综合有轨电车管理系统仿真及研究

李彦青，郎诚廉

（同济大学 电子与信息工程学院，上海 200331）

随着城市的发展及人口数量的增加，交通拥堵和空气污染也越来越严重，现代有轨电车作为一种投资少、建设周期短、快速、绿色环保的新型交通工具，成为城市交通网络框架的有效补充[1]。

目前，国内针对轨道交通列车运行、自动监控系统的仿真与研究，大多集中在铁路与地铁等传统轨道交通方向。现代有轨电车在运行速度、路权形式、运行控制模式等方面，与地铁都存在较大的差别，简单地延用地铁调度管理系统，依靠既有的仿真系统无法完全满足现代有轨电车的仿真需求[2-4]。

综合有轨电车管理系统（ITMS，Integrated Tramway Management System）是有轨电车自动控制系统中的核心子系统。本文提出了一种针对上海松江现代有轨电车ITMS 的仿真研究方案，实现了有轨电车模拟运行、时刻表管理、运行图生成、HMI 界面可视化等基本功能。

1 系统设计

本系统仿真对象为上海松江有轨电车2 号线ITMS，全程共有25 座车站，设有1 个停车场和1 个调度中心。总体来看，可将ITMS 分为前端和后端。ITMS 前端，即调度员在调度中心、停车场访问的客户端人机界面（HMI，Human Machine Interface）；ITMS 后端，即运行的业务逻辑和数据存储层，包括各功能的算法与实现。

1.1 ITMS总体架构

上海松江有轨电车ITMS 是一个分层分布式结构的系统，主要由调度中心的中央级系统、主设备站的本地级系统和有轨电车车载系统等组成[5]，如图1所示。

1.1.1 中央级系统

中央级ITMS 位于结构的最顶层，中央与本地的前置机进行通信，获取所有信号设备的状态数据信息并把调度命令发送给本地信号设备。

图1 ITMS总体框架

中央级ITMS 主要通过监控车辆状态、时刻表设置、控制有轨电车进路等，为有轨电车全线提供轨道环线、车辆段、停车场和存车线的管理功能，通过图形HMI 执行操作控制，使有轨电车根据运行图完成运营计划，并将相关信息显示在操作控制中心（OCC，Operations Control Center）的大屏幕上，实现行车调度指挥。

1.1.2 本地级系统

本地系统与中央系统保持无线通信，按指令控制本地的联锁系统及地面设备，同时把车站的信号设备状态传输到控制中心。本地系统具备部分中央系统功能，以便中央系统故障时暂时接管，能实现联锁系统上位机的全部功能。

1.1.3 车载系统

有轨电车车载系统既采集、发送有轨电车运行信息，又从中央系统接收指令，实现有轨电车运行调整、进路选择；同时建立车地通信，能够实现列车自动定位管理和路口优先申请等功能。

1.2 仿真系统功能需求分析

由于调度中心的中央级ITMS 是整个系统的核心，具备完整的功能和最高管理权限，因此本系统对中央级ITMS 进行仿真。

ITMS 仿真系统在实现对有轨电车运行状态的实时监控的基础上，应具备有轨电车进路管理、时刻表管理、事件管理和诊断、服务质量和统计数据、用户管权限配置等功能，能够对有轨电车线路轨道环线、车辆段、停车场和存车线进行管理，可通过图形HMI 执行操作控制。因此，ITMS 仿真系统应当具备以下功能：

（1）有轨电车进路管理。ITMS 仿真系统根据预定的时刻表和车辆实时定位提供基于时刻表的监管功能，动态计算有轨电车提前/延迟时间，通过调整有轨电车的停站时间、有轨电车站间运行时间实现对有轨电车运行的调整[6]。提供手动增加、删除、修改有轨电车进路的功能。有轨电车进路控制指令通过有轨电车运行信息自动生成，以控制道岔、信号机、联锁设备等，使有轨电车正常通过。

