ATS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要利用仿真技術(shù)對(duì)員工進(jìn)行職業(yè)培訓(xùn)已越來(lái)越廣泛地得到認(rèn)可。從上海市地鐵1號(hào)線ATS系統(tǒng)實(shí)際出發(fā),綜合現(xiàn)代仿真理論、DCOM和ActiveX等技術(shù),設(shè)計(jì)一種基于分布式三層結(jié)構(gòu)的城軌ATS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)解決方案。重點(diǎn)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(dòng)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(dòng)控制(ATC)系統(tǒng)中的列車自動(dòng)監(jiān)控(ATS)子系統(tǒng)位于管理級(jí),列車進(jìn)入正線運(yùn)行要接受該系統(tǒng)的指令信號(hào)。它主要完成列車的調(diào)度和跟蹤,運(yùn)行時(shí)刻表的調(diào)整控制和監(jiān)督,列車進(jìn)路的控制和表示,系統(tǒng)狀況、報(bào)警信息的顯示和記錄,統(tǒng)計(jì)匯編、系統(tǒng)診斷等功能,對(duì)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(kāi)發(fā)的ATS仿真培訓(xùn)系統(tǒng),是實(shí)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)

ATS子系統(tǒng)由控制中心的ATS設(shè)備(通稱CATS),車站ATS設(shè)備和車載ATS設(shè)備組成。CATS由A、B兩套冗余系統(tǒng)組成,每套又分別包括控制處理機(jī)和通信處理機(jī)。兩套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊與外設(shè)相連,通過(guò)調(diào)制解調(diào)器與軌旁ATS設(shè)備相連,通過(guò)以太網(wǎng)與4個(gè)工作站相連。下面結(jié)合ATS仿真系統(tǒng)的特點(diǎn),介紹培訓(xùn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜腿龑臃植际浇Y(jié)構(gòu)。

1.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(kù)服務(wù)器為基礎(chǔ),通過(guò)教師機(jī)、學(xué)員機(jī)終端為用戶提供服務(wù)。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1。

圖1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(lái)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(lái),形成獨(dú)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(wèn)等3個(gè)功能層次。

系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):①系統(tǒng)的界面層與業(yè)務(wù)層相互分離,無(wú)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(hù)和功能的擴(kuò)充,增強(qiáng)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(shí)現(xiàn),而不是在每一臺(tái)客戶機(jī)上實(shí)現(xiàn)。同時(shí),對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)也可以做到只通過(guò)應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行,從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性,并實(shí)現(xiàn)了“瘦客戶端”。③學(xué)生機(jī)、教師機(jī)終端需要的數(shù)據(jù)可以在應(yīng)用服務(wù)器中進(jìn)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(dú)立。這種分布的體系結(jié)構(gòu)及模塊間的獨(dú)立性,保證了系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。當(dāng)?shù)罔F線路增加時(shí),可方便地?cái)U(kuò)展ATS基本操作、故障設(shè)置等功能。對(duì)調(diào)度中心實(shí)際運(yùn)行的ATS系統(tǒng)進(jìn)行深入了解后,根據(jù)用戶的需求,將系統(tǒng)分解成7個(gè)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(jī)交互的界面,使得整個(gè)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(kāi)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(hào)機(jī)、站臺(tái)及車次窗等幾種ActiveX控件,通過(guò)它們可以方便地生成各集中站站場(chǎng)界面。

2.2模擬列車運(yùn)行模塊

這一過(guò)程包含兩個(gè)線程:主線程除了按照模擬駕駛員的命令實(shí)時(shí)改變列車行駛速度外,每隔一個(gè)微小時(shí)間段就按照在股道上從前到后的順序模擬每個(gè)列車對(duì)象的行駛過(guò)程。輔助線程則負(fù)責(zé)兩個(gè)進(jìn)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(huì)影響確定后方列車目標(biāo)點(diǎn)的過(guò)程,所以進(jìn)程按照在股道上從前到后的順序來(lái)處理每個(gè)列車對(duì)象。

