基于B/S架构的城市轨道交通ATS仿真系统设计

胡寿建 鲍大彪

摘要：列车自动监控系统（Automatic Train Supervision System，ATS）是城市轨道交通列车自动控制系统（Automatic Train Control，ATC）中的重要组成子系统。它主要负责列车运行控制与监督，同时在调度指挥中辅助调度人员实现全线管理行车作业。文章运用国际流行的技术栈Vue与Spring Boot框架，设计并实现了基于 B/S 架构的城市轨道交通ATS仿真系统。系统提供ATS列车识别追踪、列车自动进路控制、列车运行图自动调整、设置故障与恢复等功能。经实践验证，仿真系统具有较高的自动化与智能化水平。本仿真系统使列车自动监控工作完成方便快捷，使仿真场景显示清晰直观；同时，有助于在教学和培训上减轻教学压力，加深学员对城市轨道交通全线作业的理解，提高学员的动手能力。

关键词：ATS仿真系统；B/S架构；Vue框架；Spring Boot框架

中图分类号：U291.69  文献标志码：A

0 引言

随着社会经济不断发展，城市交通拥堵现象日益严重。作为缓解交通拥堵的有效途径之一，开发城市轨道交通成为众多城市建设发展的共同选择。由于发车密度不断增大，列车行车间隔不断缩短，所以行车安全对全线行车指挥中心调度员的业务能力要求越来越高。而以列车自动监控系统（ATS）为核心的列车自动控制系统，可以有效实现对列车和地面设备的远程自動控制，有利于减轻行车调度的工作强度，在保证行车安全的前提下完成高效的旅客运输业务［1］。目前，城市轨道交通仿真系统一般采用的都是C/S架构，一方面要求用户在本地客户端安装专门的软件，造成额外的工作量和系统跨平台性能差；另一方面，在软件升级和维护上，每一台客户端都需要用户重新手动升级软件。如果系统部署了多个用户的本地客户端，那么在维护时会导致系统维护开销巨大。因此，本文采用B/S架构进行设计，使用前后端分离的思想，开发出新一代基于B/S架构的城市轨道交通ATS仿真系统［2］。用户只需借助浏览器即可运行仿真系统。后续升级维护时，服务器后台自动完成更新维护，不需要客户端本地安装和更新。这种方式不仅提高了软件的易用性，还有效降低了系统维护开销资源［3］。

1 系统体系架构

由于B/S架构在安装部署、维护升级、设置资源占用、学习推广软件成本等方面都具有显著优势，因此本系统采用B/S架构进行开发。根据先进的MVVM（Model-View-Viewmodel）软件架构模式思想，本文将业务逻辑和视图UI进行拆分抽离，实现解耦过程，实现低耦合、高内聚的设计模式思想。整个系统主要分为View层、View Model层和Model层。View层主要负责页面视图，也就是图形绘制、人机交互和操作界面。View Model层主要负责视图的数据模型和展现模型，可以简化前端用户界面事件驱动导向的程序设计烦琐程度。Model层主要负责后台的业务功能逻辑编写和数据库交互的部分。因此，用户可以直接与View层进行人机交互并得到实时反馈；View层和View Model层进行双向的数据绑定，简化开发的冗余耦合程度；View Model层和Model层之间进行前端浏览器和后端服务器和数据库数据的各类信息交互，本文采用的数据交互方式主要为AJAX、WebSocket和JSON技术［4］。由此，本文将城市轨道交通ATS仿真系统整体架构主要划分为表示层、服务层、数据访问层和数据层。表示层承担用户侧UI界面的交互与反馈工作；服务层承担仿真系统内部各个功能模块的业务逻辑代码运行计算；数据访问层承担后端服务器与数据库之间的数据增删改查工作；数据层承担仿真系统内部数据的存储。

2 系统功能设计

本文的城市轨道交通ATS仿真系统共设计了4个功能模块，分别为ATS列车识别追踪模块、列车自动进路控制模块、列车运行图自动调整模块和设置故障与恢复模块［5］。

2.1 ATS列车识别追踪模块

ATS列车识别追踪模块主要负责对全线列车的识别追踪，从而实现对所有列车的监控。实现方式主要为追踪列车在站场显示界面中的位置和车次号［6］。当今，ATS系统列车追踪主要有两种模式，分别是CBTC和轨道电路。一般情况下，系统采用CBTC模式。在CBTC模式下，ATO和ATP设备向车站ATS或监控中心ATS发送列车位置和状态信息。本文采用的方式就是仿真系统服务器端以WebSocket方式实时向浏览器端发送列车位置、车次号和状态信息。浏览器根据服务端数据更新追踪状态。

2.2 列车自动进路控制模块

列车自动进路控制模块主要负责在城市轨道交通作业中自动为列车排列进路［7］。进路控制模块中存储有全线运行图数据和站场所有联锁表数据。在系统检测到列车位置到达触发点时，服务器端自动进行进路搜索并进行联锁检查。在满足联锁办理条件时，系统才能开放进路。当满足开放进路条件时，服务器端将开放进路信息发送给浏览器，实现进路开放显示。

