一種CBTC系統(tǒng)數(shù)據碼位自動生成方法研究＊

趙訓婷 黃友能 王 偉

（1.北京交通大學電子信息工程學院，100044，北京；2.軌道交通控制與安全國家重點實驗室，100044，北京；3.軌道交通運行控制系統(tǒng)國家工程研究中心，100044，北京∥第一作者，碩士研究生）

基于通信的列車控制（Communication Based Train Control，簡為CBTC）系統(tǒng)，代表了當今世界城市軌道交通信號控制領域技術的發(fā)展趨勢。目前，隨著我國城市軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，各大城市紛紛選擇CBTC技術作為信號系統(tǒng)的首選制式［1］。CBTC系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于軌道電路的列車控制系統(tǒng)相比有很大的優(yōu)勢，尤其是區(qū)段內運行列車子系統(tǒng)間的各項參數(shù)可以相互傳遞。當前，為保證不同廠家生產的列車子系統(tǒng)間的正常通信，各個廠家都要根據工程設計方提供的平面線路布置圖，通過人工方式對線路布置圖中的通信數(shù)據進行提取和校驗，并按照各自規(guī)定的方式進行編碼，形成接口碼位。這種方式耗費的人力比較多，工作效率不高，而且沒有形成統(tǒng)一的碼位規(guī)范。

現(xiàn)在，城市軌道交通建設的工期越來越緊，對列車運行安全性的要求也越來越高，因此研究數(shù)據碼位的自動生成方法具有重要意義，有助于高效、準確地得到數(shù)據接口碼位，并實現(xiàn)CBTC系統(tǒng)接口碼位的規(guī)范化。

1 數(shù)據碼位自動生成的技術路線

數(shù)據碼位自動生成的技術路線如圖1所示。

圖1 數(shù)據碼位自動生成的技術路線

本文的技術路線從線路平面圖出發(fā)提取全部的線路數(shù)據。一條運行線中的線路數(shù)據較多，為保證數(shù)據的完整性、安全性，以及碼位自動生成算法的高效執(zhí)行，需要對數(shù)據進行概念分層預處理；然后將ADO數(shù)據源和SQL數(shù)據庫相連，實現(xiàn)程序與數(shù)據庫之間的通信。提取接口數(shù)據采用順序啟發(fā)式算法，不斷搜索、篩選、排除剩余空間數(shù)據，直到獲得了子系統(tǒng)通信需要的全部接口數(shù)據。碼位生成部分用C#語言編寫程序進行主界面的設計，并實現(xiàn)數(shù)據碼位的規(guī)范化生成。最后用HAZOP（危險與可操作分析）方法對軟件風險進行辨識。HAZOP是一種用于辨識設計缺陷、工藝過程危害及操作性問題的結構化、系統(tǒng)化的分析方法［2］。它按照系統(tǒng)設計原則及通信需求對每一步驟進行分析，識別出潛在偏差的原因、結果和處理方式；處理過后將偏差反饋到數(shù)據預處理部分，重新生成所需碼位。

2 數(shù)據碼位自動生成的設計方案

2.1 CBTC系統(tǒng)內子系統(tǒng)間的數(shù)據通信

CBTC系統(tǒng)由區(qū)域控制器（Zone Controller，簡為ZC），計算機聯(lián)鎖（Computer Interlocking，簡為CI），車載控制器（Vehicle On Board Controller，簡為VOBC）及列車自動監(jiān)督（Automatic Train Supervision，簡為 ATS）等子系統(tǒng)組成［3－4］。每一部分都要調用相關的數(shù)據到各自的程序中維持運行功能，同時又要傳遞給相關子系統(tǒng)共同保證軌道交通系統(tǒng)的安全運營。圖2為CBTC系統(tǒng)內部通信數(shù)據的傳遞流圖。

圖2 CBTC系統(tǒng)內部通信數(shù)據的傳遞流圖

由圖2可知，CBTC系統(tǒng)由4個子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)至少由一個程序完成功能，那么接口的數(shù)量就要按照4×（4－1）＝12，呈二次方增長。每個接口的數(shù)據都要重新設定以滿足當前系統(tǒng)信息傳輸?shù)男枨?。自動生成?shù)據碼位可以高效、高質量地完成這項工作。下面以北京城市軌道交通亦莊線同濟南路站CI→ZC（計算機聯(lián)鎖向區(qū)域控制器）之間需要傳遞的接口碼位為例，介紹其具體實現(xiàn)的方法。

CI→ZC傳送的數(shù)據主要用于ZC確定線路狀態(tài)，包括以下6種類型的數(shù)據：

1）道岔信息（位置定位狀態(tài)，位置反位狀態(tài)，鎖閉狀態(tài)）；

2）區(qū)段信息（運行方向，占用狀態(tài)，空閑狀態(tài)，進路辦理狀態(tài)，進路鎖閉狀態(tài)）；

3）信號機信息；

4）OVERLAP（安全區(qū)段）信息；

5）站臺信息（站臺緊急關閉狀態(tài)，站臺安全門狀態(tài)，站臺無人折返狀態(tài)）；

6）進路信息（基本進路，折返進路，出入段進路）。

2.2 應用概念分層的方法對數(shù)據進行預處理

概念分層就是數(shù)據庫中的概念以偏序方式組成，有底層概念（具體的概念）到高層概念（一般的概念）的映射序列［5－7］。本文的數(shù)據包括地面設施的編號、位置、方向等，每類設備信息都可以映射到該信息所在的數(shù)據表；同時所有的數(shù)據表都可以映射到設備和線路上。這些映射形成的數(shù)據概念分層結構如圖3所示。