2.3ATP模塊

為保證列車運(yùn)行安全,系統(tǒng)設(shè)置列車自動(dòng)防護(hù)(ATP)邏輯,防止列車冒進(jìn)或者列車追尾事故。在ATP邏輯中,控制列車速度主要有兩個(gè)因素:一是與先行列車的間隔距離;二是列車運(yùn)行進(jìn)路情況,包括前方進(jìn)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(dāng)先行列車在0T區(qū)段,1T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1T閉塞分區(qū)作為保護(hù)距離;若1T、2T空閑,后續(xù)列車在3T,那么后續(xù)列車接收到的是20km/h的速度命令;同理,當(dāng)1T、2T、3T、4T、5T、6T、7T都空閑,運(yùn)行于8T的后續(xù)列車收到的速度命令為80km/h?？梢?jiàn)要使列車運(yùn)行于最高速度80km/h,其前方必須空閑7個(gè)閉塞分區(qū)。

圖3ATP速度命令控制線

當(dāng)然,根據(jù)線路情況、車輛性能、軌道電路特性等,應(yīng)進(jìn)行閉塞設(shè)計(jì),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)。

2.4ATS操作模塊

主要完成六大類功能的控制:信號(hào)控制命令、列車描述功能命令、列車調(diào)整命令、計(jì)劃控制命令、列車運(yùn)行模擬命令、列車運(yùn)行圖命令。例如信號(hào)控制命令主要實(shí)現(xiàn)設(shè)置控制模式、設(shè)置終端模式、進(jìn)路控制、控制信號(hào)機(jī)、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(shí)際案例為基礎(chǔ),在教師機(jī)上模擬故障設(shè)置及進(jìn)行故障處理。設(shè)置的故障主要包括信號(hào)故障、車輛故障及時(shí)刻表故障,學(xué)生則根據(jù)故障情況進(jìn)行適當(dāng)處理。在中央完成的操作由學(xué)生機(jī)執(zhí)行,需由現(xiàn)場(chǎng)、車站或司機(jī)完成的操作在教師機(jī)上完成。

2.6教學(xué)考評(píng)模塊

主要實(shí)現(xiàn)廣播教學(xué)和實(shí)驗(yàn)考評(píng)的功能。廣播教學(xué)可以將教師機(jī)的電腦屏幕畫(huà)面等多媒體信息實(shí)時(shí)傳送廣播給全體、群組或單個(gè)學(xué)生。實(shí)驗(yàn)考評(píng)由教師機(jī)指定相關(guān)題庫(kù),學(xué)生根據(jù)相應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,每題設(shè)定分?jǐn)?shù),操作成功通過(guò),操作失敗不通過(guò)。該模塊將學(xué)員檔案記錄于系統(tǒng)中,對(duì)學(xué)員培訓(xùn)過(guò)程進(jìn)行全程跟蹤,全面掌握培訓(xùn)效果。

2.7數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理模塊

為了構(gòu)建數(shù)字化站場(chǎng),進(jìn)行列車模擬運(yùn)行、進(jìn)路搜索,將ATS仿真數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。描述信號(hào)點(diǎn)邏輯關(guān)系和時(shí)刻表數(shù)據(jù)構(gòu)成系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù);系統(tǒng)運(yùn)行后不斷變化的列車信息、信號(hào)點(diǎn)狀態(tài)等則構(gòu)成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。仿真數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)各部分關(guān)系如圖4。

ATS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)使用SQLServer作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理服務(wù)器。鑒于其響應(yīng)速度難以滿足實(shí)時(shí)仿真的要求,因此采用了數(shù)據(jù)緩沖的方法(見(jiàn)圖5),將仿真時(shí)需要的數(shù)據(jù)事先加載到仿真終端,寫(xiě)回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)也在這里緩存。緩沖算法如下:①在內(nèi)存中開(kāi)辟數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(仿真程序開(kāi)始運(yùn)行);②與數(shù)據(jù)庫(kù)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(xiě)回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)(仿真程序結(jié)束);⑤刪除緩沖區(qū)。

圖4數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖

圖5數(shù)據(jù)緩沖

3結(jié)語(yǔ)

本文給出了一個(gè)ATS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)利用同一局域網(wǎng)內(nèi)的多臺(tái)機(jī)器,分別模擬列車運(yùn)行、進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)職工進(jìn)行培訓(xùn)是一種高效的技