ATS 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘　要　利用仿真技術(shù)對員工進行職業(yè)培訓(xùn)已越來越廣泛地得到認可。從上海市地鐵1 號線A TS 系統(tǒng)實際出發(fā),綜合現(xiàn)代仿真理論、DCOM 和ActiveX 等技術(shù),設(shè)計一種基于分布式三層結(jié)構(gòu)的城軌A TS 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)解決方案。重點介紹系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),以及該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的各功能模塊。
關(guān)鍵詞　列車自動監(jiān)控, 仿真培訓(xùn)系統(tǒng), 分布式結(jié)構(gòu), 數(shù)據(jù)緩沖

　　城軌交通列車自動控制(A TC) 系統(tǒng)中的列車自動監(jiān)控(A TS) 子系統(tǒng)位于管理級,列車進入正線運行要接受該系統(tǒng)的指令信號。它主要完成列車的調(diào)度和跟蹤,運行時刻表的調(diào)整控制和監(jiān)督,列車進路的控制和表示,系統(tǒng)狀況、報警信息的顯示和記錄, 統(tǒng)計匯編、系統(tǒng)診斷等功能,對提高行車效率起著重要作用。本文利用現(xiàn)代仿真理論,并結(jié)合ActiveX 組件等新技術(shù)開發(fā)的A TS 仿真培訓(xùn)系統(tǒng),是實際工作環(huán)境下培訓(xùn)行車調(diào)度員的一種高技術(shù)工具,為提高操作人員和技術(shù)人員的素質(zhì)提供了良好的培訓(xùn)手段。
1 　系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
A TS 子系統(tǒng)由控制中心的A TS 設(shè)備( 通稱CA TS) , 車站A TS 設(shè)備和車載A TS 設(shè)備組成。CA TS 由A 、B 兩套冗余系統(tǒng)組成,每套又分別包括控制處理機和通信處理機。兩套計算機系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換模塊與外設(shè)相連,通過調(diào)制解調(diào)器與軌旁A TS 設(shè)備相連,通過以太網(wǎng)與4 個工作站相連。下面結(jié)合A TS 仿真系統(tǒng)的特點,介紹培訓(xùn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲和三層分布式結(jié)構(gòu)。
1. 1 　網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
考慮到仿真與培訓(xùn)兩方面的需要,培訓(xùn)中心內(nèi)部局域網(wǎng)采用了星形結(jié)構(gòu),通信介質(zhì)為雙絞線。以應(yīng)用服務(wù)器為中心,以數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為基礎(chǔ),通過教師機、學(xué)員機終端為用戶提供服務(wù)。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 。

圖1 　網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖
1. 2 　三層分布式結(jié)構(gòu)
三層客戶/ 服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)是在兩層客戶/ 服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展和成熟起來的,它建立在分布式技術(shù)的基礎(chǔ)上,將業(yè)務(wù)處理從客戶程序中分離出來,形成獨立的應(yīng)用程序服務(wù)器,從而將應(yīng)用系統(tǒng)分為界面、業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)訪問等3 個功能層次。
系統(tǒng)具有以下優(yōu)點: ① 系統(tǒng)的界面層與業(yè)務(wù)層相互分離,無論是界面層的改變還是業(yè)務(wù)層的改變, 都可以做到互不影響,因而有利于系統(tǒng)的維護和功能的擴充,增強了系統(tǒng)的靈活性。② 業(yè)務(wù)邏輯在應(yīng)用服務(wù)器上實現(xiàn),而不是在每一臺客戶機上實現(xiàn)。同時,對數(shù)據(jù)的訪問也可以做到只通過應(yīng)用服務(wù)器進行,從而增強了系統(tǒng)的安全性,并實現(xiàn)了“ 瘦客戶端”。③ 學(xué)生機、教師機終端需要的數(shù)據(jù)可以在應(yīng)用服務(wù)器中進行預(yù)處理或全部處理,然后再將處理結(jié)果傳給它們,從而降低了網(wǎng)絡(luò)通信量。
2 　系統(tǒng)功能模塊
把系統(tǒng)按功能分解成不同模塊,各模塊間相互獨立。這種分布的體系結(jié)構(gòu)及模塊間的獨立性,保證了系統(tǒng)具有良好的可擴展性。當?shù)罔F線路增加時,可方便地擴展ATS 基本操作、故障設(shè)置等功能。對調(diào)度中心實際運行的ATS 系統(tǒng)進行深入了解后,根據(jù)用戶的需求,將系統(tǒng)分解成7 個模塊,如圖2 所示。