由圖3可知，這些概念層次之間構成了一個從抽象到具體的關系。基于概念分層的知識發(fā)現(xiàn)，這是一種有效的面向屬性的數(shù)據歸納方法。它通過對數(shù)據進行提煉加工，將記錄濃縮成較少的更高一層次的數(shù)據；數(shù)據層次越高存儲的數(shù)據等級就越高，相應包含的信息數(shù)量就越少，但是信息覆蓋的范圍卻不變［8－9］。具體到本文中就是：在底層“具體信息”內保留的所有內容，在“按功能分塊”部分保留的是子系統(tǒng)傳遞中更為需要的數(shù)據，上一層的數(shù)據是下一層數(shù)據的真子集。這樣的存儲方式可以有效地提高數(shù)據碼位的生成效率。

2.3 順序啟發(fā)式算法生成碼位

啟發(fā)式算法在計算機科學、人工智能、運籌學等一些工程學科中經常被用到。在不同的學科中，對該詞的定義可能不同，對啟發(fā)式算法研究的側重點可能也不同。人工智能專家Pearl J.曾在其著作中對啟發(fā)式算法進行了比較詳細的討論。他認為：啟發(fā)式算法是指一組指導算法搜索方向的、建議性質的規(guī)則集；通常按照這個規(guī)則集，計算機可以在解空間中尋找到一個可行解［10－11］。本文提出的順序啟發(fā)式算法，利用組合優(yōu)化的方式，通過逐個地增加數(shù)據的方式來求得一個可行解。其計算速度較快，結果準確率較高。

圖3 數(shù)據概念分層結構

順序啟發(fā)式算法的具體執(zhí)行步驟如下：

步驟1：初始化數(shù)據庫，根據CI→ZC通信需要的數(shù)據確定各個數(shù)據表的優(yōu)先級，將整個數(shù)據庫看作初始剩余空間，作為第一個節(jié)點。圖4為經概念分層預處理后的數(shù)據庫模擬圖。數(shù)據庫共分為4層，優(yōu)先級從下到上依次遞增；同時每一層的數(shù)據也按照需求大小排列，數(shù)字越小表示優(yōu)先級越高。

圖4 數(shù)據庫預處理模擬圖

步驟2：后臺生成并維護2張數(shù)據表（“Unmark表”存儲被搜索但未被使用的數(shù)據，“mark表”存儲已被使用的數(shù)據），如圖5所示。

步驟3：按照ZC子系統(tǒng)需要的6類碼位數(shù)據，選取當前剩余空間優(yōu)先級最高的數(shù)據表作為葉子節(jié)點。葉子節(jié)點表示當前需要遍歷的數(shù)據表，即為圖6中黑色圓表示的部分。第一層編號為1的數(shù)據表如圖6所示。

圖5 順序啟發(fā)式算法中的數(shù)據表

圖6 第一層編號1被選為葉子節(jié)點

步驟4：遍歷當前數(shù)據表，如有需要通信的接口數(shù)據，則轉入步驟6；如沒有則轉入步驟5。

步驟5：當前數(shù)據表中沒有需要通信的數(shù)據，則轉入下一個優(yōu)先級的數(shù)據表中重復步驟3、4。

下一個優(yōu)先級的數(shù)據表即為當前數(shù)據表直接關聯(lián)的下層編號為1的數(shù)據表和同層的下一級別的數(shù)據表。圖7中的黑色圓表示的部分即為第一層編號1中沒有所需要的通信數(shù)據，則更換第二層編號1為葉子節(jié)點。如果此時仍然沒有所需的數(shù)據，則需要繼續(xù)遍歷下一優(yōu)先級的數(shù)據表。圖8、圖9、圖10依次展示了順序啟發(fā)式算法更換葉子節(jié)點的順序。其中黑色圓表示選作下一個葉子節(jié)點的數(shù)據表。

圖7 更換第二層編號1為葉子節(jié)點

圖8 第三次換選葉子節(jié)點

圖9 第四次換選葉子節(jié)點

圖10 第五次換選葉子節(jié)點

步驟6：將該數(shù)據的優(yōu)先級編號和數(shù)據名稱存入“Mark表”（見表1），并按照子系統(tǒng)間通信的接口碼位格式進行編碼，同時將該數(shù)據表中未使用的數(shù)據存入“Unmark表”（見表2）。

表1 Mark表

表2 Unmark表

步驟7：將編碼后生成的信息，按碼位順序進行編號，存入碼位表；重復步驟1，順序編碼繼續(xù)生成下一類通信碼位。

最終生成的同濟南路站CI→ZC通信的數(shù)據接口碼位如表3所示。

表3 亦莊線同濟南路站CI→ZC發(fā)送的數(shù)據碼位編號

3 結語

本文針對CBTC系統(tǒng)內各子系統(tǒng)之間數(shù)據碼位由人工生成的不足，提出了一種利用概念分層預處理數(shù)據結合順序啟發(fā)式算法自動生成數(shù)據碼位的方法，并通過代碼實現(xiàn)了自動生成子系統(tǒng)間交互的碼位信息，達到了傳輸數(shù)據的完整覆蓋性需求。實例結果表明，自動生成的數(shù)據在保證覆蓋完整、數(shù)據準確的前提下減少了人工校驗，大幅度提高了工作效率。

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