基于沙盘的城轨控制实验室集中站联锁仿真系统

谢 飞，杨 扬

（西南交通大学 信息科学与技术学院，成都 610031）

近年来，随着城市轨道交通相关技术的迅速发展和与多学科的融合，集教学、培训及技术服务为一体的城轨综合实训平台已成为国内一些交通院校在轨道交通学科建设的重点项目。本文研究的内容源自于西南交通大学城市轨道交通控制及通信平台实验室，该实验室是以城市轨道交通为主、高速铁路为辅、管控一体、理实结合的综合实训平台。集中站联锁系统作为该平台的重要子系统，包括沙盘模型和联锁仿真软件两部分，实现在各车站间的联锁条件检查、进路建立、信号设备控制以及进路锁闭与解锁，并把线路状态真实呈现给仿真人员。由于进路与道岔、信号机、轨道之间的控制关系复杂，集中站联锁系统的仿真也成为了仿真平台实现的难点之一。本文以沙盘地铁2号线中的两个集中站为例，利用UML（Unified Modeling Language，统一建模语言）对系统进行建模分析与设计，从系统的功能需求、总体设计、详细设计及编程实现等方面用图形化语言进行严格的描述与定义，结合Visio绘图工具建立系统不同设计阶段的可视化模型，提高了系统开发的效率。

1 集中站联锁系统功能简介

1.1 城市轨道交通控制及通信平台介绍

城市轨道交通控制及通信平台是结合轨道交通控制、计算机仿真、现代通信等技术的综合培训系统，以信号控制、通信网络及沙盘动态模拟仿真为依托，把城市轨道交通和高速铁路两部分有机地结合在一起，具有可操作性强、系统集成度高等特点，属国内高校首例。系统能真实地仿真城市轨道交通、高速铁路运输管理以及相关通信过程，为轨道交通运营的模拟仿真和相关技术人员的培训提供技术服务。

该仿真平台的城市轨道交通部分是以成都地铁1、2线为原型设计，分为6个子系统：控制中心子系统、ATP/ATO模拟子系统、沙盘模型子系统、集中站联锁子系统、车辆段模拟子系统、列车模拟驾驶子系统。这些子系统以数据库服务器为基础，从中获取列车模拟运行与操作所需的线路基础数据，各子系统间的信息交互通过综合通信平台实现，图1是城市轨道交通控制及通信平台的结构图。各子系统通过有线或无线局域网络实现各仿真软件与沙盘间的联动控制，真实还原了具备基于CBTC功能的城市轨道交通模拟系统。

图1 城市轨道交通控制及通信平台的结构

1.2 集中站联锁系统功能概述

1.2.1 上位机界面的显示功能

系统能准确完成列车实际位置、集中站范围内的线路图、轨旁信号设备以及为列车排列的进路等显示，根据《ATS符号定义》：（1）区段显示：空闲时呈黄色，占用时呈红色，锁闭时呈绿色，故障时呈灰色；（2）道岔显示：道岔在定位时开通定位位置，道岔在反位时开通反位位置，显示与区段一致；（3）信号显示：故障时呈灰色，开通直股进路时呈绿色，开通弯股进路时呈黄色，禁止信号呈红色，引导信号为红色+黄色，尽头信号机保持红色。

1.2.2 进路自动排列与解锁功能

系统接收到列车由沙盘发回来的位置信息（IC卡号）后，判断列车是否压入触发区段，若是则检查进路是否能够排列，若能则排列进路并锁闭，列车出清后，相应区段自动解锁。

1.2.3 模拟行车功能

在脱离沙盘的情况下，系统能实现列车的模拟走行，走行过程中，被占用的轨道区段能自动变为红色，且实现联锁的基本功能，可作为教学培训时演示使用。

1.2.4 人工排列与解锁进路功能

在无线通信故障或需要人工干预时，仿真人员顺序按压进路始、终端按钮排列进路，进路开放后，相应信号机灯位与线路颜色发生变化，进路被锁闭，界面与沙盘的信号必须能实时同步动作。人工解锁进路分为两种情况：（1）正常解锁，列车已完全出清某一进路，顺序按压解锁进路、进路始端按钮完成解锁；（2）取消进路，列车并未进入进路，顺序按压取消进路、进路始端按钮完成解锁。

