功能主要包括：列车车次号自动生成、 鸯疆擎、减车、修改、替换、弱除、设置等功辘。这些功能中，部分 将通过实时修改数据库中列车发车顺序表来实现，如加车、减车；另 一部分将对驻示戆车次进 亍入工操髂寒实魏，努车次号替黎、设置等。 5 ) 列车运行和线路设备状态仿真信息的自动记录： 实际应蹋中，系统在接救鬟车数疆进行动态显示的霜露，也把遮 些数据存入数据库服务器，这些信息主要是线路各设备状态的变化信 惠、捌车逡鼹熬办毽绩患耪车次号逡黥摄点臻悫，这鉴信惑豹僚存可 以用来对过去的行车状况进行实时回放，也便于系统霾启后的系统愀 复。 在本仿真系统中，信息的记录内容主要鼹列车仿真机按仿真逻辑 生成浆到车实时运行数据羁楣对应捌车运撂鞔迹的线鼹设锯状态交 北京交通大学硕士学位论文 化信息，因此这些信息可以在列车仿真机生成数据的同时存入服务器 数据库。 6 ) 时刻表和运行图功能： 列车运行图是列车调度自动化的基础，也是运营计划人员意图的 直接体现。时刻表编辑器在计算机的辅助下自动完成列车基本时刻表 和运行图的生成。由调度员输入基本数据，包括当天运营起始及结束 时间、不同列车运行间隔的时间分段、各时间分段内的列车运行间隔、 各车站停车时间、各区间列车运行时间等，由计算机辅助自动编制基 本列车时刻表和运行图。若运行上有要求，结合线路布置可以先编制 局部区段的基本运行图，计算机可自动合成为全线的基本运行图。运 行图编制过程中能自动进行冲突检查，并给出明确提示。基本运行图 编制完成后，按不同种类( 包括平日、节假日、特殊情况等) ，存入数 据库内，以备调度员随时调用。存储在计算机内的基本运行图不少于 1 0 种。 每天运行前由调度员从计算机内调出一个基本运行图，经调度员 确认或修改后，即成为当日列车的实施运行图。各列车按此图进行运 行。在调度员工作站上，能将当时的实施运行图、实绩运行图用不同 颜色在一个画面上显示。 7 ) 监控台与调度台的实时通信： 调度员由调度台通过网络通信向监控台发送调度命令，监控台解 析收到的调度命令通过列车进路控制对列车运行进行控制。 8 ) 系统的仿真检测与仿真培训模拟： 本仿真系统具有在线及离线工作状态的模拟培训设施，在离线工 作状态时可作为培训列车调度员及维修人员之用，可以根据列车计划 运行图和列车时刻表仿真列车的实时运行状况，同时人为的设置各种 故障情况以对调度人员或车站工作人员进行在线培训；在在线工作状 态时，在一台计算机上运用一定的规则模拟生成仿真数据，并通过网 络通信把实时模拟数据传给本软件以检测本软件的运行是否正确，可 作为试验及调试a t s 系统的工具。 j b 京交通大学硕士学位论文 9 ) 职责与控制范瞬授权： 系统镑理入爨能在任工作站上对其短工传站进彳亍职责授权及 控制范围授权，柱调度中心主机输入按职责分类的系统操作入员口 令，实现操作登记进入和退出确认。 l o ) 系统邋启： 系统运行遇到故障发生甄机等状况需爱重启对，震能够自动像存 重佶前的所有实时信息，待机器重启后又能够根据傈存的实时信崽和 一定的列车运行规则正常艘示当前的全线运行状态 北京交通大学硕士学位论文 第三章a t s 系统仿真设计 从上面的组成结构分析可以看出应该是一个具有三层结构的分 布交互式仿真系统。调度系统需要底层采集列车运行中线路设备的占 用信息，通过局域网传给联锁站和调度中心的监控台，然后由监控台 进行实时显示。在实验室中，无法对线路设备的状态信息进行采集和 传递并进行调监显示。因此，只能依据列车运行过程中线路设备状态 变化规律，生成列车仿真运行数据，在调监画面中显示，来实现列车 的仿真运行。这种仿真方法，显示模块比较简单，只执行对实时信息 的界面刷新显示。下面将结合仿真系统要实现的功能、特点以及各功 能模块实现中涉及到的实体对象及其模型对调监仿真系统进行详细 的分析设计。 3 1 系统仿真逻辑设计 由上述两章对轨道交通实际调监系统和仿真系统的结构分析和 功能分析得知，仿真系统主要由列车仿真机、调监台、时刻表工作站 和数据库服务器构成，实现动态画面显示、列车仿真运行、列车车次 追踪、列车运行调整、列车故障报警和列车信息自动记录等功能模块。 因此为了顺利实现仿真系统的这些功能，我们首先对各系统模块间的 逻辑关系做如下设计，并对各模块的逻辑实现做简单说明。 