張延龍，郭秀清

(同濟(jì)大學(xué) 控制科學(xué)與工程系,上海201804)

進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市軌道交通也進(jìn)入大發(fā)展時期。我國已經(jīng)成為世界最大的城市軌道交通市場。城市軌道交通的快速發(fā)展也帶來了一個顯著的問題，就是軌道交通設(shè)施一旦完工立即投入運行，根本沒有時間允許對相關(guān)運營維護(hù)人員進(jìn)行培訓(xùn)。此外，由于現(xiàn)場列車行車安全和時間等因素的限制，已經(jīng)投入使用的列車控制系統(tǒng)等現(xiàn)場設(shè)備不可能用來教學(xué)培訓(xùn)。學(xué)員無法進(jìn)行實際的練習(xí)。因此,怎樣在保證安全的前提下使每一位學(xué)員系統(tǒng)、快速地掌握相關(guān)技術(shù)，就成為迫切需要解決的難題。鑒于此有必要開發(fā)一套完整的用于教學(xué)、培訓(xùn)的ATS仿真系統(tǒng)。

ActiveX控件具有可擴(kuò)展、可重用、易組合、語言無關(guān)等特點。將其應(yīng)用在ATS仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中可以大大減少重復(fù)勞動,縮短開發(fā)周期?？蓴U(kuò)展標(biāo)記語言XML(Extensible Markup Language)是用于標(biāo)記電子文件使其具有結(jié)構(gòu)性的標(biāo)記語言，可以用來標(biāo)記數(shù)據(jù)，定義數(shù)據(jù)類型，是一種允許用戶對自己的標(biāo)記語言進(jìn)行定義的源語言。XML與其他數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式最大的不同是：它極其簡單。XML的簡單使其易于在任何應(yīng)用程序中讀寫數(shù)據(jù)，這使XML很快成為數(shù)據(jù)交換的唯一公共語言。

1 ActiveX控件的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 控件的設(shè)計

站場圖是ATS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的基礎(chǔ),是ATS仿真系統(tǒng)可視控件的一部分。所有軌道設(shè)備的狀態(tài)、進(jìn)路生成狀態(tài)、信號設(shè)備狀態(tài)和列車運行狀態(tài)都會在站場圖上直接反應(yīng)出來。通過對ATS仿真系統(tǒng)的分析，站場圖的基本組成控件包括區(qū)段控件、道岔控件、信號機(jī)控件、站臺控件、車次窗控件以及一些其他控件,如圖1所示。

構(gòu)建站場圖控件的首要任務(wù)是設(shè)計控件的屬性。站場圖控件的屬性可以分為兩類：靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性。靜態(tài)屬性指的是在繪制站場圖時可以修改的一些屬性，站場圖繪制完成后這些屬性在ATS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)運行時是不可改變的。動態(tài)屬性指的是在繪制站場圖時無需設(shè)置或僅需默認(rèn)設(shè)置，在ATS仿真系統(tǒng)的運行過程中不斷變化的屬性[1]。例如，信號機(jī)控件的ID、名稱在ATS仿真系統(tǒng)運行過程中不會變化，這屬于靜態(tài)屬性；信號機(jī)的背景顏色在程序運行過程中經(jīng)常發(fā)生變化，這屬于動態(tài)屬性。

圖1 站場圖控件

1.2 控件的實現(xiàn)

開發(fā)站場圖控件使用的是VC2008開發(fā)平臺，它是開發(fā)ActiveX控件的常用工具之一。VC2008集成開發(fā)環(huán)境，使用了微軟自己的類庫MFC，MFC對開發(fā)ActiveX控件提供了全面的支持。MFC對ActiveX控件的支持封裝為COlecontrol類，站場圖中各個控件均由此類派生[2]。本文以信號機(jī)為例說明ActiveX控件的設(shè)計與實現(xiàn)過程。信號機(jī)的靜態(tài)屬性有信號機(jī)名稱、信號機(jī)位置類型和字體顏色，信號機(jī)的動態(tài)屬性有信號機(jī)背景顏色、控件可見性和基座顏色。其主要代碼如下：