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1.2.5 保护区段与侧面防护功能

保护区段和侧面防护是城市轨道交通所独有的，它代替了铁路中防护道岔、带动道岔和条件敌对等联锁条件，保证了行车安全。在城市轨道交通中，进路由主进路、保护区段及侧面防护3部分构成。保护区段是在主进路外方延伸的一段区段，不属于进路的一部分，但在办理进路时要确保其空闲，防止列车因车速过快而酿成事故。侧面防护是为避免其它列车从侧面进入进路与列车发生侧向冲突，简称“侧防”检查联锁条件时，须重点检查这两项联锁条件是否满足。

2 集中站联锁系统的建模分析

2.1 系统的需求分析

本文采用面向对象的软件建模工具对联锁系统进行需求分析，利用Visio完成对系统模型的构造、可视化和文档化。目前支持UML的工具除Visio外，还有Rational Rose、Together2006等绘图软件。

联锁系统的核心功能是处理联锁逻辑的运算与判断，在联锁处理过程中需调用联锁数据库中的进路表、IC卡号表（存放着线路基本参数）等数据。列车通过无线通信方式将读取到IC卡号发送回来，系统收到后立即查询卡号表并解析出其线路坐标，标定其在上位机界面的实际位置并给出红光带表示。人工排列进路时，系统通过查询进路表判断操作是否有效，若是则读取该进路的进路元素及其状态信息，然后修改这些元素的状态值，完成两个变化：（1）界面的信号设备显示改变，即进路锁闭；（2）通过RS232串口驱动沙盘上的信号设备动作。列车出清区段后，系统应判断收到的卡号是否具有解锁功能，若有则修改信号设备的状态值完成解锁。从需求分析阶段开始引入全面支持UML的Visio工具完整且无歧义地描述上述需求分析，提高软件开发效率，UML描述的集中站联锁系统用例图如图2所示。

图2 集中站联锁系统用例图

2.2 集中站联锁系统的模型框架设计

完成系统需求分析后，本文给出了一种适用于系统仿真的模型，主要包括联锁处理、通信处理、数据库访问、上位机显示、模拟/现场切换5个模块，集中站联锁系统模型图如图3所示。

图3 集中站联锁系统模型图

上位机显示模块为用户与系统交互时提供服务，根据联锁处理产生的显示命令，实时准确地把集中站管辖范围内的路况、列车实际位置、轨旁信号设备状态、进路使用情况、联锁程序运行提示等信息向用户反馈。用户根据实际情况操作鼠标向系统下达进路排列命令交由联锁处理模块处理。界面显示设计完全参照《ATS符号定义》，友好地将更多的信息给予显示，减少人为失误，在最大程度上保证行车安全。

数据库访问模块用于排列进路时向联锁处理模块发送数据库中的进路表与IC卡号表的数据，被解析后用于建立进路。该模块须具备执行大量数据检索与更新的功能，从而保证联锁信息处理的实时性，同时为提高算法可操作性，可在模块设计时将数据划分静态数据与动态数据。

通信处理模块负责系统与控制中心、沙盘模型间的信息传递，系统在通信时有专用通信链路，与控制中心间的通信协议为TCP/IP，采用有线局域网连接，与沙盘模型之间的通信协议为ANSI/EIA-232，采用RS232串行口连接，保证了通信的实效性与可靠性。

模拟/现场切换模块是处理用户根据所处环境选择不同系统模式的请求。模拟模式虽不是系统所需要的设计，但可用于教学演示。在启动系统时，设置一个登陆窗口，向联锁处理模块传达模式切换命令。

2.3 集中站联锁系统的详细设计

联锁系统的各模块间是通过消息机制被动态联系到一起，由面向对象程序设计的思想可知，将系统的各个模块以对象进行描述，并进一步将这些对象聚集成为类的表现形式，UML中采用类图可很好地表示系统的类以及类之间的关系。本系统中，父类为集中站类，它有联锁处理类、通信处理类、数据库访问类、上位机显示类和模拟/现场切换类5个子类，父类与子类之间是聚合的关系。利用Visio软件中的静态结构可描述上面的关系，集中站联锁系统的类图如图4所示。

