LKJ-15型列控系統基礎數據智能仿真檢驗關鍵技術研究

白鴻鈞，丁大志

（1.河南思維軌道交通技術研究院有限公司，鄭州 450001）

（2.中國鐵路濟南局集團有限公司機務部，濟南 250001）

1 概述

列車運行監控系統（LKJ）是中國自主研發的列車運行控制系統體系的核心設備，是以防止列車冒進信號、運行超速和輔助司機提高操縱能力為主要目標的列車速度控制系統，在保證列車安全方面發揮著重要作用[1-3]。LKJ 采用預存線路數據的方式，在車載設備中存儲了運行區段的LKJ 基礎線路數據和LKJ 基礎運行組織數據，二者共同構成了LKJ 基礎數據。LKJ 裝載LKJ 基礎數據后，為司機提供行車指導，保障列車安全運行[4]。LKJ 基礎數據是LKJ 實現列車控制功能的基礎，是監控列車安全運行的前提和保障。高效、準確地制作LKJ 基礎數據一直是LKJ 裝置應用的一項重點工作，LKJ 基礎數據的仿真檢驗是LKJ 基礎數據制作的步驟之一，一直是業界的研究重點。

2 當前的研究現狀

當前，國內鐵路線路建設處于一個大發展時期，新線路的投產和既有線路的頻繁改造導致LKJ 基礎數據的編制工作越來越頻繁，對數據管理、制作、仿真檢驗的安全性要求越來越高[5]。行業內LKJ 生產企業、應用單位對LKJ 基礎數據的制作、檢驗方法進行了大量分析和研究，開發了LKJ 基礎數據信息化管理系統和自動模擬檢驗的業務系統[4-9]。

目前，開發的業務系統要么是從LKJ 基礎數據編制管理工作的現狀著手，提出信息化、自動化的LKJ 基礎數據資料管理、編制管理、校核管理和任務管理的解決思路，側重于LKJ 數據制作過程的管理；要么是僅僅開發了適用于LKJ—2000 型列控系統的仿真檢驗系統。業內對即將大面積推廣應用的LKJ-15 型列控系統的基礎數據正確性保證方法尚缺少研究，也沒有研發相應的智能化仿真檢驗系統。

3 智能仿真檢驗系統

通過對業界研究現狀的分析，筆者所在的團隊研發了“LKJ-15 型列控系統基礎數據智能仿真檢驗系統（LKJ Data Virification System，LDVS）”。

如圖1 所示，LDVS 自動分析LKJ-15 型基礎數據文件和LKJ—2000 基礎數據文件的差異，生成數據差異項，結合LKJ 仿真檢驗規則庫中針對每類數據差異的仿真檢驗規則，生成仿真檢驗腳本。之后自動執行仿真檢驗腳本，驅動硬件設備產生LKJ-15和LKJ—2000 運行所需的外部信號，比如速度、色燈信號等，控制LKJ-15 和LKJ—2000 運行到數據元素對應的線路和車站，采集LKJ 輸出的數據，并與期待結果進行比對，判定仿真檢驗結果是否正確。

圖1 LDVS業務邏輯Fig.1 LDVS operation logic

LKJ 仿真檢驗規則庫包含了完備的LKJ 各類數據判斷標準及仿真檢驗規則，每類數據都有明確的影響范圍分析方法、仿真檢驗方法、判斷標準等，且仿真檢驗方法可由用戶自由定義，該庫能動態地增加或刪減。

對模擬檢驗結果的判定是利用人機接口單元（DMI）顯示信息、LKJ 內部總線數據、LKJ 運行記錄文件、LKJ 工程數據表、LKJ 各類數據判斷標準及模擬檢驗規則庫等多數據糅合來進行的，并采用總線數據、音頻、視頻等多種對比手段。

如圖2 所示，LDVS 主要由兩部分組成：一是LKJ 數據仿真檢驗軟件。二是仿真檢驗平臺。

圖2 LDVS架構Fig.2 LDVS architecture

LKJ 數據仿真檢驗軟件是一套PC 軟件，完成LKJ 基礎數據對比分析、仿真檢驗腳本生成、執行自動仿真檢驗、控制仿真檢驗過程以及判定仿真檢驗結果等功能。

仿真檢驗平臺是系統中的硬件部分，通過以太網與LKJ 數據仿真檢驗軟件連接。仿真檢驗平臺根據LKJ 數據仿真檢驗軟件的驅動和調度，產生LKJ運行所需的外部信號，設定LKJ 的開車對標、按鍵等操作，并采集LKJ 主控插件的總線廣播信息和DMI 的音視頻信息發送給LKJ 數據仿真檢驗軟件，供其判定仿真檢驗的結果。

仿真檢驗平臺主要由交換機單元、LKJ—2000仿真檢驗單元和LKJ-15 仿真檢驗單元構成。為提高LKJ 數據仿真檢驗效率，仿真檢驗平臺具有配置多臺LKJ—2000 仿真檢驗單元和多臺LKJ-15 仿真檢驗單元的能力，各仿真檢驗單元互相獨立，動態配置，并行運行。各LKJ—2000 仿真檢驗單元和LKJ-15 仿真檢驗單元通過交換機單元與LKJ 數據仿真檢驗軟件連接，通過鏈路層（MAC）協議進行數據交換。

每個仿真檢驗單元（LKJ—2000 仿真檢驗單元或LKJ-15 仿真檢驗單元）功能結構類似，只是根據LKJ 設備類型不同，在通信協議層面稍有差別。每個仿真檢驗單元主要由LKJ 核心插件及其對應的校核插件、DMI 單元及其對應的音視頻采集插件構成。考慮到LKJ 基礎數據仿真檢驗功能是對LKJ 數據正確性的驗證，并不涉及LKJ 設備自身對外部電信號的采集，所以系統設計中只配備LKJ 運行所需的核心插件，沒有采用完整的LKJ 系統，以此降低硬件復雜性和成本。

