ATS系統與三維視景仿真系統的結合技術研究

張代勝，蔣鵬，陳榮武，王堅強

(1.西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都 611756； 2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)*

ATS系統與三維視景仿真系統的結合技術研究

張代勝1，蔣鵬1，陳榮武1，王堅強2

(1.西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都 611756； 2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)*

以鄭州地鐵一號線為背景，提出了基于MSTS平臺的三維視景仿真系統與地鐵ATS系統的結合技術方案.介紹了三維視景的建模過程，設計了用于控制對象的數據協議，利用MFC開發了用于系統間數據處理及傳送的接口服務器.測試結果表明，提出的結合技術方案具有良好的可行性，滿足基于三維視景的仿真系統的各項性能指標.為后續各項列控仿真子系統的研究，提供了新思想和技術方案參考.

ATS；視景仿真；MSTS；接口

0 引言

三維視景仿真技術是計算機技術的重要分支，是計算機技術、圖形圖像處理技術、多媒體技術、信息合成技術以及顯示技術等諸多高新技術的綜合運用[1].我國在上個世紀80年代末90年代初將三維視景仿真技術應用于城軌仿真中，主要是為司機培訓提供一種模擬駕駛平臺.在該平臺的三維視景通過地鐵列車運行時從司機室實景拍攝得到，疊加關鍵技術生成的系統.比較有代表性的系統有：上海同濟大學開發的北京地鐵二號線司機培訓系統[2].黃友能[3]著重從場景模型的生成、動態場景的控制、視點變換、人物仿真等幾個方面研究了虛擬仿真技術與地鐵運行仿真系統的結合.ATS(Automatic Train Supervision)系統作為列車控制系統的重要子系統，主要負責列車運行狀態的監測和運行圖的調整.李廷朵[4]設計了ATS仿真系統，模擬了CBTC 列車運行.張太花[5]仿真實現了ATS系統中列車識別、車次號追蹤、車次號操作等列車追蹤功能.車爽[6]利用Creator/Vega工具僅僅從列車運行的角度將三維視景仿真系統和ATS系統結合到一起.目前關于地鐵三維視景仿真技術和ATS系統的文章比較多，但真正從調度和列車運行的角度將三維視景仿真系統和ATS系統結合的文章相對較少.隨著工業4.0的提出，虛擬現實結合技術倍受關注，通過虛擬-實體系統，構建智能工廠，實現智能制造的目的[7]，可見將虛擬技術應用到其它系統中的結合技術著實具有重要的研究意義.

本文以鄭州地鐵一號線為背景，提出了一種基于微軟MSTS(Microsoft Train Simulator)平臺的三維視景系統與ATS系統的結合技術，從而搭建管控一體化的綜合化仿真平臺(以下簡稱“綜合仿真平臺”).利用此仿真平臺，列車司機可在完全安全且逼真的虛擬環境中進行培訓；地鐵線路設計人員可得到各種參考數據；地鐵調度培訓人員可以看到現場設備動作過程及狀態.同時，也可為有需求的客戶提供系統性展示

1 三維視景仿真系統的建模

本文以鄭州地鐵一號線的線路數據為基礎，利用微軟公司開發的MSTS平臺對列車三維視景場景建立模型.同時依托于微軟提供的MSTS引擎，在VS2013平臺上利用C#語言對模型進行驅動，實現用程序去操縱視景中的對象.由于MSTS平臺具有強大的圖像處理能力和批量布景功能，因此基于MSTS的建模方法相對于傳統的CAD、Creator/Vega技術以及拍攝實景的建模方法，有效地提高了建模的效率和質量.其中三維視景場景主要包括：列車、隧道、信號機、軌道及其它建筑等[6].該部分是項目小組其他成員的主要任務，因此不作過多陳述.