图4 集中联锁系统的类图

由于联锁处理模块的关键性，它的设计好坏直接关系到系统能否实现具体的联锁功能，联锁处理模块的逻辑判断过程是一个相当复杂的算法，每一步动作都被前面的动作严格约束，采用Visio工具中的活动图能很好地描述其工作流程，联锁处理模块的活动图如图5所示。

图5 联锁处理模块的活动图

3 集中站联锁系统编程实现与测试

3.1 系统的编程实现

由已建立的系统模型，选取的沙盘地铁2号线的2个典型集中站编程实现，用以验证模型和分析设计方法的正确性与有效性，采用VB6.0与SQL2000对系统进行开发。SQL2000实现联锁表和IC卡号表数据的存储，本文的联锁表包括主进路表、保护进路表、侧面防护表。利用SQL2000的企业管理器完成所有数据表的录入工作，从而实现联锁运算关键数据的存储，供系统运行时数据库访问模块调用。

为了理清各个模块之间的交互关系便于开发人员理解，引入UML顺序图对模块间消息投递的时间顺序进行描述。顺序图的纵向表示时间轴，横向轴表示协作中的各独立模块。垂直虚线是模块的生命线，表示该模块是存在的，当模块的过程处于激活状态时，生命线是一个双道线。模块间的交互采用消息投递机制表示，消息的箭头表明消息的类型，系统模型的顺序图如图6所示。

图6 系统模型的顺序图

联锁系统可为列车提供4种级别的控制进路即连续式、点式、联锁以及引导级别，最大限度地提高运输的安全和效率。图7为集中站联锁系统的上位机显示界面。此时在两个集中站间仅有1列车运行，不涉及多列车追踪运行的情况，行车凭证是根据地面信号机的显示，引入人工干预为列车排列进路。界面显示金顶站是站后折返站，而洗象池站是站前折返站，系统接收列车发送回来的IC卡号，实时标定列车位置，图中用红色光带显示，经联锁处理模块处理后，选出进路并上锁，图中用绿色光带显示。界面设有联锁程序运行过程提示框，可以记录整个系统的运行情况，操作人员可以明确当前状况，包括报警信息等。

图7 集中站联锁系统上位机显示界面

3.2 联锁软件的测试工作

测试时遵循两个步骤：（1）在模拟环境下对所有进路进行测试，主要测试进路排列、自动解锁、人工解锁进路以及取消进路等功能，同时注意观察测试时界面上各信号颜色显示及程序运行提示栏的信息是否正确，经过第1步的仿真测试，绝大多数错误可以得到解决，为下一步与沙盘联动后的测试工作做好了铺垫。（2）现场测试时，需在实验室控制台PC机上安装好VB6.0和SQL2000软件，主要测试工作包括：a.进入现场模式后，系统能否根据沙盘信号设备的实际状态初始化界面；b.选路时，沙盘信号设备的状态是否与界面显示保持一致；c.列车越过始端信号机后，信号机能否由绿或黄灯变为红灯；d.列车占用区段时，红光带的标定是否正确；e.列车出清区段后，区段能否自动解锁，解锁后界面颜色显示是否正确。图8为列车在金顶站运行情景界面图。

4 结束语

城市控制实验室仿真平台中，集中站联锁系统为列车在沙盘上各种作业的安全运行提供了保障，能较为真实地模拟城市轨道交通中地铁车辆的真实运营情况，系统能够运用于高校城市轨道交通相关专业的教学。本文从系统框架的角度深入剖析了集中站联锁系统的工作原理与主要功能，采用UML方法与Visio工具阐述了系统需求分析，搭建了系统模型框架，描绘了系统类结构及其关系，并对系统各模块间的交互关系作了详细说明。选取了2个典型集中站编程实现和测试，验证了利用UML方法对系统建模的正确性。

图8 列车在金顶站运行情景界面

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