摘  要： 介紹了以上海地鐵1號(hào)線為原型的ATS仿真系統(tǒng)，圍繞固定閉塞模型進(jìn)行展開，以追蹤運(yùn)行的兩列列車為對(duì)象，分別對(duì)它們的追蹤過程、運(yùn)行效果及間隔距離進(jìn)行了具體的研究與計(jì)算。同時(shí)引入了聯(lián)鎖系統(tǒng)，詳細(xì)說明了進(jìn)路搜索算法和聯(lián)鎖表的設(shè)計(jì)步驟，很好地體現(xiàn)了聯(lián)鎖系統(tǒng)對(duì)列車追蹤的安全性與可靠性的重要保障作用。

　　關(guān)鍵詞： ATS系統(tǒng)；固定閉塞；列車追蹤；間隔距離；聯(lián)鎖系統(tǒng)

0 引言

　　仿真作為一門綜合性學(xué)科至今已有50多年的發(fā)展歷史，利用模型代替實(shí)體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)令其具備了經(jīng)濟(jì)、安全、實(shí)驗(yàn)周期短等眾多優(yōu)勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)仿真更是日益受到人們的重視。本文圍繞基于上海地鐵1號(hào)線的ATS仿真系統(tǒng)進(jìn)行展開，重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)下的信號(hào)系統(tǒng)與聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程。

1 ATS仿真系統(tǒng)概述

　　基于上海地鐵1號(hào)線，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)構(gòu)建列車對(duì)象、ATS對(duì)象、信號(hào)設(shè)備對(duì)象等，共同完成了ATS系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。列車自動(dòng)監(jiān)控（Automatic Train Supervision，ATS）系統(tǒng)與列車自動(dòng)防護(hù)（Automatic Train Protection，ATP）系統(tǒng)同屬于列車自動(dòng)控制（Automatic Train Control，ATC）系統(tǒng)。ATS系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了列車自動(dòng)識(shí)別與跟蹤、監(jiān)視列車運(yùn)行和設(shè)備狀態(tài)以及系統(tǒng)故障復(fù)原處理等功能。

2 固定閉塞信號(hào)系統(tǒng)

　　2.1 固定閉塞信號(hào)系統(tǒng)的定義

　　上海地鐵1號(hào)線采用固定閉塞信號(hào)系統(tǒng)，通過軌道電路傳輸控制信息及確定列車位置[1]，閉塞分區(qū)的長度和數(shù)量決定了線路的通過能力。系統(tǒng)在軌道鋪設(shè)時(shí)按照在軌運(yùn)行的最差性能要求將線路軌道劃分為許多長度不等的閉塞分區(qū)，形成追蹤列車之間的空間間隔。閉塞分區(qū)的數(shù)量則是依據(jù)劃分的速度級(jí)別而定。

　　2.2 固定閉塞追蹤模型

　　三顯示列車追蹤是一種常見的固定閉塞追蹤模型，如圖1所示。該模型將線路區(qū)間劃分為若干閉塞分區(qū)，每個(gè)閉塞分區(qū)的始端設(shè)有防護(hù)信號(hào)機(jī)，信號(hào)機(jī)的顏色依據(jù)列車位置而變化，列車運(yùn)行必須遵從信號(hào)機(jī)的指示。綠燈表示允許列車按照規(guī)定速度運(yùn)行，此時(shí)列車運(yùn)行前方至少有兩個(gè)空閑的閉塞分區(qū)。黃燈為注意或減速信號(hào)，表示列車運(yùn)行前方有一個(gè)閉塞分區(qū)空閑。當(dāng)前方閉塞分區(qū)被某一列車占用時(shí)，入口的信號(hào)機(jī)顯示為紅色，提醒后續(xù)列車停車等待。列車的運(yùn)行速度在三種信號(hào)機(jī)的顯示控制下會(huì)逐漸減小，故稱為階梯式分級(jí)制動(dòng)速度控制。

