ATS 仿真培訓系統的設計與實現

摘　要　利用仿真技術對員工進行職業培訓已越來越廣泛地得到認可。從上海市地鐵1 號線A TS 系統實際出發,綜合現代仿真理論、DCOM 和ActiveX 等技術,設計一種基于分布式三層結構的城軌A TS 仿真培訓系統解決方案。重點介紹系統的體系結構,以及該仿真培訓系統的各功能模塊。
關鍵詞　列車自動監控, 仿真培訓系統, 分布式結構, 數據緩沖

　　城軌交通列車自動控制(A TC) 系統中的列車自動監控(A TS) 子系統位于管理級,列車進入正線運行要接受該系統的指令信號。它主要完成列車的調度和跟蹤,運行時刻表的調整控制和監督,列車進路的控制和表示,系統狀況、報警信息的顯示和記錄, 統計匯編、系統診斷等功能,對提高行車效率起著重要作用。本文利用現代仿真理論,并結合ActiveX 組件等新技術開發的A TS 仿真培訓系統,是實際工作環境下培訓行車調度員的一種高技術工具,為提高操作人員和技術人員的素質提供了良好的培訓手段。
1 　系統體系結構
A TS 子系統由控制中心的A TS 設備( 通稱CA TS) , 車站A TS 設備和車載A TS 設備組成。CA TS 由A 、B 兩套冗余系統組成,每套又分別包括控制處理機和通信處理機。兩套計算機系統通過轉換模塊與外設相連,通過調制解調器與軌旁A TS 設備相連,通過以太網與4 個工作站相連。下面結合A TS 仿真系統的特點,介紹培訓系統的網絡拓撲和三層分布式結構。
1. 1 　網絡拓撲結構
考慮到仿真與培訓兩方面的需要,培訓中心內部局域網采用了星形結構,通信介質為雙絞線。以應用服務器為中心,以數據庫服務器為基礎,通過教師機、學員機終端為用戶提供服務。其拓撲結構如圖1 。

圖1 　網絡拓撲結構圖
1. 2 　三層分布式結構
三層客戶/ 服務器體系結構是在兩層客戶/ 服務器體系結構的基礎上發展和成熟起來的,它建立在分布式技術的基礎上,將業務處理從客戶程序中分離出來,形成獨立的應用程序服務器,從而將應用系統分為界面、業務和數據訪問等3 個功能層次。
系統具有以下優點: ① 系統的界面層與業務層相互分離,無論是界面層的改變還是業務層的改變, 都可以做到互不影響,因而有利于系統的維護和功能的擴充,增強了系統的靈活性。② 業務邏輯在應用服務器上實現,而不是在每一臺客戶機上實現。同時,對數據的訪問也可以做到只通過應用服務器進行,從而增強了系統的安全性,并實現了“ 瘦客戶端”。③ 學生機、教師機終端需要的數據可以在應用服務器中進行預處理或全部處理,然后再將處理結果傳給它們,從而降低了網絡通信量。
2 　系統功能模塊
把系統按功能分解成不同模塊,各模塊間相互獨立。這種分布的體系結構及模塊間的獨立性,保證了系統具有良好的可擴展性。當地鐵線路增加時,可方便地擴展ATS 基本操作、故障設置等功能。對調度中心實際運行的ATS 系統進行深入了解后,根據用戶的需求,將系統分解成7 個模塊,如圖2 所示。

圖2 　系統功能模塊圖
2. 1 　終端顯示模塊
終端顯示模塊提供人機交互的界面,使得整個仿真培訓系統能夠靈活地適應不同的需要。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,供其它應用程序調用。仿真培訓系統有股道、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。輔助線程則負責兩個進程間的消息傳遞,即發送和接收數據。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,系統設置列車自動防護(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等。圖3 是一條ATP 速度命令控制線。當先行列車在0 T 區段, 1 T 必須空閑,后續列車若在2T , 它收到的限速命令應為0 , 即后續列車在閉塞分區2T 的出口端必須停車,并有1 T 閉塞分區作為保護距離;若1 T 、2T 空閑,后續列車在3T , 那么后續列車接收到的是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 的后續列車收到的速度命令為80 km/ h ?？梢娨沽熊囘\行于最高速度80 km/ h , 其前方必須空閑7 個閉塞分區。

圖3 　ATP 速度命令控制線　　

當然,根據線路情況、車輛性能、軌道電路特性等,應進行閉塞設計,劃分合理的閉塞分區,從而產生ATP 速度命令控制線,作為ATP 速度命令選擇的邏輯依據。
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設置控制模式、設置終端模式、進路控制、控制信號機、呼叫車站、區間限速等功能。
2. 5 　故障設置及處理模塊
以實際案例為基礎,在教師機上模擬故障設置及進行故障處理。設置的故障主要包括信號故障、車輛故障及時刻表故障,學生則根據故障情況進行適當處理。在中央完成的操作由學生機執行,需由現場、車站或司機完成的操作在教師機上完成。
2. 6 　教學考評模塊
主要實現廣播教學和實驗考評的功能。廣播教學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、群組或單個學生。實驗考評由教師機指定相關題庫,學生根據相應現象進行實驗操作,每題設定分數,操作成功通過,操作失敗不通過。該模塊將學員檔案記錄于系統中,對學員培訓過程進行全程跟蹤,全面掌握培訓效果。
2. 7 　數據存儲和管理模塊
為了構建數字化站場,進行列車模擬運行、進路搜索,將A TS 仿真數據庫數據分為靜態數據和動態數據。描述信號點邏輯關系和時刻表數據構成系統的靜態數據;系統運行后不斷變化的列車信息、信號點狀態等則構成系統的動態數據。仿真數據庫結構各部分關系如圖4 。
　　A TS 仿真培訓系統使用SQL Server 作為數據庫管理服務器。鑒于其響應速度難以滿足實時仿真的要求,因此采用了數據緩沖的方法(見圖5) ,將仿真時需要的數據事先加載到仿真終端,寫回數據庫的數據也在這里緩存。緩沖算法如下: ① 在內存中開辟數據緩沖區(仿真程序開始運行); ② 與數據庫建立連接; ③ 查詢所需數據,并存放在輸入緩沖區; ④ 將結果存放在輸出緩沖區,并寫回數據庫(仿真程序結束); ⑤ 刪除緩沖區。
　

圖4 　數據庫結構圖

圖5 　數據緩沖
3 　結語
本文給出了一個A TS 仿真培訓系統的設計方案。該系統利用同一局域網內的多臺機器,分別模擬列車運行、進行教學培訓。利用計算機仿真技術對職工進行培訓是一種高效的技術培訓方法。

參考文獻
1 　上海地鐵總公司. ATC 系統操作手冊. 1996
2 　日本鐵道電氣技術協會. 地鐵電氣設備叢書. 1994
3 　惠天舒. 分布式交互仿真技術綜述. 系統仿真學報,1998 ,10(1) :1 ～7
4 　Date C J . 數據庫系統導論. 北京:機械工業出版社,2000