在VC++中設(shè)計ActiveX控件實際上就是對OnCreate()、DoPropExchange()、OnDraw()等函數(shù)的處理。OnCreate()函數(shù)完成控件的創(chuàng)建以及控件結(jié)構(gòu)、尺寸和字體等外形的設(shè)置。DoPropExchange()函數(shù)負(fù)責(zé)的是狀態(tài)永久性機(jī)制,利用這個函數(shù)可以把ActiveX控件的屬性和內(nèi)部信息保存到存儲對象或者是流對象中。這個函數(shù)通常調(diào)用PX_family函數(shù)來完成OLE控件的用戶自定義屬性操作。OnSize()函數(shù)用來調(diào)整控件顯示窗口的大小和位置。OnDraw()函數(shù)利用指定圖像在指定區(qū)域繪制OLE控件[3]。MFC默認(rèn)的控件邊界形狀是一個矩形。這個矩形可以由鼠標(biāo)拖動而改變大小，所以在設(shè)計控件時應(yīng)當(dāng)根據(jù)默認(rèn)矩形的上下左右邊界計算出控件內(nèi)部各點的相對坐標(biāo)。這樣在拖拽控件改變大小時控件內(nèi)部線條按比例放大或縮小。

在VC2008編譯環(huán)境中,信號機(jī)控件如圖2所示。

圖2 信號機(jī)控件

2 站場圖的生成

2.1 控件注冊

所有的ActiveX控件必須在注冊之后才可以使用。Regsvr32程序的作用就是注冊ActiveX控件。將所有控件放入一個庫中并在該庫中建立一個名為reg.dat的MSDOS批處理文件，在該文件中對控件進(jìn)行注冊。例如,對信號機(jī)進(jìn)行注冊的語句為：regsvr32-s./Line5Signal.ocx。使用控件前運行該文件就可以將控件的所有信息(包括所在路徑)都寫入注冊表中。

2.2 繪制站場圖

ATS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的站場圖就是由一個個控件拼接而成的。按照軌道交通線路的實際情況，從控件庫中選取合適的控件，然后配置控件的功能和數(shù)據(jù)，確定控件間的相互關(guān)系和通信方式,最終就可以生成一個站場圖。本文按照上海市地鐵5號線現(xiàn)場的實際情況分別繪制出MV1、MV2、MV3 3張站場圖。考慮到項目接下來要在主視圖中加載站場圖，在為站場圖所在的對話框添加類時要設(shè)置其基類為CFormView。部分站場圖如圖3所示。

圖3 部分站場圖

3 數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)庫的選擇

可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML是W3C組織于1998年2月發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，是Internet環(huán)境中跨平臺的、依賴于內(nèi)容的技術(shù)，是當(dāng)前處理結(jié)構(gòu)化信息的有力工具。XML文檔結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，層次分明，語義明確，具有良好的可讀性、易編寫和易維護(hù)等特性，而且使得多媒體信息在不同的系統(tǒng)之間相互交流成為現(xiàn)實。

XML可以充當(dāng)小型數(shù)據(jù)庫的功能。雖然Access、Oracle和SQL Sever等數(shù)據(jù)庫都提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)存儲和分析能力，例如數(shù)據(jù)索引、排序和查找等能力，但與這些數(shù)據(jù)庫不同，XML僅僅是存儲數(shù)據(jù)。事實上XML與其他數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式最大的不同是：它極其簡單。這個優(yōu)點使得XML與眾不同。在ATS仿真系統(tǒng)中，由于站場元素間關(guān)系的復(fù)雜性和多樣性，如果使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫，依據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計范式而設(shè)計的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)會因為數(shù)據(jù)關(guān)系的復(fù)雜性而急劇膨脹，不利于存儲一些結(jié)構(gòu)松散和關(guān)系復(fù)雜的站場元素模型信息。另外，站場元素模型的數(shù)據(jù)量不大，此時XML簡單的優(yōu)點便發(fā)揮了用處，因此將站場元素模型信息以XML原始格式存儲，方便靈活，沒有版權(quán)，沒有約束，也可以節(jié)約成本[4]。在站場圖模塊中，用XML描述了進(jìn)路、區(qū)段、信號燈、道岔等站場元素的模型，記錄它們的信息，在后面各個功能模塊設(shè)計中都是基于這些數(shù)據(jù)的。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

因為靜態(tài)數(shù)據(jù)包括基本信號點之間的邏輯關(guān)系，所以在靜態(tài)數(shù)據(jù)模塊中，不僅包含該信號點的基本信息(如類別、名稱、長度等)，還應(yīng)包含其他的信號點信息(如左邊設(shè)備的名稱、右邊設(shè)備的名稱)。因此在設(shè)計信號點基本數(shù)據(jù)時,每一個信號點都應(yīng)包含完整的信息字段，例如區(qū)段字段，應(yīng)該包括ID、名稱、左連接設(shè)備名稱、右連接設(shè)備名稱、占用標(biāo)志和區(qū)段長度等。

XML文件分為Axle、Cross、Platform、Signal、Switch、TrainNumWnd、Timetable和Routes這8個文件。其中前6個文件存儲的是控件的位置信息，Routes文件放置的是站場圖中的進(jìn)路信息，Timetable是列車的時刻表信息。

