ATS 仿真培训系统的设计与实现
摘 要 利用仿真技术对员工进行职业培训已越来越广泛地得到认可。从上海市地铁1 号线A TS 系统实际出发,综合现代仿真理论、DCOM 和ActiveX 等技术,设计一种基于分布式三层结构的城轨A TS 仿真培训系统解决方案。重点介绍系统的体系结构,以及该仿真培训系统的各功能模块。
关键词 列车自动监控, 仿真培训系统, 分布式结构, 数据缓冲
城轨交通列车自动控制(A TC) 系统中的列车自动监控(A TS) 子系统位于管理级,列车进入正线运行要接受该系统的指令信号。它主要完成列车的调度和跟踪,运行时刻表的调整控制和监督,列车进路的控制和表示,系统状况、报警信息的显示和记录, 统计汇编、系统诊断等功能,对提高行车效率起着重要作用。本文利用现代仿真理论,并结合ActiveX 组件等新技术开发的A TS 仿真培训系统,是实际工作环境下培训行车调度员的一种高技术工具,为提高操作人员和技术人员的素质提供了良好的培训手段。
1 系统体系结构
A TS 子系统由控制中心的A TS 设备( 通称CA TS) , 车站A TS 设备和车载A TS 设备组成。CA TS 由A 、B 两套冗余系统组成,每套又分别包括控制处理机和通信处理机。两套计算机系统通过转换模块与外设相连,通过调制解调器与轨旁A TS 设备相连,通过以太网与4 个工作站相连。下面结合A TS 仿真系统的特点,介绍培训系统的网络拓扑和三层分布式结构。
1. 1 网络拓扑结构
考虑到仿真与培训两方面的需要,培训中心内部局域网采用了星形结构,通信介质为双绞线。以应用服务器为中心,以数据库服务器为基础,通过教师机、学员机终端为用户提供服务。其拓扑结构如图1 。
图1 网络拓扑结构图
1. 2 三层分布式结构
三层客户/ 服务器体系结构是在两层客户/ 服务器体系结构的基础上发展和成熟起来的,它建立在分布式技术的基础上,将业务处理从客户程序中分离出来,形成独立的应用程序服务器,从而将应用系统分为界面、业务和数据访问等3 个功能层次。
系统具有以下优点: ① 系统的界面层与业务层相互分离,无论是界面层的改变还是业务层的改变, 都可以做到互不影响,因而有利于系统的维护和功能的扩充,增强了系统的灵活性。② 业务逻辑在应用服务器上实现,而不是在每一台客户机上实现。同时,对数据的访问也可以做到只通过应用服务器进行,从而增强了系统的安全性,并实现了“ 瘦客户端”。③ 学生机、教师机终端需要的数据可以在应用服务器中进行预处理或全部处理,然后再将处理结果传给它们,从而降低了网络通信量。
2 系统功能模块
把系统按功能分解成不同模块,各模块间相互独立。这种分布的体系结构及模块间的独立性,保证了系统具有良好的可扩展性。当地铁线路增加时,可方便地扩展ATS 基本操作、故障设置等功能。对调度中心实际运行的ATS 系统进行深入了解后,根据用户的需求,将系统分解成7 个模块,如图2 所示。
图2 系统功能模块图
2. 1 终端显示模块
终端显示模块提供人机交互的界面,使得整个仿真培训系统能够灵活地适应不同的需要。ActiveX 控件是一种可重用组件,它支持广泛的ActiveX 功能,并且可以根据特定的需要定制一些特殊功能,允许公开一些属性和方法,供其它应用程序调用。仿真培训系统有股道、道岔、信号机、站台及车次窗等几种ActiveX 控件,通过它们可以方便地生成各集中站站场界面。
2. 2 模拟列车运行模块
这一过程包含两个线程:主线程除了按照模拟驾驶员的命令实时改变列车行驶速度外,每隔一个微小时间段就按照在股道上从前到后的顺序模拟每个列车对象的行驶过程。辅助线程则负责两个进程间的消息传递,即发送和接收数据。由于前方列车所处的位置会影响确定后方列车目标点的过程,所以进程按照在股道上从前到后的顺序来处理每个列车对象。