2.3 列车运行图自动调整模块

列车运行图自动调整模块负责列车运行图的自动生成和对未来阶段的列车运行图自动调整优化。在城市轨道交通运营场景中，由于突发状况等原因可能会造成列车延误，进而造成计划运行图和实际运行图之间产生一定偏差。服务器端需要采集对比计划列车运行图和实际运行图各个列车到发时刻。后续服务器端针对不同的延误情况，采用智能优化算法对列车运行计划进行调整，进而减少延误时间，争取及时恢复按图行车。

2.4 设置故障与恢复模块

设置故障与恢复模块主要负责处理教学培训时设置业务故障处理与恢复相关业务。本文主要设置了计轴区段故障、信号机灯丝断丝故障、道岔故障和屏蔽门故障。相关模块可以分别实现各类故障的设置与恢复功能。设置设备故障的意义在于通过建立实训方式，增进学员的实际业务处理能力，为我国铁路信号电务系统培养具有扎实动手实践能力的人才。

3 數据库主要实体联系E-R图

E-R图被称为实体-联系图（Entity Relationship Diagram），主要是用来描述现实世界在计算机理论中的抽象概念模型。E-R图提供了多种方法用来分别表示各类实体的类型、联系和属性。在E-R图中，系统主要用矩形表示各类实体类型，用菱形表示各个实体之间的联系成因。本仿真系统站场图层面共有5类实体，分别为车站实体、信号机实体、道岔实体、轨道电路实体和站台实体。一个车站拥有多种设备设施，而车站中设备设施又主要分为信号机、轨道电路、道岔和站台4类。因此，车站与各类设备设施之间分别为1∶n的关系。系统整体结构如图1所示。

4 系统实现

本系统采用前后端分离思想完成开发工作：前端部分基于Vue2框架，采用JavaScript编程语言开发；后端部分基于Spring Boot框架，采用Java编程语言开发［8］。编程开发工具为IntelliJ IDEA。后端数据库采用MySQL数据库，支撑系统后台所有的数据存储业务。本文完成了基于B/S架构的城市轨道交通ATS仿真系统。

5 结语

本文从城市轨道交通ATS系统作用出发，对城市轨道交通ATS仿真系统整体架构和功能进行了设计。本文基于JavaScript编程语言和Java编程语言，开发了以B/S架构为核心，集ATS列车识别追踪、列车自动进路控制、列车运行图自动调整、设置故障与恢复等功能为一体的新型城市轨道交通ATS仿真系统。该系统可以方便快捷地安装运行，清晰直观地完成对城市轨道交通监控列车运行的全过程动态仿真作业。该系统有利于降低教学难度，加深学员对城市轨道交通运营的认知，提高学员的动手实操业务能力。后续研究可以从ATS系统的其他功能实现上对该系统进行完善补充，进一步完善ATS系统的整体仿真功能。

参考文献

［1］胡鑫.城市轨道交通列车自动监控仿真系统研究与设计［D］.长沙：长沙理工大学，2015.

［2］范璐敏.基于BS架构的医疗设备维修系统的研究及实现［D］.上海：上海交通大学，2014.

［3］张恩平.基于B/S架构的代理人综合管理系统的开发与研究［D］.上海：华东师范大学，2008.

［4］马雪山，张辉军，陈辉，等.前后端分离的Web平台技术研究与实现［J］.电子技术与软件工程，2022（8）：70-73.

［5］潘效玥.基于自律分散的城市轨道交通ATS的设计与实现［D］.杭州：浙江大学，2013.

［6］谭丽娜.城市轨道交通ATS行车模拟实训系统的设计与实现［D］.长春：吉林大学，2015.

［7］李芝宏.城市轨道交通ATS系统监控子系统研究［D］.兰州：兰州交通大学，2015.

［8］孙佳留.基于Web的煤质信息管理系统的设计与实现［D］.北京：中国矿业大学，2022.

（编辑 王永超）

Design of urban rail transit ats simulation system based on B/S architecture

Hu  Shoujian1， Bao  Dabiao2*

（1.Tianjin Rail Transit Operation Group Co.， Ltd.， Tianjin 300000， China; 2.Beijing Jingwei Information Technology Co.， Ltd.， Beijing 100081， China）

Abstract： The automatic train monitoring system （ATS） is an important component subsystem in the automatic train control system （ATC） of urban rail transit. It is mainly responsible for the control and supervision of train operation， and at the same time assists dispatchers in dispatching and commanding to realize full-line management of train operations. This paper uses the internationally popular technology stack Vue and Spring Boot framework to design and implement an urban rail transit ATS simulation system based on B/S architecture. The system provides functions such as ATS train identification and tracking， automatic train route control， automatic adjustment of train diagram， fault setting and recovery， etc. It has been verified by practice that the simulation system has a high level of automation and intelligence. This simulation system makes it convenient and quick to complete the automatic monitoring of the train， and makes the simulation scene display clear and intuitive. At the same time， it helps to reduce the teaching pressure in teaching and training， deepens the students understanding of the full-line operation of urban rail transit， and improves the students hands-on ability.

Key words： ATS simulation system; B/S architecture; Vue framework; Spring Boot framework