3.2.1 信號機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

以信號機(jī)為例，信號機(jī)主要包含5個字段：信號機(jī)ID、信號機(jī)名稱、接近區(qū)段名稱、第一區(qū)段名稱和所屬集中站，其XML文件的結(jié)構(gòu)如下：

XML數(shù)據(jù)庫中每種類型的數(shù)據(jù)讀進(jìn)內(nèi)存以后必須有相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲。同時該結(jié)構(gòu)還要與界面上的具體控件相關(guān)聯(lián)。為此以各個控件的原始類為基礎(chǔ)添加上相應(yīng)的位置和狀態(tài)屬性設(shè)計了控件的封裝類。在VC程序中可以利用CMarkup類對XML文件進(jìn)行解析，用解析出來的各個控件的信息構(gòu)造相應(yīng)的封裝類，控件原始類在封裝類中作為一個具有public屬性的成員變量。在程序中數(shù)據(jù)的存儲是以C++STL中vector容器的形式存儲。使用vector容器存儲數(shù)據(jù)不但可以減少內(nèi)存泄漏的危險而且可以借助于vector自身具有的屬性方便地查找和設(shè)置元素。信號機(jī)控件的封裝類如下：

信號機(jī)實體對象與界面控件的綁定是通過DDX_Control()宏完成的。例如信號機(jī)控件IDC_S1與信號機(jī)實體對象的綁定通過DDX_Control(pDX,IDC_S1,*pDoc->m_SignalPtrArray[0])完成。DDX_Control()是MFC中的宏，主要負(fù)責(zé)邏輯變量與界面控件的綁定操作。pDX是指向CdataExchange對象的指針，IDC_S1是控件ID，*pDoc->m_SignalPtrArray[0]是內(nèi)存中的信號機(jī)對象。

3.2.2 時刻表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

時刻表實現(xiàn)了行車組織的工作計劃編排。時刻表中包含一個運營日中列車運行的所有信息。時刻表是后續(xù)列車運行調(diào)整模塊的核心，在生成站場圖的部分只需知道它的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即可，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括：車次號、站臺號、到達(dá)時間、出發(fā)時間，其XML文件結(jié)構(gòu)如下所示：

3.2.3 進(jìn)路搜索原理

進(jìn)路的生成主要是通過搜索信號機(jī)來完成的。具體過程如下：從這個信號機(jī)關(guān)聯(lián)的軌道出發(fā)，沿著信號機(jī)的方向搜索軌道鏈，若遇到與斜股同向的道岔,則將該道岔放入一個搜索棧中，然后沿著直線方向繼續(xù)搜索，直至找到反向的敵對信號機(jī)或下一車站的同向信號機(jī)；若此時搜索棧中仍有道岔，則取出道岔從斜股的方向按上面的描述搜索另一條進(jìn)路，直到搜索棧中沒有道岔對象。在搜索的同時即記錄下相關(guān)控件對象信息。以圖2中的信號機(jī)X108為例，一共有兩條進(jìn)路,一條進(jìn)路是X108-X106,另一條是X108-X110。這兩條進(jìn)路在XML中按照如圖4所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示。

圖4 兩條進(jìn)路在XML中的表示

程序開始運行時先把保存在XML表中的控件封裝類信息讀到內(nèi)存中，并以合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲起來，這樣就不用頻繁地讀取數(shù)據(jù)庫，能大大減少因讀取數(shù)據(jù)庫而占用的時間。程序從XML中讀入控件的位置和連接信息，利用構(gòu)造函數(shù)設(shè)置其狀態(tài)信息。程序運行時也可以通過訪問封裝類的public成員變量設(shè)置其狀態(tài)信息。結(jié)合時刻表和進(jìn)路信息就可以使列車運行起來。

本文針對上海市地鐵5號線ATS培訓(xùn)系統(tǒng)中的站場圖進(jìn)行設(shè)計，構(gòu)建了用于拼接站場圖的道岔和信號機(jī)等控件，并使用XML文件對控件位置和拼接信息進(jìn)行存儲?？丶膭澐峙c應(yīng)用將站場圖的繪制過程簡化為簡單的拼圖操作,大大縮短了整個ATS仿真系統(tǒng)的開發(fā)周期。合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)極大地保證了程序的快速平穩(wěn)運行。本文對于ATS仿真系統(tǒng)的后續(xù)研究有著鋪墊作用。

[1]王野,郭秀清.基于組件技術(shù)的列車自動監(jiān)控仿真系統(tǒng)開發(fā)平臺[J].計算機(jī)應(yīng)用，2007，2（z2）∶286-288.

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