　　追蹤間隔至少要保證3個(gè)以上長度不等的閉塞分區(qū)，同時(shí)，為了確保不追尾還應(yīng)加上列車長度，所以列車區(qū)間追蹤運(yùn)行間隔距離為：

　　L=LBlock1+LBlock2+LBlock3+LTrain（1）

3 聯(lián)鎖系統(tǒng)

　　3.1 聯(lián)鎖系統(tǒng)概述

　　ATS系統(tǒng)同時(shí)結(jié)合了聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)車站值班人員的操作命令和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)的表示信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)機(jī)、道岔以及進(jìn)路的集中控制與聯(lián)鎖[2]。

　　3.2 聯(lián)鎖系統(tǒng)與軌旁ATP

　?。?）ATP系統(tǒng)防護(hù)原理

　　ATP系統(tǒng)是列車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要是對(duì)列車運(yùn)行實(shí)施自動(dòng)超速防護(hù)，以保障列車運(yùn)行安全。ATP在控制車輛不超過限速的同時(shí)，還會(huì)盡量保證這些控制操作對(duì)司機(jī)駕駛的干擾降到最小[3]。其工作過程示意圖如圖2所示。

　?。?）聯(lián)鎖系統(tǒng)與軌旁ATP

　　ATP中的軌旁ATP子系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)列車狀態(tài)，聯(lián)鎖系統(tǒng)通過接收軌旁ATP發(fā)送的信息，為列車開放禁止通過信號(hào)。同時(shí)，聯(lián)鎖會(huì)向軌旁ATP發(fā)送道岔位置、信號(hào)機(jī)顯示狀態(tài)、進(jìn)路設(shè)定狀態(tài)等相關(guān)信息[4]。

　　3.3 聯(lián)鎖表的設(shè)計(jì)

　　聯(lián)鎖表是鐵路車站信號(hào)設(shè)備聯(lián)鎖關(guān)系的說明圖表，是聯(lián)鎖系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的總依據(jù)，以下是聯(lián)鎖表設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟[5]。

　?。?）站場(chǎng)數(shù)據(jù)編輯

　　將信號(hào)平面布置圖轉(zhuǎn)換成信號(hào)設(shè)備之間的基本聯(lián)鎖關(guān)系，完成信號(hào)平面圖中站場(chǎng)數(shù)據(jù)的輸入和轉(zhuǎn)換。ATS系統(tǒng)站場(chǎng)圖如圖3所示。

　?。?）進(jìn)路搜索算法

　　站場(chǎng)信號(hào)平面布置圖如圖4所示。將信號(hào)設(shè)備作為信號(hào)點(diǎn)，根據(jù)其在圖中的位置建立站場(chǎng)型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。每個(gè)信號(hào)點(diǎn)即為節(jié)點(diǎn)，由數(shù)據(jù)場(chǎng)df和指針場(chǎng)pf組成：df用來存放數(shù)據(jù)塊，pf實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系。不同的信號(hào)設(shè)備需要不同的指針數(shù)，比如信號(hào)機(jī)節(jié)點(diǎn)只能與相鄰2個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)接，所以一般只要2個(gè)指針指明左右節(jié)點(diǎn)的首址即可，而道岔節(jié)點(diǎn)必須要有3個(gè)指針才能記錄相鄰節(jié)點(diǎn)的首址[6]。

　　本文采用深度優(yōu)先搜索[7]（Depth First Search，DFS）算法進(jìn)行進(jìn)路搜索。若采用廣度優(yōu)先搜索，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在擴(kuò)展時(shí)無法確定該擴(kuò)展方向是否為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的方向，造成擴(kuò)展分枝較多，存儲(chǔ)量較大[8]。而DFS在遇到對(duì)象道岔標(biāo)志時(shí)會(huì)以直股搜索優(yōu)先，找不到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)再返回沿彎股方向搜索，并且不會(huì)保留已經(jīng)搜索過的未找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑，節(jié)省了存儲(chǔ)空間。相關(guān)算法如下：