2 綜合仿真平臺系統框架設計

在綜合仿真平臺中，ATS系統采用西南交通大學軌道交通信息及控制實驗室現有的鄭州地鐵一號線的ATS系統.開發接口服務器作為ATS系統與三維視景仿真系統之間的數據處理和數據通信的樞紐.整個系統由四大功能組成：調度指揮功能、列控接口功能、控制對象響應功能和大屏顯示功能.TOD系統與三維視景列車非直接連接，而是將TOD系統連接到接口服務器中的車載控制器模塊(TOD顯示功能不在本文重點研究范疇，不予過多陳述).各部分作用如下：

(1)調度指揮系統：下達調度命令，同時監控列車運行及設備工作狀態;

(2)列控接口：處理ATS下達的調度命令，并向TOD和三維仿真系統發送相關信息;

(3)控制對象：模擬列車駕駛與TOD顯示功能;

(4)大屏顯示：顯示ATS站場圖和三維視景列車運行場景(包括ATS調度工作站的視景定位).

3 綜合仿真平臺數據協議設計

3.1 數據傳輸過程

三維視景仿真系統和ATS系統結合的各子功能具體包括：加車、單獨操縱道岔、進路辦理、取消進路、視景定位等.現以設置進路為例說明數據的傳輸過程：

(1)ATS調度工作站下達進路辦理命令通過ATS服務器至接口服務器；

(2)接口服務器處理命令并向三維仿真系統發送命令；

(3)三維系統控制進路上的視景道岔動作到相應位置，同時信號機顯示與進路相對應的信號顯示.

3.2 數據協議設計

如圖1所示.設定了數據收發雙方的數據協議，收發雙方必須按照協議指定格式發送命令或者數據消息.現以單獨操縱道岔P0106到定位為例說明數據協議的具體含義及解析過程.ATS調度工作站通過菜單操縱下達進路操縱命令：SWIP01060，接口服務器接收到命令數據后，通過查表處理將道岔名稱解析為三維仿真系統中的道岔序號，并形成新的命令數據(SWI0530)發送給三維視景仿真系統.三維仿真系統的MSTS系統接收到數據后，根據SWI標識確定是對道岔進行單獨操縱，根據編號053找到對應的道岔，最后根據數據命令末位0，判斷道岔定反位狀態并使道岔動作到定位.

功能發送中轉接口接收數據內容備注加車發送請求ATS加車響應三維進路辦理/取消進路ATS接口服務器三維REQ_ADDATS10120010110車次號+點序號+速度三維道岔SWI+編號+定反位狀態0:定位;1:反位信號機SIG+編號+燈色狀態0/1:紅色2:黃色;3:綠色單獨操縱道岔ATS視景定位功能信號機道岔列車ATS接口服務器三維SWI+編號+定反位狀態0:定位;1:反位三維x+編號最佳視角d+編號最佳視角車次號+T1/T2/T3/T4 T1:駕駛室視角T2:對向視角T3:順向視角T4:遠景視角

圖1 綜合仿真平臺數據協議

4 綜合仿真平臺軟件設計及實現

接口服務器作為三維視景仿真系統和ATS系統的信息傳輸紐帶，是綜合仿真平臺實現功能

圖2 接口服務器軟件層次圖

至關重要的一部分.本系統是在VC++6.0平臺上，利用C++語言，采用MFC框架進行軟件開發的.基于TCP/IP通信協議，利用套接字編程實現網絡通信.軟件層次圖如圖2所示.其中ATS服務器接口模塊程序添加在原ATS系統中.三維視景仿真系統基于MSTS平臺建模后，借助MSTS引擎在VS2013平臺上利用CJHJ完成模型對象驅動功能.

4.1 加車功能

ATS系統的重要功能之一就是監測對列車的位置、運行速度及各類基礎設備的狀態[5].本系統的加車功能包括了列車的自動追蹤功能.通過三維視景仿真列車實時發送列車的位置和速度數據至接口服務器，接口服務器轉發給ATS系統 ，然后ATS系統按照數據協議對數據進行處理，轉換為列車的位置、速度以及車次號數據，顯示在調度工作界面上.列車追蹤功能如圖3所示.