校核插件通過特定的內部總線連接到LKJ 核心插件，根據LKJ 數據仿真檢驗軟件的命令，產生LKJ 運行所需的外部信號（比如速度、色燈）、LKJ按鍵信息等通過內部總線直接發送給LKJ 核心插件。校核插件通過內部總線讀取LKJ 核心插件上與LKJ 數據相關的數據信息，打包發送給LKJ 數據仿真檢驗軟件。

音視頻采集插件連接到DMI 的音頻輸出總線和視頻輸出總線，采集音頻和視頻輸出，編碼壓縮后通過以太網發送給LKJ 數據仿真檢驗軟件。

4 智能仿真檢驗關鍵技術

LKJ 數據仿真檢驗軟件對LKJ-15 基礎數據和LKJ—2000 基礎數據對比分析時，首先需判斷要對比的線路是否為同一條線路。如果不是同一條線路，則退出對比過程，這樣可以提高對比速度，避免陷入對比不同線路無關細節的陷阱。筆者對鐵路線路相似性特征進行分析，提出線路相似性判斷的邏輯，并應用在軟件開發中。

LKJ 基礎數據制作完成后，線路數據是否能夠貫通，能否與列車運行計劃相匹配，也是數據仿真檢驗的重點。貫通檢驗分兩步：第一步，在LKJ 基礎數據中遍歷查找貫通的線路車站序列及其對應的線路轉移條件（比如設定某個色燈信號）。第二步，進行仿真檢驗，判斷LKJ 運行時真正歷經的車站是否與線路車站序列匹配。LDVS 對LKJ 數據貫通檢驗提出了新的方法，并在開發中進行實踐，滿足應用需求。

4.1 線路相似性判斷的邏輯

如圖3 所示，一般的鐵路線路由車站和兩個車站間隔的區間組成。車站內包含若干條股道，用來辦理貨運裝卸、客運旅客乘降、列車避讓等業務。

圖3 車站和區間模型Fig.3 Model of stations and sections

在精確比對線路數據一致性之前，對線路的相似性進行分析，快速檢索出要比對的線路，將能夠排除不相關線路的干擾，大大加快精確比對的速度。

如果4所示，運用復數空間和向量分析的方法，對線路屬性進行分析，在復數空間中建立鐵路線路的向量，通過對比兩條線路向量的方式來計算線路的相似性。

考慮到線路由車站和區間組成的事實，通過車站復雜度和區間復雜度兩個維度來度量線路復雜度。以車站復雜度為實數坐標系，以區間復雜度為虛數坐標系。圖4展示線路1 和線路2 兩條線路的向量，它們在實數軸和虛數軸上的投影分別為x1、x2和i1、i2。

圖4 復平面內線路復雜度的表示Fig.4 Demonstration of line complexity in a complex plane

計算某條線路的向量分為兩步：

1）計算實部x：即計算車站復雜度；

2）計算虛部i：即計算線路復雜度。

實部（車站復雜度）的計算方法是：

第一步：按照線路上行方向，對車站排序；

第二步：分別計算每個車站的復雜度Ck；

第三步：按照第一步獲取的車站順序，對所有車站的復雜度進行加權累加。權=車站序號，從1開始，也可采用其他權值，比如車站等級。

其中：車站的復雜度Ck=車站的股道數×股道長度均方差×股道曲線長度占比均方差×股道曲線半徑均方差。

虛部（區間復雜度）的計算方法是：

第一步：按照線路上行方向，對車站排序，車站排序后得到了區間順序；

第二步：分別計算每個區間的復雜度Ck；

第三步：按照第一步獲取的區間順序，計算所有區間的復雜度并進行加權累加。權=區間序號，從1 開始。

每個區間的復雜度Ck=區間長度（單位：km）×區間線路的平均曲線半徑×區間線路曲線半徑均方差×區間線路的平均坡度×區間線路坡度均方差。

由實部和虛部合成線路向量。

計算兩條線路復雜度向量的夾角和模，若夾角和模在設定的允許范圍內，則可以認為是一條線路。

4.2 貫通檢驗的方法

貫通檢驗的核心問題是根據起始站，按照行車順序尋找到下一個車站，其間可能存在跨線的情況，從線路A1 的車站B1 轉到線路A2 的車站B2。把多條復雜鏈接的線路是做一張連通圖，從起始站開始，按照深度優先的算法，可以遍歷出所有的貫通路線。為防止出現線路回環的情況，設定最大跨線數和相同線路識別機制。貫通線路的遍歷方法如圖5 所示。

圖5 貫通檢驗車站遍歷算法Fig.5 Traversal algorithm of line penetration test

得到車站序列和操作序列后就可以進行仿真檢驗，判斷LKJ 運行時歷經的車站是否在車站序列范圍內。仿真檢驗的算法如圖6 所示。

圖6 貫通檢驗算法Fig.6 Penetration test algorithm

貫通檢驗的算法可以采用動態語言來實現，便于后期的擴充和修改[10]。

5 結論

LKJ-15 型列控系統基礎數據仿真檢驗系統的開發和應用，滿足了LKJ-15 基礎數據比對、檢驗、仿真的基本需求，文中所述的線路相似性分析方法和貫通檢驗方法為相關系統開發提供了很好的思路，可以應用在鐵路線路設計等更廣闊的場景中。