綜合有軌電車管理系統仿真及研究

李彥青，郎誠廉

（同濟大學 電子與信息工程學院，上海 200331）

隨著城市的發展及人口數量的增加，交通擁堵和空氣污染也越來越嚴重，現代有軌電車作為一種投資少、建設周期短、快速、綠色環保的新型交通工具，成為城市交通網絡框架的有效補充[1]。

目前，國內針對軌道交通列車運行、自動監控系統的仿真與研究，大多集中在鐵路與地鐵等傳統軌道交通方向?，F代有軌電車在運行速度、路權形式、運行控制模式等方面，與地鐵都存在較大的差別，簡單地延用地鐵調度管理系統，依靠既有的仿真系統無法完全滿足現代有軌電車的仿真需求[2-4]。

綜合有軌電車管理系統（ITMS，Integrated Tramway Management System）是有軌電車自動控制系統中的核心子系統。本文提出了一種針對上海松江現代有軌電車ITMS 的仿真研究方案，實現了有軌電車模擬運行、時刻表管理、運行圖生成、HMI 界面可視化等基本功能。

1 系統設計

本系統仿真對象為上海松江有軌電車2 號線ITMS，全程共有25 座車站，設有1 個停車場和1 個調度中心?？傮w來看，可將ITMS 分為前端和后端。ITMS 前端，即調度員在調度中心、停車場訪問的客戶端人機界面（HMI，Human Machine Interface）；ITMS 后端，即運行的業務邏輯和數據存儲層，包括各功能的算法與實現。

1.1 ITMS總體架構

上海松江有軌電車ITMS 是一個分層分布式結構的系統，主要由調度中心的中央級系統、主設備站的本地級系統和有軌電車車載系統等組成[5]，如圖1所示。

1.1.1 中央級系統

中央級ITMS 位于結構的最頂層，中央與本地的前置機進行通信，獲取所有信號設備的狀態數據信息并把調度命令發送給本地信號設備。

圖1 ITMS總體框架

中央級ITMS 主要通過監控車輛狀態、時刻表設置、控制有軌電車進路等，為有軌電車全線提供軌道環線、車輛段、停車場和存車線的管理功能，通過圖形HMI 執行操作控制，使有軌電車根據運行圖完成運營計劃，并將相關信息顯示在操作控制中心（OCC，Operations Control Center）的大屏幕上，實現行車調度指揮。

1.1.2 本地級系統

本地系統與中央系統保持無線通信，按指令控制本地的聯鎖系統及地面設備，同時把車站的信號設備狀態傳輸到控制中心。本地系統具備部分中央系統功能，以便中央系統故障時暫時接管，能實現聯鎖系統上位機的全部功能。

1.1.3 車載系統

有軌電車車載系統既采集、發送有軌電車運行信息，又從中央系統接收指令，實現有軌電車運行調整、進路選擇；同時建立車地通信，能夠實現列車自動定位管理和路口優先申請等功能。

1.2 仿真系統功能需求分析

由于調度中心的中央級ITMS 是整個系統的核心，具備完整的功能和最高管理權限，因此本系統對中央級ITMS 進行仿真。

ITMS 仿真系統在實現對有軌電車運行狀態的實時監控的基礎上，應具備有軌電車進路管理、時刻表管理、事件管理和診斷、服務質量和統計數據、用戶管權限配置等功能，能夠對有軌電車線路軌道環線、車輛段、停車場和存車線進行管理，可通過圖形HMI 執行操作控制。因此，ITMS 仿真系統應當具備以下功能：

（1）有軌電車進路管理。ITMS 仿真系統根據預定的時刻表和車輛實時定位提供基于時刻表的監管功能，動態計算有軌電車提前/延遲時間，通過調整有軌電車的停站時間、有軌電車站間運行時間實現對有軌電車運行的調整[6]。提供手動增加、刪除、修改有軌電車進路的功能。有軌電車進路控制指令通過有軌電車運行信息自動生成，以控制道岔、信號機、聯鎖設備等，使有軌電車正常通過。

