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A TS 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A TS 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(chē)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(chē)自動(dòng)控制(A TC) 系統(tǒng)中的列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控(A TS) 子系統(tǒng)位于管理級(jí),列車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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A TS 仿真培訓(xùn)系統(tǒng),是實(shí)際工作環(huán)境下培訓(xùn)行車(chē)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)
A TS 子系統(tǒng)由控制中心的A TS 設(shè)備( 通稱CA TS) , 車(chē)站A TS 設(shè)備和車(chē)載A TS 設(shè)備組成。CA TS 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A TS 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A TS 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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)所處的位置會(huì)影響確定后方列車(chē)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(chē)對(duì)象。
2. 3 　ATP 模塊
為保證列車(chē)運(yùn)行安全,系統(tǒng)設(shè)置列車(chē)自動(dòng)防護(hù)(ATP) 邏輯,防止列車(chē)冒進(jìn)或者列車(chē)追尾事故。在ATP 邏輯中,控制列車(chē)速度主要有兩個(gè)因素:一是與先行列車(chē)的間隔距離;二是列車(chē)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(chē)在0 T 區(qū)段, 1 T 必須空閑,后續(xù)列車(chē)若在2T , 它收到的限速命令應(yīng)為0 , 即后續(xù)列車(chē)在閉塞分區(qū)2T 的出口端必須停車(chē),并有1 T 閉塞分區(qū)作為保護(hù)距離;若1 T 、2T 空閑,后續(xù)列車(chē)在3T , 那么后續(xù)列車(chē)接收到的是20 km/ h 的速度命令;同理,當(dāng)1T 、2 T 、3T 、4 T 、5 T 、6 T 、7 T 都空閑,運(yùn)行于8 T 的后續(xù)列車(chē)收到的速度命令為80 km/ h 。可見(jiàn)要使列車(chē)運(yùn)行于最高速度80 km/ h , 其前方必須空閑7 個(gè)閉塞分區(qū)。

圖3 　ATP 速度命令控制線　　

當(dāng)然,根據(jù)線路情況、車(chē)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. 4 　ATS 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(chē)描述功能命令、列車(chē)調(diào)整命令、計(jì)劃控制命令、列車(chē)運(yùn)行模擬命令、列車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)模擬運(yùn)行、進(jìn)路搜索,將A TS 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(chē)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 。
　　A TS 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)使用SQL Server 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)A TS 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(chē)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)是一種高效的技術(shù)培訓(xùn)方法。

參考文獻(xiàn)
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