基于上海地铁1号线的ATS仿真系统列车追踪算法的研究

江星宇，陈运哲，陈永生（.同济大学 计算机科学与技术系，上海 0804；.东华大学 计算机系，上海 0600）

基于上海地铁1号线的ATS仿真系统列车追踪算法的研究

江星宇1，陈运哲2，陈永生1
（1.同济大学 计算机科学与技术系，上海 201804；2.东华大学 计算机系，上海 201600）

介绍了以上海地铁1号线为原型的ATS仿真系统，围绕固定闭塞模型进行展开，以追踪运行的两列列车为对象，分别对它们的追踪过程、运行效果及间隔距离进行了具体的研究与计算。同时引入了联锁系统，详细说明了进路搜索算法和联锁表的设计步骤，很好地体现了联锁系统对列车追踪的安全性与可靠性的重要保障作用。

ATS系统；固定闭塞；列车追踪；间隔距离；联锁系统

0 引言

仿真作为一门综合性学科至今已有50多年的发展历史，利用模型代替实体进行实验的特点令其具备了经济、安全、实验周期短等众多优势。随着计算机技术的高速发展，应用计算机进行系统仿真更是日益受到人们的重视。本文围绕基于上海地铁1号线的ATS仿真系统进行展开，重点介绍了该系统下的信号系统与联锁系统的设计与实现过程。

1 ATS仿真系统概述

基于上海地铁1号线，采用面向对象技术构建列车对象、ATS对象、信号设备对象等，共同完成了ATS系统的各项功能。列车自动监控 （Automatic Train Supervision，ATS）系统与列车自动防护（Automatic Train Protection，ATP）系统同属于列车自动控制（Automatic Train Control，ATC）系统。ATS系统主要实现了列车自动识别与跟踪、监视列车运行和设备状态以及系统故障复原处理等功能。

2 固定闭塞信号系统

2.1 固定闭塞信号系统的定义

上海地铁1号线采用固定闭塞信号系统，通过轨道电路传输控制信息及确定列车位置［1］，闭塞分区的长度和数量决定了线路的通过能力。系统在轨道铺设时按照在轨运行的最差性能要求将线路轨道划分为许多长度不等的闭塞分区，形成追踪列车之间的空间间隔。闭塞分区的数量则是依据划分的速度级别而定。

2.2 固定闭塞追踪模型

三显示列车追踪是一种常见的固定闭塞追踪模型，如图1所示。该模型将线路区间划分为若干闭塞分区，每个闭塞分区的始端设有防护信号机，信号机的颜色依据列车位置而变化，列车运行必须遵从信号机的指示。绿灯表示允许列车按照规定速度运行，此时列车运行前方至少有两个空闲的闭塞分区。黄灯为注意或减速信号，表示列车运行前方有一个闭塞分区空闲。当前方闭塞分区被某一列车占用时，入口的信号机显示为红色，提醒后续列车停车等待。列车的运行速度在三种信号机的显示控制下会逐渐减小，故称为阶梯式分级制动速度控制。

图1 三显示列车区间追踪模型

追踪间隔至少要保证3个以上长度不等的闭塞分区，同时，为了确保不追尾还应加上列车长度，所以列车区间追踪运行间隔距离为：

3 联锁系统

3.1 联锁系统概述

ATS系统同时结合了联锁系统的设计，利用计算机对车站值班人员的操作命令和现场实际状态的表示信息进行逻辑运算，从而实现对信号机、道岔以及进路的集中控制与联锁［2］。

3.2 联锁系统与轨旁ATP

（1）ATP系统防护原理

ATP系统是列车控制系统的关键设备之一，主要是对列车运行实施自动超速防护，以保障列车运行安全。ATP在控制车辆不超过限速的同时，还会尽量保证这些控制操作对司机驾驶的干扰降到最小［3］。其工作过程示意图如图2所示。

（2）联锁系统与轨旁ATP

ATP中的轨旁ATP子系统能够实时监测列车状态，联锁系统通过接收轨旁ATP发送的信息，为列车开放禁止通过信号。同时，联锁会向轨旁ATP发送道岔位置、信号机显示状态、进路设定状态等相关信息［4］。

图2 ATP工作过程示意图

3.3 联锁表的设计

联锁表是铁路车站信号设备联锁关系的说明图表，是联锁系统功能设计的总依据，以下是联锁表设计的详细步骤［5］。

（1）站场数据编辑

将信号平面布置图转换成信号设备之间的基本联锁关系，完成信号平面图中站场数据的输入和转换。ATS系统站场图如图3所示。

图3 ATS系统站场图

（2）进路搜索算法

站场信号平面布置图如图4所示。将信号设备作为信号点，根据其在图中的位置建立站场型数据结构图如图5所示。每个信号点即为节点，由数据场df和指针场pf组成：df用来存放数据块，pf实现节点之间的联系。不同的信号设备需要不同的指针数，比如信号机节点只能与相邻2个节点联接，所以一般只要2个指针指明左右节点的首址即可，而道岔节点必须要有3个指针才能记录相邻节点的首址［6］。