（2）時刻表管理?；谶\行時刻表實時地生成運行圖，監控、記錄有軌電車運行狀況；允許用戶創建和管理復雜的時刻表，以便定義路線，計劃行程和安排出發時刻表。

（3）事件管理和診斷。記錄車輛和信號設備的事件、報警和診斷信息，并保存一定時長。用戶可以構建自定義過濾器并執行相關查詢以從數據庫中檢索歷史數據。

（4）服務質量和統計數據。按日期統計報警信息和有軌電車運行數據，生成簡單的反饋報告。

（5）用戶權限配置。系統提供創建和管理用戶的功能，以用戶名和密碼為標識，可設置不同級別的權限以及可以管理的聯鎖區域。

1.3 仿真系統結構

根據以上功能需求分析，本文選取有軌電車運行模擬、時刻表管理、運行圖繪制、HMI 實現幾大關鍵功能進行仿真。ITMS 仿真系統應當提供清晰的HMI，監控顯示有軌電車運行，提供常用操作指令菜單。仿真系統應具備相應的操作處理模塊，響應操作指令，運行算法。仿真系統數據存儲在數據庫模塊中，并根據數據是否發生變化劃分為動態數據、靜態數據，分別存儲，與有軌電車運行模擬模塊、操作處理模塊進行數據交互。仿真系統結構，如圖2所示。

圖2 ITMS仿真系統結構

2 ITMS仿真實現

本仿真軟件采用Visual C++ 2012 進行編寫，使用SQL 2010 數據庫存儲數據，實現ITMS 有軌電車運行模擬、時刻表管理、運行圖生成功能，利用基于VC++的 MFC 建立HMI 框架。軟件采用了面向對象的編程思想，具有程序結構清晰，易于修改，開發效率高等優點。

2.1 有軌電車運行模擬

有軌電車運行的模擬采取面向時間間隔的離散時間系統仿真方法，仿真時鐘按等距時間間隔等距推進[7]。以單向運行的單輛有軌電車為例，隨著系統初始化獲取基本數據，生成當前有軌電車模型，并為當前有軌電車分配車次號。有軌電車運行過程中，每隔一段時間掃描事件表，判斷當前時間間隔內是否有事件發生，若有則調用處理對應事件的子程序。例如，有軌電車行駛時進行進路搜索，若有進路，維持原前進速度不變；若無進路，有軌電車采取減速或停車等待策略，等待系統分配進路。有軌電車模擬運行流程圖，如圖3 所示。

同時，在HMI 界面站場圖中實時顯示有軌電車的當前位置，以有軌電車標志表示，三角形代表車頭及前進方向、車體部分顯示有軌電車車號、有軌電車尾部表示提前/延遲的調整狀態。正線區域線路分段顯示，用不同顏色表示不同的線路狀態。紫色表示當前路段被占用，綠色表示進路已被設置選定，有軌電車即將通過，如圖4 所示。

2.2 時刻表生成

圖3 有軌電車模擬運行流程

圖4 有軌電車運行定位及顯示

時刻表管理模塊提供自動生成時刻表功能。時刻表自動生成算法采取正序推點法[8]，從當前運行方向的始發站開始，對所有有軌電車依次進行編號，從數據庫中讀取各站間距離及有軌電車平均運行速度并計算站間運行時間，另根據用戶輸入的首末班車始發時刻、發車間隔時間、各站停車時間，自動推算、生成時刻表，時刻表生程成流程，如圖5 所示。

2.3 運行圖繪制

有軌電車運行圖是對時刻表數據的圖形化表達，橫軸表示時間，縱軸表示距離，根據有軌電車到站時刻與離站時刻繪制，默認假設有軌電車在站間運行是勻速行駛的，運行圖繪制流程，如圖6 所示。

圖7 展示了ITMS 仿真軟件中6：00—8：00 時間段內的松江有軌電車2 號線的有軌電車運行圖。

2.4 HMI

圖5 時刻表生成流程

圖6 運行圖的繪制流程

圖7 有軌電車運行圖

啟動ITMS 客戶端后，直接進入身份驗證頁面[9]，當正確輸入用戶名和密碼后可以對系統進行具體操作。登錄后進入主界面，主界面菜單欄功能根據用戶權限進行配置，用戶可通過工具菜單執行用戶權限配置、車輛配置、閾值配置、時刻表相關功能以及司機管理。主區域默認展示線路站場圖，可根據用戶選擇切換為時刻表管理面板或報告面板。

3 結束語

本文利用基于VC++的 MFC 編程技術對上海松江有軌電車ITMS 進行了仿真研究，采用面向時間間隔的離散時間系統仿真方法實現了有軌電車模擬運行，完成了時刻表生成、運行圖生成等關鍵功能，并繪制了HMI。該軟件模擬了ITMS 監控有軌電車運行狀況的功能，適用于調度人員崗前培訓；此外，能夠在該軟件上驗證諸如有軌電車運營時刻表調整算法等研究，具有實際應用價值。