（2）时刻表管理。基于运行时刻表实时地生成运行图，监控、记录有轨电车运行状况；允许用户创建和管理复杂的时刻表，以便定义路线，计划行程和安排出发时刻表。

（3）事件管理和诊断。记录车辆和信号设备的事件、报警和诊断信息，并保存一定时长。用户可以构建自定义过滤器并执行相关查询以从数据库中检索历史数据。

（4）服务质量和统计数据。按日期统计报警信息和有轨电车运行数据，生成简单的反馈报告。

（5）用户权限配置。系统提供创建和管理用户的功能，以用户名和密码为标识，可设置不同级别的权限以及可以管理的联锁区域。

1.3 仿真系统结构

根据以上功能需求分析，本文选取有轨电车运行模拟、时刻表管理、运行图绘制、HMI 实现几大关键功能进行仿真。ITMS 仿真系统应当提供清晰的HMI，监控显示有轨电车运行，提供常用操作指令菜单。仿真系统应具备相应的操作处理模块，响应操作指令，运行算法。仿真系统数据存储在数据库模块中，并根据数据是否发生变化划分为动态数据、静态数据，分别存储，与有轨电车运行模拟模块、操作处理模块进行数据交互。仿真系统结构，如图2所示。

图2 ITMS仿真系统结构

2 ITMS仿真实现

本仿真软件采用Visual C++ 2012 进行编写，使用SQL 2010 数据库存储数据，实现ITMS 有轨电车运行模拟、时刻表管理、运行图生成功能，利用基于VC++的 MFC 建立HMI 框架。软件采用了面向对象的编程思想，具有程序结构清晰，易于修改，开发效率高等优点。

2.1 有轨电车运行模拟

有轨电车运行的模拟采取面向时间间隔的离散时间系统仿真方法，仿真时钟按等距时间间隔等距推进[7]。以单向运行的单辆有轨电车为例，随着系统初始化获取基本数据，生成当前有轨电车模型，并为当前有轨电车分配车次号。有轨电车运行过程中，每隔一段时间扫描事件表，判断当前时间间隔内是否有事件发生，若有则调用处理对应事件的子程序。例如，有轨电车行驶时进行进路搜索，若有进路，维持原前进速度不变；若无进路，有轨电车采取减速或停车等待策略，等待系统分配进路。有轨电车模拟运行流程图，如图3 所示。

同时，在HMI 界面站场图中实时显示有轨电车的当前位置，以有轨电车标志表示，三角形代表车头及前进方向、车体部分显示有轨电车车号、有轨电车尾部表示提前/延迟的调整状态。正线区域线路分段显示，用不同颜色表示不同的线路状态。紫色表示当前路段被占用，绿色表示进路已被设置选定，有轨电车即将通过，如图4 所示。

2.2 时刻表生成

图3 有轨电车模拟运行流程

图4 有轨电车运行定位及显示

时刻表管理模块提供自动生成时刻表功能。时刻表自动生成算法采取正序推点法[8]，从当前运行方向的始发站开始，对所有有轨电车依次进行编号，从数据库中读取各站间距离及有轨电车平均运行速度并计算站间运行时间，另根据用户输入的首末班车始发时刻、发车间隔时间、各站停车时间，自动推算、生成时刻表，时刻表生程成流程，如图5 所示。

2.3 运行图绘制

有轨电车运行图是对时刻表数据的图形化表达，横轴表示时间，纵轴表示距离，根据有轨电车到站时刻与离站时刻绘制，默认假设有轨电车在站间运行是匀速行驶的，运行图绘制流程，如图6 所示。

图7 展示了ITMS 仿真软件中6：00—8：00 时间段内的松江有轨电车2 号线的有轨电车运行图。

2.4 HMI

图5 时刻表生成流程

图6 运行图的绘制流程

图7 有轨电车运行图

启动ITMS 客户端后，直接进入身份验证页面[9]，当正确输入用户名和密码后可以对系统进行具体操作。登录后进入主界面，主界面菜单栏功能根据用户权限进行配置，用户可通过工具菜单执行用户权限配置、车辆配置、阈值配置、时刻表相关功能以及司机管理。主区域默认展示线路站场图，可根据用户选择切换为时刻表管理面板或报告面板。

3 结束语

本文利用基于VC++的 MFC 编程技术对上海松江有轨电车ITMS 进行了仿真研究，采用面向时间间隔的离散时间系统仿真方法实现了有轨电车模拟运行，完成了时刻表生成、运行图生成等关键功能，并绘制了HMI。该软件模拟了ITMS 监控有轨电车运行状况的功能，适用于调度人员岗前培训；此外，能够在该软件上验证诸如有轨电车运营时刻表调整算法等研究，具有实际应用价值。