圖2 　系統(tǒng)功能模塊圖
2. 1 　終端顯示模塊
終端顯示模塊提供人機交互的界面,使得整個仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能夠靈活地適應(yīng)不同的需要。ActiveX 控件是一種可重用組件,它支持廣泛的ActiveX 功能,并且可以根據(jù)特定的需要定制一些特殊功能,允許公開一些屬性和方法,供其它應(yīng)用程序調(diào)用。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)有股道、道岔、信號機、站臺及車次窗等幾種ActiveX 控件,通過它們可以方便地生成各集中站站場界面。
2. 2 　模擬列車運行模塊
這一過程包含兩個線程:主線程除了按照模擬駕駛員的命令實時改變列車行駛速度外,每隔一個微小時間段就按照在股道上從前到后的順序模擬每個列車對象的行駛過程。輔助線程則負責(zé)兩個進程間的消息傳遞,即發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。由于前方列車所處的位置會影響確定后方列車目標點的過程,所以進程按照在股道上從前到后的順序來處理每個列車對象。
2. 3 　ATP 模塊
為保證列車運行安全,系統(tǒng)設(shè)置列車自動防護(ATP) 邏輯,防止列車冒進或者列車追尾事故。在ATP 邏輯中,控制列車速度主要有兩個因素:一是與先行列車的間隔距離;二是列車運行進路情況,包括前方進路是否存在彎道及道岔狀態(tài)等。圖3 是一條ATP 速度命令控制線。當先行列車在0 T 區(qū)段, 1 T 必須空閑,后續(xù)列車若在2T , 它收到的限速命令應(yīng)為0 , 即后續(xù)列車在閉塞分區(qū)2T 的出口端必須停車,并有1 T 閉塞分區(qū)作為保護距離;若1 T 、2T 空閑,后續(xù)列車在3T , 那么后續(xù)列車接收到的是20 km/ h 的速度命令;同理,當1T 、2 T 、3T 、4 T 、5 T 、6 T 、7 T 都空閑,運行于8 T 的后續(xù)列車收到的速度命令為80 km/ h 。可見要使列車運行于最高速度80 km/ h , 其前方必須空閑7 個閉塞分區(qū)。

圖3 　ATP 速度命令控制線　　

當然,根據(jù)線路情況、車輛性能、軌道電路特性等,應(yīng)進行閉塞設(shè)計,劃分合理的閉塞分區(qū),從而產(chǎn)生ATP 速度命令控制線,作為ATP 速度命令選擇的邏輯依據(jù)。
2. 4 　ATS 操作模塊
主要完成六大類功能的控制:信號控制命令、列車描述功能命令、列車調(diào)整命令、計劃控制命令、列車運行模擬命令、列車運行圖命令。例如信號控制命令主要實現(xiàn)設(shè)置控制模式、設(shè)置終端模式、進路控制、控制信號機、呼叫車站、區(qū)間限速等功能。
2. 5 　故障設(shè)置及處理模塊
以實際案例為基礎(chǔ),在教師機上模擬故障設(shè)置及進行故障處理。設(shè)置的故障主要包括信號故障、車輛故障及時刻表故障,學(xué)生則根據(jù)故障情況進行適當處理。在中央完成的操作由學(xué)生機執(zhí)行,需由現(xiàn)場、車站或司機完成的操作在教師機上完成。
2. 6 　教學(xué)考評模塊
主要實現(xiàn)廣播教學(xué)和實驗考評的功能。廣播教學(xué)可以將教師機的電腦屏幕畫面等多媒體信息實時傳送廣播給全體、群組或單個學(xué)生。實驗考評由教師機指定相關(guān)題庫,學(xué)生根據(jù)相應(yīng)現(xiàn)象進行實驗操作,每題設(shè)定分數(shù),操作成功通過,操作失敗不通過。該模塊將學(xué)員檔案記錄于系統(tǒng)中,對學(xué)員培訓(xùn)過程進行全程跟蹤,全面掌握培訓(xùn)效果。
2. 7 　數(shù)據(jù)存儲和管理模塊
為了構(gòu)建數(shù)字化站場,進行列車模擬運行、進路搜索,將A TS 仿真數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。描述信號點邏輯關(guān)系和時刻表數(shù)據(jù)構(gòu)成系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù);系統(tǒng)運行后不斷變化的列車信息、信號點狀態(tài)等則構(gòu)成系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)。仿真數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)各部分關(guān)系如圖4 。
　　A TS 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)使用SQL Server 作為數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)器。鑒于其響應(yīng)速度難以滿足實時仿真的要求,因此采用了數(shù)據(jù)緩沖的方法(見圖5) ,將仿真時需要的數(shù)據(jù)事先加載到仿真終端,寫回數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)也在這里緩存。緩沖算法如下: ① 在內(nèi)存中開辟數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(仿真程序開始運行); ② 與數(shù)據(jù)庫建立連接; ③ 查詢所需數(shù)據(jù),并存放在輸入緩沖區(qū); ④ 將結(jié)果存放在輸出緩沖區(qū),并寫回數(shù)據(jù)庫(仿真程序結(jié)束); ⑤ 刪除緩沖區(qū)。
　

圖4 　數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖

圖5 　數(shù)據(jù)緩沖
3 　結(jié)語
本文給出了一個A TS 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)利用同一局域網(wǎng)內(nèi)的多臺機器,分別模擬列車運行、進行教學(xué)培訓(xùn)。利用計算機仿真技術(shù)對職工進行培訓(xùn)是一種高效的技術(shù)培訓(xùn)方法。

參考文獻
1 　上海地鐵總公司. ATC 系統(tǒng)操作手冊. 1996
2 　日本鐵道電氣技術(shù)協(xié)會. 地鐵電氣設(shè)備叢書. 1994
3 　惠天舒. 分布式交互仿真技術(shù)綜述. 系統(tǒng)仿真學(xué)報,1998 ,10(1) :1 ～7
4 　Date C J . 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)導(dǎo)論. 北京:機械工業(yè)出版社,2000