　　//搜索進(jìn)路，判斷是否需要改變方向

　　for（int i=0；i<NearTrackNum；i++）{

　　//NearTrackNum：相鄰區(qū)間區(qū)段數(shù)

　　CASSIDPCntrItem*pTrack=NearTrackArray[i]；

　　//CASSIDPCntr--Item*pTrack：股道對(duì)象

　　TRACE（"%s"，pTrack->GetTrackName（））；

　　if（pTrack->GetRunDirectionProp（）==DIR_LEFT&&

　　//GetRun--DirectionProp（）：獲得股道運(yùn)行方向

　?。╬SignalItem->GetSiDirection（）==SIGNAL_DIR_RIGHT

　　//GetSi--Direction（）：獲得信號(hào)機(jī)朝向值

　　||pSignalItem->GetSiDirection（）==SIGNAL_DIR_UPRIGHT

　　||pSignalItem->GetSiDirection（）==SIGNAL_DIR_DOWNRIGHT））

　　return true；

　　else if（pTrack->GetRunDirectionProp（）==DIR_RIGHT &&

　?。╬SignalItem->GetSiDirection（）==SIGNAL_DIR_LEFT

　　||pSignalItem->GetSiDirection（）==SIGNAL_DIR_UPLEFT

　　||pSignalItem->GetSiDirection（）==SIGNAL_DIR_DOWNLEFT））

　　return true；

　　}

　　（3）敵對(duì)信號(hào)運(yùn)算

　　當(dāng)兩條進(jìn)路有相互重疊或交叉的部分，不能以道岔位置來區(qū)分時(shí)，這兩條進(jìn)路互為敵對(duì)進(jìn)路，防護(hù)這兩條進(jìn)路的信號(hào)機(jī)，互為敵對(duì)信號(hào)機(jī)。

　?。?）進(jìn)路特征排序

　　進(jìn)路搜索算法得到的進(jìn)路是隨機(jī)排序的，一般不能直接作為最終的輸出順序，所以還需按照咽喉區(qū)、進(jìn)站口、進(jìn)路類型等進(jìn)路特征對(duì)已經(jīng)得到的進(jìn)路進(jìn)行排序。

　?。?）聯(lián)鎖表輸出

　　計(jì)算得到的聯(lián)鎖表以Excel表格格式輸出（如圖6所示），方便后續(xù)開發(fā)人員共享資源[9]。

　?。?）聯(lián)鎖表對(duì)比審核

　　為了保證聯(lián)鎖系統(tǒng)的嚴(yán)謹(jǐn)可靠，通常先由多個(gè)工作人員共同編制聯(lián)鎖表，再交由審核人員進(jìn)行對(duì)比審核。

4 影響列車追蹤間隔的因素

　　在實(shí)際的工程應(yīng)用中，除了信號(hào)系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)，還會(huì)綜合考慮運(yùn)營需求、線路和站間距離等其他因素來最終確定列車追蹤間隔距離[10]。

5 結(jié)論

　　本文對(duì)基于上海地鐵1號(hào)線的ATS仿真系統(tǒng)下的固定閉塞列車追蹤運(yùn)行過程進(jìn)行了研究，總結(jié)可知前行列車在運(yùn)行過程中不受信號(hào)系統(tǒng)影響，但會(huì)通過信號(hào)系統(tǒng)影響后續(xù)追蹤列車的運(yùn)行。與聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)合后，ATS又進(jìn)一步提高了列車追蹤與車站通過能力，因此在設(shè)計(jì)聯(lián)鎖時(shí)不僅要突出系統(tǒng)的可靠性，還應(yīng)結(jié)合聯(lián)鎖的故障—安全性能，進(jìn)一步改善系統(tǒng)的高安全性，最終實(shí)現(xiàn)列車追蹤的安全與高效。

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