客專CTCS2仿真系統控制中心數據結構設計與實現

房 晨，郭 進

（西南交通大學 信息科學與技術學院， 成都 610031）

CTCS2是基于軌道電路的列車運行控制系統，系統的信號設計過程復雜，需要通過大量試驗，不斷完善。傳統的方法是通過大量的現場跑車來完善，這樣既給鐵路運輸帶來不便，又產生大量試驗成本。而通過計算機仿真技術進行模擬實驗，具有經濟、安全和試驗周期短等特點。

1 客運專線CTCS2仿真系統

客運專線CTCS2仿真系統，是由西南交通大學交通信息工程及控制鐵道部重點實驗室開發的基于CTCS2的軟件仿真平臺。該仿真系統以合肥—南京客運專線的永寧站—肥東站為仿真對象，以施工及設計單位提供的基礎數據為仿真依據，實現對CTCS2列車控制系統各部分的功能、性能、技術條件的數字化模擬與測試。仿真系統由4部分組成：車載仿真子系統，地面設備仿真子系統，數據庫管理子系統以及控制中心仿真子系統。

控制中心子系統完成整個站場的圖形顯示和設備狀態顯示，完成列車運行顯示、故障設置、臨時限速設置、進路操作、自動化運行、統計分析工作，具有歷史數據回放功能。由于控制中心子系統具有宏觀顯示以及與其他子系統信息交互的功能特點，因此首先需要建立仿真對象的拓撲結構來描述信號設備（包括信號機、軌道區段、道岔、應答器）的固有屬性及其邏輯關系。根據施工設計單位提供的基礎數據制作控制中心初始化輸入數據表單，控制中心子系統通過將表單讀入靜態數據庫，后續程序將數據庫中的有用信息讀入內存生成線路及車站拓撲數據結構，從而計算出區間閉塞和進路信息。數據流程如圖1。

圖1 控制中心數據流程圖

2 控制中心仿真子系統數據模型

2.1 數據模型層次結構

將仿真對象抽象成3層：圖形層、拓撲層和電氣層。圖形層由鋪畫線路和站場的底層圖形單元構成，包括：線段，圓形，三角形等；拓撲層是仿真對象拓撲結構及邏輯關系的抽象，包括頂點（文中站內的頂點又稱為節點）和邊；電氣層是聯鎖閉塞的電氣基礎，包括：信號機、道岔、軌道區段、應答器和進路。模型的層次結構如圖2。

圖2 數據模型層次結構

2.2 數據模型的整體設計方法

（1）數據存儲方式。系統采用表單文件和數據庫兩種數據存儲方式，表單文件主要用于存儲控制中心仿真子系統的初始化輸入數據，主要包括圖形顯示、設備屬性和相互關系的基本信息。數據庫存儲作為程序操作的數據源，具有操作靈活的特點，用來支持控制中心仿真子系統的運行。

（2）數據管理一體化。系統將對電氣層元素的屬性數據（元素的固有屬性、運行狀態和與其他元素的關系）和圖形層數據進行統一管理，使它們成為互為映射的整體，也就是每一個電氣層的元素在線路和站場鋪畫圖中的拓撲位置均對應著相關的屬性信息。

（3）面向對象的數據模型設計。本仿真系統的研究對象是設計5個車站4個區間的復雜系統，包括了CTCS2級列車控制系統所有主要模塊和設備，傳統的數據模型很難處理這樣的復雜對象，而面向對象的數據模型無論對多復雜的數據都可以準確地用一個對象來表示，對象的屬性以及對對象的操作可以分別封裝成類的成員變量和成員方法，這樣可以極大地加強軟件的封裝性，提高開發效率。

3 控制中心仿真系統初始化輸入數據表單設計與實現

表單使用Excel電子表格軟件設計和制作。設計分為線路表單設計和車站表單設計。線路表單內容包括整條線路的基本信息；而車站表單每個車站各有一張，內容具體到每個車站的基本信息。

3.1 線路表單結構設計

作為線路整體的初始化數據，設計了信號點、軌道區段數據表及應答器數據表，表格式如圖3和圖4。圖中羅列了信號點、軌道區段、應答器可能被用到的所有信息。

圖3 信號點、軌道區段數據表結構

圖4 應答器數據表結構

3.2 站內數據Excel表結構設計

站內數據表分為進路數據表、信號機表、道岔表、區段表，這些都是構成站場圖形和聯鎖功能的必要數據。進路數據表的表結構如圖5。進路數據表的內容與設計單位繪制的聯鎖表內容一致，提供了詳盡的進路信息，通過對該表數據的讀取，可實現站場的任意進路的聯鎖邏輯。

圖5 進路數據表結構

信號機表、道岔表、區段表按照數據結構中線性表的格式進行設計，每個表在具備自己獨有特性的基礎上彼此相互聯系，鏈接成站場的網狀數據結構。表結構分別如圖6、圖7和圖8。