3 1 1 、系统模块划分 首先，建立个列车运行数据仿真生成机，仿真生成机根据列车 时刻表和线路设备有无车占用规则、进路信号机控制规则和列车行车 规则等，模拟生成实际列车运行时的列车信息和线路设备状态变化信 息，并把这些信息传给调监台进行动态画面显示。监控台显示模块每 北京交通大学硕士学位论文 隔一定时间通过接收端口，接收列车仿真机生成的上述信息数据，并 生成实时动态画面，同时把数据保存到服务器的数据库中。该种方法 适用于对全线进行监控显示，能比较真实的对全线列车进行仿真运行 模拟，并充分体现调度中心调度指挥的特点和实现逻辑。 总体上说，系统由列车实时行车数据仿真、站场图铺画与列车运 行监视、列车车次追踪、列车运行调整、列车进路控制、列车运行动 态数据自动记录、列车运行数据统计、列车运行图编制及管理模块构 成。仿真系统的组成结构如下图所示： 列车运行数据仿真乘客流数仿真 tt i 上上 1 网络l i 站场图铺画与列车运行图 i 列车运行动态 l 通信rr 列车运行监视编制及管理 1 7 l 数据自动记录 l 数据1 列车运i 进路i 列车车次 1 处理| 1 | 7 行调整i 控制l 号追踪 ；- f 列车运行数 千t ； l 据统计模块 +上 故障设置模块数据库系统 图3 1 城轨调度指挥系统软件结构图 ( 1 ) 列车实时行车数据仿真生成子系统 列车仿真运行是列车仿真机的主要功能，它根据仿真运行各种规 则生成系统所需要的列车信息和线路设备状态变化信息。为了最大真 实化列车的全线运行情形，提出了列车实时运行数据模拟生成法。具 体实现将在仿真运行功能实现中得到详细说明。 ( 2 ) 乘客流数据仿真 乘客流数据仿真子系统，它制造出乘客的出现与消失。乘客被假 北京交通大学硕士学位论文 定根据预先设定的o d 数据来出现在车站上并具有相应的出行目的。 调度员能够人为设定多种o d 数据并且变换它们。它将使实时变化的 乘客流的模拟成为可能。并且可以根据给定的o d 数据对列车拥挤状 况进行评估。乘客流数据仿真予系统可以根据原始设定的o d 数据派 生出两张表。一张是在各车站的乘客数量表，另一张是在每趟列车上 的乘客数量表。通过与列车实时行车数据仿真生成子系统不断进行消 息通信，可以做到二者的协调同步。二者必须共享仿真时钟，并且乘 客流数据仿真子系统将影响列车的停站时间，从而对列车的整体实时 运行产生影响。 ( 2 ) 站场图铺画与列车运行监视模块 利用可视化的图形再现列车的运行轨迹，用不同的图形形状和颜 色表示不同的线路设备及其状态，便于工作人员对站内、站间内的运 行列车和线路设备被占用情况进行查看。列车运行监视模块要实现一 个友好的人机界面，需要实时、动态地显示列车运行状态。显示的依 据是列车运行模块计算出的列车运行数据，数据库中的各种静态数据 以及实时显示收到的调度指令。 ( 3 ) 进路控制模块 包括自动进路控制a r s 和人工办理进路功能。利用仿真软件，重 点解决实现道岔、信号、进路之间的联锁，自动闭塞区段通过信号机 之间的联锁关系。 ( 4 ) 列车运行图编制及管理模块 在计算机辅助下完成对列车基本运行图的编制，包括时刻表的产 生、修改，计划时刻表与实际时刻表的比较，运行图的显示和打印。 编制基本运行图时由调度员输入基本数据，包括各区间运行时间、车 站停站时间、运行间隔、起始和终到站、时间段等信息，由计算机辅 助自动编制基本列车时刻表和运行图。调度员在编制列车时刻表和运 行图时，能随时有效地进行人工修改，运行图在编制过程中能自动进 行冲突检查，并给出明确提示。 基本运行图编制完成后，按不同种类( 包括平日、节假日、特殊 情况等) ，存入数据库内，以备调度员随时调用。每天运行前由调度 北京交通大学硕士学位论文 人员调出一个基本运行图，经调度人员确认或修改后，即成为当日列 车的实施运行图。 ( 5 ) 运行图调整模块 运行图调整模块在列车偏离运行图时，判断列车的运行状态( 早 点、晚点、故障等) ，通过列车运行图调整生成新的列车时刻表，发 出调度指令，使列车尽快恢复按图运行。列车调整功能，包括自动列 车调整和人工列车调整。在列车运行发生偏差时自动发出偏差报警， 并根据列车实际的偏离情况，自