圖3 ATS系統(左)與三維視景仿真系統(右)的列車追蹤功能結合

4.2 單獨操縱道岔功能

道岔有兩種操縱方式：一種是對道岔進行進路方式操縱，另一種是對道岔進行單獨操縱[9].通過調度工作站下達道岔單獨操縱命令，ATS服務器將命令寫入消息隊列，ATS發送數據模塊將數據發送給接口服務器，接口服務器對數據處理并判斷，然后發送給三維視景仿真系統.三維仿真系統根據接收到的命令(SWI+編號+定反位狀態)，將對應道岔動作到相應位置.道岔轉換前的位置狀態分別如圖4、5所示.

圖4 單獨操縱ATS系統道岔P0106到定位(左)，三維視景仿真系統道岔P0106動作到定位(右)

圖5 單獨操縱ATS系統道岔P0106到反位(左)，三維視景仿真系統道岔P0106動作到反位(右)

4.3 辦理進路功能/取消進路

為了保證行車安全，車站內信號、道岔、軌道電路等基本信號設備必須遵循一定的條件，按照一定的程序嚴格執行，這些條件和程序稱為聯鎖.在進路排列之前，聯鎖系統會根據進路的操縱命令，對聯鎖關系進行判斷，在無進路沖突的情況下才能排通進路，并向現場設備下達進路命令[9].本系統中，當在ATS調度工作站上進行辦理進路(S0108至S0102)操作時，在滿足聯鎖關系的前提下，通過接口服務器處理發送給三維視景仿真系統，系統接收到命令后，使進路上相關的道岔P0106動作到相應位置，并使信號機S0108和S0102顯示正確的顏色.辦理進路前后道岔和信號機狀態分別如圖6、7所示.取消進路功能與進路辦理類似，只需要進路上給出正確的信號顯示即可，這里不再贅述.

圖6 進路辦理前ATS系統顯示(左)，三維視景仿真系統動作(右)

圖7 進路辦理后ATS系統顯示(左)，三維視景仿真系統動作(右)

4.4 視景定位功能

通過調度工作站上的視景定位菜單，下達視景定位命令.三維系統接收到定位命令后，把對應的設備顯示至大屏上.這就可以很好的將現場設備和ATS調度工作站上平面布置圖的信號設備有機結合到了一起.

5 仿真系統測試及評價

驗證一個基于三維視景的仿真系統性能的常用技術指標為實時性、可擴展性、顯示速度、精確度以及操縱效率等[2,6].而本系統主要從兩方面來評價其性能的優劣：一方面是ATS下達各調度命令，三維視景仿真系統能否快速執行命令，將相關設備動作到相應狀態；另一方面是ATS調度工作站能及時更新列車的位置和速度等數據.

5.1 加車功能

根據列車運行計劃，ATS系統通過菜單發送加車命令REQ_ADD，三維仿真系統接收到加車命令后駕駛員將列車從車輛段駛入CBTC區域，當ATS調度工作站接收到三維視景仿真系統發送的第一個點時，完成加車功能，并對列車進行自動追蹤.

5.2 進路辦理和進路取消

在ATS調度工作站上，通過菜單分別選擇進路辦理和進路取消命令，三維視景仿真系統能將道岔和信號機動作到相應的狀態.

5.3 單獨操縱道岔

在ATS調度工作站上，通過菜單分別下達單獨操縱道岔到定位和反位的命令，三維視景仿真系統能完成道岔的定位和反位的動作過程.

5.4 視景定位

在ATS調度工作站上，通過菜單分別下達列車的駕駛室視角、對向視角、順向視角和遠景視角命令，三維仿真系統能完成列車相應視角位置的切換；在ATS調度工作站上，通過菜單下達某個信號機和某個道岔的視景定位命令，三維視景仿真系統將所選擇的設備顯示到大屏中央位置.