2. 3 ATP 模块
为保证列车运行安全,系统设置列车自动防护(ATP) 逻辑,防止列车冒进或者列车追尾事故。在ATP 逻辑中,控制列车速度主要有两个因素:一是与先行列车的间隔距离;二是列车运行进路情况,包括前方进路是否存在弯道及道岔状态等。图3 是一条ATP 速度命令控制线。当先行列车在0 T 区段, 1 T 必须空闲,后续列车若在2T , 它收到的限速命令应为0 , 即后续列车在闭塞分区2T 的出口端必须停车,并有1 T 闭塞分区作为保护距离;若1 T 、2T 空闲,后续列车在3T , 那么后续列车接收到的是20 km/ h 的速度命令;同理,当1T 、2 T 、3T 、4 T 、5 T 、6 T 、7 T 都空闲,运行于8 T 的后续列车收到的速度命令为80 km/ h 。可见要使列车运行于最高速度80 km/ h , 其前方必须空闲7 个闭塞分区。
图3 ATP 速度命令控制线
当然,根据线路情况、车辆性能、轨道电路特性等,应进行闭塞设计,划分合理的闭塞分区,从而产生ATP 速度命令控制线,作为ATP 速度命令选择的逻辑依据。
2. 4 ATS 操作模块
主要完成六大类功能的控制:信号控制命令、列车描述功能命令、列车调整命令、计划控制命令、列车运行模拟命令、列车运行图命令。例如信号控制命令主要实现设置控制模式、设置终端模式、进路控制、控制信号机、呼叫车站、区间限速等功能。
2. 5 故障设置及处理模块
以实际案例为基础,在教师机上模拟故障设置及进行故障处理。设置的故障主要包括信号故障、车辆故障及时刻表故障,学生则根据故障情况进行适当处理。在中央完成的操作由学生机执行,需由现场、车站或司机完成的操作在教师机上完成。
2. 6 教学考评模块
主要实现广播教学和实验考评的功能。广播教学可以将教师机的电脑屏幕画面等多媒体信息实时传送广播给全体、群组或单个学生。实验考评由教师机指定相关题库,学生根据相应现象进行实验操作,每题设定分数,操作成功通过,操作失败不通过。该模块将学员档案记录于系统中,对学员培训过程进行全程跟踪,全面掌握培训效果。
2. 7 数据存储和管理模块
为了构建数字化站场,进行列车模拟运行、进路搜索,将A TS 仿真数据库数据分为静态数据和动态数据。描述信号点逻辑关系和时刻表数据构成系统的静态数据;系统运行后不断变化的列车信息、信号点状态等则构成系统的动态数据。仿真数据库结构各部分关系如图4 。
A TS 仿真培训系统使用SQL Server 作为数据库管理服务器。鉴于其响应速度难以满足实时仿真的要求,因此采用了数据缓冲的方法(见图5) ,将仿真时需要的数据事先加载到仿真终端,写回数据库的数据也在这里缓存。缓冲算法如下: ① 在内存中开辟数据缓冲区(仿真程序开始运行); ② 与数据库建立连接; ③ 查询所需数据,并存放在输入缓冲区; ④ 将结果存放在输出缓冲区,并写回数据库(仿真程序结束); ⑤ 删除缓冲区。
图4 数据库结构图
图5 数据缓冲
3 结语
本文给出了一个A TS 仿真培训系统的设计方案。该系统利用同一局域网内的多台机器,分别模拟列车运行、进行教学培训。利用计算机仿真技术对职工进行培训是一种高效的技术培训方法。
参考文献
1 上海地铁总公司. ATC 系统操作手册. 1996
2 日本铁道电气技术协会. 地铁电气设备丛书. 1994
3 惠天舒. 分布式交互仿真技术综述. 系统仿真学报,1998 ,10(1) :1 ～7
4 Date C J . 数据库系统导论. 北京:机械工业出版社,2000
