房 晨，郭 進(jìn)

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 成都 610031）

CTCS2是基于軌道電路的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，需要通過(guò)大量試驗(yàn)，不斷完善。傳統(tǒng)的方法是通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)跑車(chē)來(lái)完善，這樣既給鐵路運(yùn)輸帶來(lái)不便，又產(chǎn)生大量試驗(yàn)成本。而通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，具有經(jīng)濟(jì)、安全和試驗(yàn)周期短等特點(diǎn)。

1 客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)CTCS2仿真系統(tǒng)

客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)CTCS2仿真系統(tǒng)，是由西南交通大學(xué)交通信息工程及控制鐵道部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的基于CTCS2的軟件仿真平臺(tái)。該仿真系統(tǒng)以合肥—南京客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的永寧站—肥東站為仿真對(duì)象，以施工及設(shè)計(jì)單位提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為仿真依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CTCS2列車(chē)控制系統(tǒng)各部分的功能、性能、技術(shù)條件的數(shù)字化模擬與測(cè)試。仿真系統(tǒng)由4部分組成：車(chē)載仿真子系統(tǒng)，地面設(shè)備仿真子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)以及控制中心仿真子系統(tǒng)。

控制中心子系統(tǒng)完成整個(gè)站場(chǎng)的圖形顯示和設(shè)備狀態(tài)顯示，完成列車(chē)運(yùn)行顯示、故障設(shè)置、臨時(shí)限速設(shè)置、進(jìn)路操作、自動(dòng)化運(yùn)行、統(tǒng)計(jì)分析工作，具有歷史數(shù)據(jù)回放功能。由于控制中心子系統(tǒng)具有宏觀(guān)顯示以及與其他子系統(tǒng)信息交互的功能特點(diǎn)，因此首先需要建立仿真對(duì)象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)描述信號(hào)設(shè)備（包括信號(hào)機(jī)、軌道區(qū)段、道岔、應(yīng)答器）的固有屬性及其邏輯關(guān)系。根據(jù)施工設(shè)計(jì)單位提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)制作控制中心初始化輸入數(shù)據(jù)表單，控制中心子系統(tǒng)通過(guò)將表單讀入靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，后續(xù)程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)中的有用信息讀入內(nèi)存生成線(xiàn)路及車(chē)站拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而計(jì)算出區(qū)間閉塞和進(jìn)路信息。數(shù)據(jù)流程如圖1。

圖1 控制中心數(shù)據(jù)流程圖

2 控制中心仿真子系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

2.1 數(shù)據(jù)模型層次結(jié)構(gòu)

將仿真對(duì)象抽象成3層：圖形層、拓?fù)鋵雍碗姎鈱印D形層由鋪畫(huà)線(xiàn)路和站場(chǎng)的底層圖形單元構(gòu)成，包括：線(xiàn)段，圓形，三角形等；拓?fù)鋵邮欠抡鎸?duì)象拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及邏輯關(guān)系的抽象，包括頂點(diǎn)（文中站內(nèi)的頂點(diǎn)又稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)）和邊；電氣層是聯(lián)鎖閉塞的電氣基礎(chǔ)，包括：信號(hào)機(jī)、道岔、軌道區(qū)段、應(yīng)答器和進(jìn)路。模型的層次結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)模型層次結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)模型的整體設(shè)計(jì)方法

（1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。系統(tǒng)采用表單文件和數(shù)據(jù)庫(kù)兩種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，表單文件主要用于存儲(chǔ)控制中心仿真子系統(tǒng)的初始化輸入數(shù)據(jù)，主要包括圖形顯示、設(shè)備屬性和相互關(guān)系的基本信息。數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)作為程序操作的數(shù)據(jù)源，具有操作靈活的特點(diǎn)，用來(lái)支持控制中心仿真子系統(tǒng)的運(yùn)行。

（2）數(shù)據(jù)管理一體化。系統(tǒng)將對(duì)電氣層元素的屬性數(shù)據(jù)（元素的固有屬性、運(yùn)行狀態(tài)和與其他元素的關(guān)系）和圖形層數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，使它們成為互為映射的整體，也就是每一個(gè)電氣層的元素在線(xiàn)路和站場(chǎng)鋪畫(huà)圖中的拓?fù)湮恢镁鶎?duì)應(yīng)著相關(guān)的屬性信息。

（3）面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)。本仿真系統(tǒng)的研究對(duì)象是設(shè)計(jì)5個(gè)車(chē)站4個(gè)區(qū)間的復(fù)雜系統(tǒng)，包括了CTCS2級(jí)列車(chē)控制系統(tǒng)所有主要模塊和設(shè)備，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型很難處理這樣的復(fù)雜對(duì)象，而面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型無(wú)論對(duì)多復(fù)雜的數(shù)據(jù)都可以準(zhǔn)確地用一個(gè)對(duì)象來(lái)表示，對(duì)象的屬性以及對(duì)對(duì)象的操作可以分別封裝成類(lèi)的成員變量和成員方法，這樣可以極大地加強(qiáng)軟件的封裝性，提高開(kāi)發(fā)效率。