通過測試，本系統設計優點在于接口服務器能正確收發并處理相關數據，能滿足ATS系統與三維仿真系統能實時傳輸數據，數據采集周期小于0.1 s，滿足實時性的要求且系統性能相對穩定.由于本系統開發了接口服務器作為系統結合的紐帶，可方便的再接入其它子系統，可擴展性好.同時，三維視景畫面顯示清晰，模型逼真，畫面切換較為流暢.滿足設計的功能需求，使兩系統實現了成功的結合.但本系統的視景定位功能設計存在著不足之處：若先后兩次定位的設備相隔太遠(如前后視景定位的兩個信號機分別位于一號車站和二十號車站)，由于三維視景仿真系統中設備的切換過程中需要切換的數據量太大，導致視景定位功能切換存在2 s的時間延遲.本文下一步工作，針對視景定位功能，探索更好的實現方案.

6 結論

本文以鄭州地鐵一號線為背景，在MSTS平臺實現了三維視景列車運行仿真系統的建模，結合功能需求，設計并實現接口服務器，將三維視景仿真系統和ATS系統有機結合到了一起.將三維視景仿真技術成功運用到了ATS系統中，形成了管控一體化的綜合仿真平臺.經過系統測試表明，本文的系統結合技術方案可行性好，可擴展性強.并能為相關培訓人員提供操作平臺及教學系統化展示平臺.同時，也能為后續有關將三維視景仿真技術應用在其它列車控制系統中的研究提供技術參考.

[1]宋曉偉,唐濤.視景仿真技術在地鐵列控系統中的應用[J].北京交通大學學報,2007(2):67- 71.

[2]杜霄,唐濤.地鐵列車運行仿真系統中三維視景建模和簡化[J].系統仿真學報,2006(6):1724- 1728.

[3]黃友能,唐濤,宋曉偉.虛擬仿真技術在地鐵列車運行仿真系統中的研究[J].系統仿真學報,2008,12:3208- 3211.

[4]李廷朵,孔祥琦,宋欣,等.ATS系統模擬CBTC列車運行的設計[J].鐵道通信信號,2013(S1):69- 70,74.

[5]張太花.ATS列車追蹤的設計與實現[D].成都：西南交通大學,2013.

[6]車爽.基于列車運行控制的城市軌道交通視景仿真[D].成都：西南交通大學,2015.

[7]丁純,李君揚.德國“工業4.0”:內容、動因與前景及其啟示[J].德國研究,2014(4):49- 66+126.

[8]陳榮武.CBTC系統列車運行仿真與優化策略[D].成都：西南交通大學,2011.

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[12]陳爾超.城市軌道交通調度與控制一體化方法的研究[D].北京：北京交通大學,2015.

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[15]BADLER N.Virtual humans for animation,ergonomics,and simulation[J].IEEE Workshop on Non-Rigid and Articulated Motion,Puerto Rico,1997(6):28- 36.

Research on Combination Technology of ATS and 3D Visual Simulation System

ZHANG Daisheng1,JIANG Peng1,CHEN Rongwu1,WANG Jianqiang2

(1.School of Information Science & Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China; 2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd,Chengdu 610031,China)

Based on the background of Zhengzhou Metro Line 1,the technology plan of combination of 3D visual simulation system and Metro ATS simulation system based on MSTS platform is proposed.The modeling process of the 3D scene system is introduced,and the data protocol for controlling object is designed.The interface server is developed for data processing and transfer between systems by MFC.The test results show that the proposed scheme has a good feasibility and meets the performances of the simulation system based on 3D visual simulation system.The new ideas and technical scheme reference is provided for the follow-up study of the train control simulation subsystem.

ATS;visual simulation;MSTS;interface

1673- 9590(2017)03- 0106- 06

2016- 06- 04

四川省科技支撐計劃資助項目(2014GZ0081)

張代勝(1991-)，男，碩士研究生;陳榮武(1971-)，男，高級工程師，博士，主要從事城市軌道交通控制方向研究E-mail:dszhang@my.swjtu.edu.cn.

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