基于有向圖的CBTC仿真系統數據庫設計

杜菡萏，焦萬立

（西南交通大學信息科學與技術學院，成都 610031）

通過開發城市軌道交通列車追蹤及折返能力仿真系統，建立城市軌道交通工程項目的計算機輔助設計平臺，利用系統內嵌的列車動力學模型和列車控制模型等數學模型，為城市軌道交通項目設計提供定量分析的理論依據。

1 仿真系統概述及數據庫在仿真系統中的作用

本仿真系統通過模擬列車按照實際條件在線路上運行，驗證系統設計是否滿足運營指標要求。它不需要實際設備條件參與，但需具備實際系統的基本功能。列車控制模型采用速度—距離模式控制曲線（Distance-to-go），適用于列車按移動閉塞、準移動閉塞、固定閉塞制式運行（含追蹤、折返、出/入段）的仿真，分析驗證正線列車追蹤運行的最小設計行車間隔、最小設計折返間隔、旅行時間、平均旅行速度等運營指標。可作為信號系統的輔助設計工具。系統內嵌列車動力學模型和不同制式列車控制模型等數學模型，根據線路土建數據、列車性能參數、運營參數和指標要求，驗證信號機布點和軌道區段劃分。借助本仿真系統的仿真結果，為行車組織、線路設計、車站配線等的優化設計提供參考，實現城市軌道交通系統整體性能的優化。

本仿真系統采用單機運行的多任務結構，如圖1。其中，數據庫主要完成基礎數據庫錄入、數據在線編輯和數據解析等功能。

圖1 CBTC仿真系統結構

2 基于有向圖的數據庫

2.1 數據庫功能

（1）數據錄入：錄入真實數據用于仿真測試；（2）在線編輯：為用戶提供在線編輯界面和基礎數據的查看和動態修改功能；（3）數據解析：實現基礎數據的解析，并以全局變量的方式為其它模塊提供數據接口。

2.2 數據庫設計原則

線路數據庫是基于有向圖的數學拓撲表示。它提供節點和邊的數據。列車行駛，折返，改變方向的任何一個地方叫做一個節點。2個節點之間叫做一個邊。道岔和軌道用節點來表示，每個邊有一個規定的方向，軌道方向和邊的方向相同，邊和節點都有單獨的id，列車所在的位置和軌旁設備能夠定義為向量。如圖2，從成都地鐵1號線文殊院站到騾馬市站，列車1和列車2分別用<+e4, 156> 和 <-e2, 236>表示。

用一個標準且開放的數學拓撲來詮釋線路數據庫，對于CBTC系統的互通性來說是一項很重要的技術。當列車從一個CBTC系統移動到另一個時，它在入口處下載新的線路數據庫，同時將所在位置報告給新的區域控制器。然后區域控制器將計算移動授權并將其發送回板載控制器。這些消息在移動閉塞系統數據庫中都使用<邊，偏移量>的方法來確定其位置。

圖2 有向圖與列車位置

3 數據庫設計

3.1 線路基礎數據模型的結構定義

以成都1號線為例，根據仿真系統的需要，我們將仿真系統中涉及到的各個實體確定為對象，例如土建相關數據，包括長短鏈，坡度，曲線，限速；信號相關數據，包括道岔，記軸，信號機，車站。并將對象通過邊和節點關聯起來，形成一個完整的邏輯整體，如圖3。

圖3 線路基礎數據庫

其中，所有數據都取自實際的工程圖紙，數據分土建數據和信號數據；道岔，記軸，信號機取自平面布置圖；長短鏈，坡度，曲線來自縱斷面圖。限速的內容則是綜合了曲線限速，道岔限速，車站限速以及其他限速的整個線路的限速表。每個實體的詳細結構定義如圖4。

在限速表中，最特殊的是曲線限速，曲線限速的獲得有3種方式：

（1）通過查表，根據曲線半徑和緩和曲線長度查表得到曲線限速值。

計算得出曲線限速值。

（3）用戶直接輸入曲線限速值。

3.2 仿真系統全局數據的定義

除基礎數據外，還有一些仿真系統要用到的數據，以全局數據的方式定義，如表1。

表1 全局數據

4 在實際中取得的成果

在實際的CBTC仿真系統中，按照基于有向圖的方式組織數據庫，獲得列車精確的位置信息和移動授權信息，從而實現移動閉塞的追蹤、折返、出入段的仿真。并在仿真之后生成ATS（列車自動監督系統）數據庫，ATC（列車自動控制系統）數據庫；信號平面圖，聯鎖表及DSU（數據存儲系統）數據庫。

圖4 仿真系統詳細數據結構定義

5 結束語

本文基于CBTC仿真系統，根據仿真的需求，用有向圖的辦法對數據庫進行了建模，對現實世界進行了抽象，對站場元素進行了精確描述，具有一定的擴展性和通用性。

[1] 陸偉，馬欽. 高速列車運行仿真系統中數據庫技術的應用[J] . 中國鐵道科學，2002，23（6）：36-37.

[2] 賈紅娟，唐幀敏. 北京地鐵一號線ATS仿真系統數據庫的設計[J] . 鐵路計算機應用，2004，13（10）：53-54.