3 控制中心仿真系統(tǒng)初始化輸入數(shù)據(jù)表單設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

表單使用Excel電子表格軟件設(shè)計(jì)和制作。設(shè)計(jì)分為線(xiàn)路表單設(shè)計(jì)和車(chē)站表單設(shè)計(jì)。線(xiàn)路表單內(nèi)容包括整條線(xiàn)路的基本信息；而車(chē)站表單每個(gè)車(chē)站各有一張，內(nèi)容具體到每個(gè)車(chē)站的基本信息。

3.1 線(xiàn)路表單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為線(xiàn)路整體的初始化數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了信號(hào)點(diǎn)、軌道區(qū)段數(shù)據(jù)表及應(yīng)答器數(shù)據(jù)表，表格式如圖3和圖4。圖中羅列了信號(hào)點(diǎn)、軌道區(qū)段、應(yīng)答器可能被用到的所有信息。

圖3 信號(hào)點(diǎn)、軌道區(qū)段數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

圖4 應(yīng)答器數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

3.2 站內(nèi)數(shù)據(jù)Excel表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

站內(nèi)數(shù)據(jù)表分為進(jìn)路數(shù)據(jù)表、信號(hào)機(jī)表、道岔表、區(qū)段表，這些都是構(gòu)成站場(chǎng)圖形和聯(lián)鎖功能的必要數(shù)據(jù)。進(jìn)路數(shù)據(jù)表的表結(jié)構(gòu)如圖5。進(jìn)路數(shù)據(jù)表的內(nèi)容與設(shè)計(jì)單位繪制的聯(lián)鎖表內(nèi)容一致，提供了詳盡的進(jìn)路信息，通過(guò)對(duì)該表數(shù)據(jù)的讀取，可實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)的任意進(jìn)路的聯(lián)鎖邏輯。

圖5 進(jìn)路數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

信號(hào)機(jī)表、道岔表、區(qū)段表按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中線(xiàn)性表的格式進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)表在具備自己獨(dú)有特性的基礎(chǔ)上彼此相互聯(lián)系，鏈接成站場(chǎng)的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。表結(jié)構(gòu)分別如圖6、圖7和圖8。

圖6 站內(nèi)信號(hào)機(jī)表結(jié)構(gòu)

圖7 站內(nèi)道岔表結(jié)構(gòu)

圖8 站內(nèi)軌道區(qū)段表結(jié)構(gòu)

4 線(xiàn)路及站場(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 線(xiàn)路數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將站場(chǎng)抽象為一個(gè)點(diǎn)，那么整條專(zhuān)線(xiàn)就是一個(gè)連通圖。圖G是由有限非空集合V及其二元子集E構(gòu)成，其中V中元素稱(chēng)為頂點(diǎn)，E中元素稱(chēng)為邊；集合V和E分別成為G的頂點(diǎn)集和邊集。圖G實(shí)際上是一個(gè)有序的二元組，記為G =（V,E）。在處理圖的時(shí)候，通常把2元集{u,v}簡(jiǎn)寫(xiě)成uv（或者vu）。如果uv是圖G的邊，那么就稱(chēng)u和v在G中是鄰接的。G中的頂點(diǎn)數(shù)和邊數(shù)分別稱(chēng)為該圖的階和邊數(shù)。本仿真系統(tǒng)的仿真線(xiàn)路由5個(gè)車(chē)站4個(gè)區(qū)間組成，如果將車(chē)站抽象為頂點(diǎn)，那么V={永寧鎮(zhèn)，全椒，黃庵，巢北，肥東}，如果將區(qū)間抽象為邊，那么E可以看成V的二元子集，即E={永寧鎮(zhèn)至全椒下行區(qū)間，全椒至黃庵下行區(qū)間，黃庵至巢北下行區(qū)間，巢北至肥東下行區(qū)間，肥東至巢北上行區(qū)間，巢北至黃庵上行區(qū)間，黃庵至全椒上行區(qū)間，全椒至永寧鎮(zhèn)上行區(qū)間}，因此，仿真線(xiàn)路G的階數(shù)為5，邊數(shù)為8，表明由上、下行各4個(gè)區(qū)間，共8個(gè)區(qū)間構(gòu)成。G的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9。

圖9 線(xiàn)路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為此，設(shè)計(jì)區(qū)間軌道區(qū)段類(lèi)、區(qū)間信號(hào)機(jī)類(lèi)和應(yīng)答器類(lèi)即可完成線(xiàn)路數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義。

4.2 站場(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.2.1 站場(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇

根據(jù)聯(lián)鎖軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論，站場(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為兩種：總進(jìn)路表式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和站場(chǎng)形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。兩者的主要區(qū)別是產(chǎn)生進(jìn)路方式不同，前者以人工或半自動(dòng)方式窮舉所有進(jìn)路，后者則根據(jù)站場(chǎng)節(jié)點(diǎn)間的鏈接關(guān)系自動(dòng)搜索進(jìn)路。前者的缺點(diǎn)是：對(duì)于比較大的站場(chǎng)，進(jìn)路數(shù)量龐大，編制總進(jìn)路表繁瑣易出錯(cuò)，且需隨站場(chǎng)的改建而更新。后者的優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高。

但是考慮與行車(chē)指揮平臺(tái)連接時(shí)，要能完全按照行車(chē)指揮的意圖辦理特定的進(jìn)路。目前仿真系統(tǒng)采用的是總進(jìn)路表結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是能選出與行車(chē)指揮平臺(tái)意圖完全一致的進(jìn)路，不會(huì)受到因?yàn)椴捎谜緢?chǎng)形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)由于搜索規(guī)則的不同而選出不一致進(jìn)路的情況發(fā)生。為將來(lái)程序擴(kuò)展及模塊化修改考慮，在定義站場(chǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)參考站場(chǎng)形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方式，設(shè)置了節(jié)點(diǎn)間鏈接屬性，不影響總進(jìn)路表結(jié)構(gòu)時(shí)的處理，能預(yù)留接口。

4.2.2 站場(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

（1）車(chē)站類(lèi)定義。車(chē)站擁有自己固有的屬性：名稱(chēng)、車(chē)站長(zhǎng)度、起始公里標(biāo)、起始屏幕顯示坐標(biāo)等；車(chē)站是站內(nèi)設(shè)備的“容器”，應(yīng)當(dāng)擁有站場(chǎng)設(shè)備的存儲(chǔ)空間。在仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，筆者使用了VC6.0集成編譯環(huán)境中的MFC基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)（Microsoft Foundation Classes）所提供的CArray動(dòng)態(tài)數(shù)組類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)設(shè)備存儲(chǔ)。使用CArray動(dòng)態(tài)數(shù)組原因是：站場(chǎng)中的設(shè)備對(duì)象存儲(chǔ)需要用到復(fù)雜的數(shù)組結(jié)構(gòu)，并希望能動(dòng)態(tài)管理；CArray具有兩個(gè)模板參數(shù)，可靈活應(yīng)用存儲(chǔ)不同的站場(chǎng)設(shè)備；車(chē)站需要提供一些操作，如：設(shè)置信號(hào)機(jī)參數(shù)，設(shè)置道岔參數(shù)，設(shè)置區(qū)段參數(shù)，繪制站場(chǎng)等。

（2）站場(chǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)定義。站場(chǎng)設(shè)備主要包含信號(hào)機(jī)，道岔，軌道電路區(qū)段，侵限絕緣軌道區(qū)段。屬于不同類(lèi)型的設(shè)備，但在站場(chǎng)圖中都表現(xiàn)出站場(chǎng)節(jié)點(diǎn)這一基本屬性。因此在這一層次上所有設(shè)備節(jié)點(diǎn)是有共性的。

節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，將站場(chǎng)中的設(shè)備封裝成類(lèi)，設(shè)備的屬性狀態(tài)對(duì)應(yīng)類(lèi)的成員變量，對(duì)設(shè)備的操作對(duì)應(yīng)類(lèi)的成員函數(shù)。仿真程序中設(shè)計(jì)了1個(gè)站場(chǎng)設(shè)備基類(lèi)和3個(gè)設(shè)備子類(lèi)?；?lèi)抽象了站場(chǎng)設(shè)備的共有屬性和操作，3個(gè)子類(lèi)分別對(duì)應(yīng)站場(chǎng)3大件：信號(hào)機(jī)、道岔、軌道區(qū)段，對(duì)這些類(lèi)進(jìn)行實(shí)例化，就形成了仿真數(shù)據(jù)中的節(jié)點(diǎn)。

本系統(tǒng)根據(jù)站場(chǎng)情況，設(shè)計(jì)了4個(gè)類(lèi)：站場(chǎng)設(shè)備基類(lèi)CStaDevBase，信號(hào)機(jī)類(lèi)CMyStaSignal，道岔類(lèi)CMyStaSwitch，軌道區(qū)段類(lèi)CMyStaSection。

5 結(jié)束語(yǔ)

使用Visual C++ 6.0和Access2003編程實(shí)現(xiàn)了控制中心仿真子系統(tǒng)的界面程序，通過(guò)在Intel Pentium IV 1.8 G/內(nèi)存512 M微機(jī)上的單機(jī)運(yùn)行，線(xiàn)路和戰(zhàn)場(chǎng)鋪畫(huà)正確，界面顯示友好，并能和其它子系統(tǒng)進(jìn)行初步的通信和聯(lián)調(diào)，證明了本文描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和有效性。

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