图4 站场信号平面布置图

图5 站场数据结构图

本文采用深度优先搜索［7］（Depth First Search，DFS）算法进行进路搜索。若采用广度优先搜索，每个节点在扩展时无法确定该扩展方向是否为目标节点的方向，造成扩展分枝较多，存储量较大［8］。而DFS在遇到对象道岔标志时会以直股搜索优先，找不到目标节点时再返回沿弯股方向搜索，并且不会保留已经搜索过的未找到目标节点的路径，节省了存储空间。相关算法如下：

//搜索进路，判断是否需要改变方向

（3）敌对信号运算

当两条进路有相互重叠或交叉的部分，不能以道岔位置来区分时，这两条进路互为敌对进路，防护这两条进路的信号机，互为敌对信号机。

（4）进路特征排序

进路搜索算法得到的进路是随机排序的，一般不能直接作为最终的输出顺序，所以还需按照咽喉区、进站口、进路类型等进路特征对已经得到的进路进行排序。

（5）联锁表输出

计算得到的联锁表以Excel表格格式输出（如图6所示），方便后续开发人员共享资源［9］。

（6）联锁表对比审核

为了保证联锁系统的严谨可靠，通常先由多个工作人员共同编制联锁表，再交由审核人员进行对比审核。

图6 联锁表示意图

4 影响列车追踪间隔的因素

在实际的工程应用中，除了信号系统、联锁系统的选择与设计，还会综合考虑运营需求、线路和站间距离等其他因素来最终确定列车追踪间隔距离［10］。

5 结论

本文对基于上海地铁1号线的ATS仿真系统下的固定闭塞列车追踪运行过程进行了研究，总结可知前行列车在运行过程中不受信号系统影响，但会通过信号系统影响后续追踪列车的运行。与联锁系统结合后，ATS又进一步提高了列车追踪与车站通过能力，因此在设计联锁时不仅要突出系统的可靠性，还应结合联锁的故障—安全性能，进一步改善系统的高安全性，最终实现列车追踪的安全与高效。

［1］周艳红，唐金金.高速列车追踪运行过程仿真方法研究［J］.铁道标准设计，2012（8）：116-120.

［2］倪璐舟.轨道交通联锁软件的计算机辅助开发工具的研究与实现［D］.杭州：浙江大学，2008.

［3］冯峥.基于通信的列车自动防护系统（ATP）关键技术研究［D］.长沙：中南大学，2013.

［4］于增明，刘正东.基于通信的列车控制系统中联锁功能的改变［J］.铁道运营技术，2011，17（4）：13-15.

［5］于磊.列车运行轨迹仿真系统的设计与实现［D］.北京：北京交通大学，2009.

［6］文武臣，王晓明.计算机联锁的数据结构及进路搜索算法［J］.重庆工学院学报（自然科学），2008，22（6）：52-53.

［7］严蔚敏.数据结构［M］.北京：清华大学出版社，1997.

［8］胡媛，魏宗寿.采用DFS策略的进路搜索算法研究［J］.铁路计算机应用，2007，16（9）：4-6.

［9］叶兆生，陈永生.双线接发列车仿真系统运行图模块的设计与开发［J］.微型机与应用，2014，33（18）：7-10.

［10］赵明，汪希时.移动自动闭塞条件下列车追踪运行控制研究［J］.铁道学报，1997，19（3）：61-68.

Study on train tracking of ATS simulation system based on Shanghai metro line 1

Jiang Xingyu1，Chen Yunzhe2，Chen Yongsheng1
（1.Department of Computer Science and Technology，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.Department of Computer Science and Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China）

This paper firstly introduces ATS simulation system based on the prototype of Shanghai metro line 1，and then takes two trains running in tandem as the object to research and calculate respectively on the tracking process，running effect and interval distance under fixed block model.On this basis it also introduces interlocking system，combining with analysis of the route search algorithm and design of the interlocking table in detail，and embodies interlocking system′s important guarantee of safety and reliability to train tracking well.

ATS system；fixed block；train tracking；interval distance；interlocking system

TP319

A

1674-7720（2015）20-0012-03

江星宇，陈运哲，陈永生.基于上海地铁1号线的ATS仿真系统列车追踪算法的研究［J］.微型机与应用，2015，34（20）：12-14.

2015-04-16）

江星宇（1991-），通信作者，女，硕士研究生，主要研究方向：铁路系统仿真。E-mail：jxy0410@outlook.com。

陈运哲（1992-），男，本科在读，主要研究方向：计算机仿真。

陈永生（1966-），男，博士生导师，研究员，主要研究方向：仿真与多媒体处理。