圖6 站內信號機表結構

圖7 站內道岔表結構

圖8 站內軌道區段表結構

4 線路及站場數據結構設計與實現

4.1 線路數據結構設計

將站場抽象為一個點，那么整條專線就是一個連通圖。圖G是由有限非空集合V及其二元子集E構成，其中V中元素稱為頂點，E中元素稱為邊；集合V和E分別成為G的頂點集和邊集。圖G實際上是一個有序的二元組，記為G =（V,E）。在處理圖的時候，通常把2元集{u,v}簡寫成uv（或者vu）。如果uv是圖G的邊，那么就稱u和v在G中是鄰接的。G中的頂點數和邊數分別稱為該圖的階和邊數。本仿真系統的仿真線路由5個車站4個區間組成，如果將車站抽象為頂點，那么V={永寧鎮，全椒，黃庵，巢北，肥東}，如果將區間抽象為邊，那么E可以看成V的二元子集，即E={永寧鎮至全椒下行區間，全椒至黃庵下行區間，黃庵至巢北下行區間，巢北至肥東下行區間，肥東至巢北上行區間，巢北至黃庵上行區間，黃庵至全椒上行區間，全椒至永寧鎮上行區間}，因此，仿真線路G的階數為5，邊數為8，表明由上、下行各4個區間，共8個區間構成。G的拓撲結構如圖9。

圖9 線路的拓撲結構

為此，設計區間軌道區段類、區間信號機類和應答器類即可完成線路數據結構的定義。

4.2 站場數據結構設計與實現

4.2.1 站場數據結構的選擇

根據聯鎖軟件的數據結構理論，站場數據結構分為兩種：總進路表式數據結構和站場形數據結構。兩者的主要區別是產生進路方式不同，前者以人工或半自動方式窮舉所有進路，后者則根據站場節點間的鏈接關系自動搜索進路。前者的缺點是：對于比較大的站場，進路數量龐大，編制總進路表繁瑣易出錯，且需隨站場的改建而更新。后者的優點是自動化程度高。

但是考慮與行車指揮平臺連接時，要能完全按照行車指揮的意圖辦理特定的進路。目前仿真系統采用的是總進路表結構，優點是能選出與行車指揮平臺意圖完全一致的進路，不會受到因為采用站場形數據結構時由于搜索規則的不同而選出不一致進路的情況發生。為將來程序擴展及模塊化修改考慮，在定義站場設備節點數據結構時參考站場形數據結構的方式，設置了節點間鏈接屬性，不影響總進路表結構時的處理，能預留接口。

4.2.2 站場數據結構定義

（1）車站類定義。車站擁有自己固有的屬性：名稱、車站長度、起始公里標、起始屏幕顯示坐標等；車站是站內設備的“容器”，應當擁有站場設備的存儲空間。在仿真實現過程中，筆者使用了VC6.0集成編譯環境中的MFC基礎類庫（Microsoft Foundation Classes）所提供的CArray動態數組類來實現站場設備存儲。使用CArray動態數組原因是：站場中的設備對象存儲需要用到復雜的數組結構，并希望能動態管理；CArray具有兩個模板參數，可靈活應用存儲不同的站場設備；車站需要提供一些操作，如：設置信號機參數，設置道岔參數，設置區段參數，繪制站場等。

（2）站場設備節點定義。站場設備主要包含信號機，道岔，軌道電路區段，侵限絕緣軌道區段。屬于不同類型的設備，但在站場圖中都表現出站場節點這一基本屬性。因此在這一層次上所有設備節點是有共性的。

節點數據結構的定義，采用面向對象的設計思想，將站場中的設備封裝成類，設備的屬性狀態對應類的成員變量，對設備的操作對應類的成員函數。仿真程序中設計了1個站場設備基類和3個設備子類。基類抽象了站場設備的共有屬性和操作，3個子類分別對應站場3大件：信號機、道岔、軌道區段，對這些類進行實例化，就形成了仿真數據中的節點。

本系統根據站場情況，設計了4個類：站場設備基類CStaDevBase，信號機類CMyStaSignal，道岔類CMyStaSwitch，軌道區段類CMyStaSection。

5 結束語

使用Visual C++ 6.0和Access2003編程實現了控制中心仿真子系統的界面程序，通過在Intel Pentium IV 1.8 G/內存512 M微機上的單機運行，線路和戰場鋪畫正確，界面顯示友好，并能和其它子系統進行初步的通信和聯調，證明了本文描述的數據結構設計的正確性和有效性。

[1]嚴蔚敏，吳偉民. 數據結構[M]. 北京：清華大學出版社，1996：156-169.

[2]趙志熙.車站信號控制系統[M]. 北京：中國鐵道出版社，2006：165-170.

[3]GARY CHARTRAND.圖論導引[M].北京：人民郵電出版社，2007：1-158.

[4]金 鑫. 鐵路站場配置圖生成系統設計與實現[J].鐵道運輸與經濟，2004（1）：1-3.

[5]于雙元. 基于GIS的鐵路車站信號設備管理系統設計與實現途徑[J]. 北方交通大學學報，2000，24（3）：25-33.