綜合有軌電車管理系統(tǒng)仿真及研究

　　摘 要：以上海市松江有軌電車2號線的綜合有軌電車管理系統(tǒng)為研究對象，對該系統(tǒng)的結構和功能進行了分析。運用VC++編程技術、SQL數(shù)據(jù)庫和MFC技術，對仿真系統(tǒng)的基本功能，包括有軌電車模擬運行、時刻表管理、運行圖生成和HMI界面進行了仿真實現(xiàn)。該仿真軟件直觀地展現(xiàn)了有軌電車運行過 程，可以用于調度人員培訓及一些關鍵技術研究，如有軌電車運營時刻表調整算法。

　　關鍵詞：有軌電車;調度管理;仿真建模;VC++

　　隨著城市的發(fā)展及人口數(shù)量的增加，交通擁堵 和空氣污染也越來越嚴重，現(xiàn)代有軌電車作為一種 投資少、建設周期短、快速、綠色環(huán)保的新型交通 工具，成為城市交通網(wǎng)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(jiān) 控系統(tǒng)的仿真與研究，大多集中在鐵路與地鐵等 傳統(tǒng)軌道交通方向。

　　現(xiàn)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(tǒng)，依 靠既有的仿真系統(tǒng)無法完全滿足現(xiàn)代有軌電車的 仿真需求 [2-4]。 綜 合 有 軌 電 車 管 理 系 統(tǒng)(ITMS，Integrated Tramway Management System)是有軌電車自動控制 系統(tǒng)中的核心子系統(tǒng)。本文提出了一種針對上海松 江現(xiàn)代有軌電車 ITMS 的仿真研究方案，實現(xiàn)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(tǒng)設計

　　本系統(tǒng)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(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)存儲層，包括 各功能的算法與實現(xiàn)。

　　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(tǒng)，主要由調度中心的中央級系統(tǒng)、主設備站 的本地級系統(tǒng)和有軌電車車載系統(tǒng)等組成 [5]。

　　1.1.1 中央級系統(tǒng)

　　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(tài)數(shù)據(jù)信息并把調度命令發(fā)送給本地信號設備。 中央級 ITMS 主要通過監(jiān)控車輛狀態(tài)、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(huán)線、車輛段、停車場和存車線的管理功能，通 過圖形 HMI 執(zhí)行操作控制，使有軌電車根據(jù)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(xiàn)行車調度指揮。

　　1.1.2 本地級系統(tǒng)

　　本地系統(tǒng)與中央系統(tǒng)保持無線通信，按指令控 制本地的聯(lián)鎖系統(tǒng)及地面設備，同時把車站的信號 設備狀態(tài)傳輸?shù)娇刂浦行�。本地系統(tǒng)具備部分中央 系統(tǒng)功能，以便中央系統(tǒng)故障時暫時接管，能實現(xiàn) 聯(lián)鎖系統(tǒng)上位機的全部功能。

　　1.1.3 車載系統(tǒng)

　　有軌電車車載系統(tǒng)既采集、發(fā)送有軌電車運行 信息，又從中央系統(tǒng)接收指令，實現(xiàn)有軌電車運行 調整、進路選擇 ;同時建立車地通信，能夠實現(xiàn)列 車自動定位管理和路口優(yōu)先申請等功能。

　　1.2 仿真系統(tǒng)功能需求分析

　　由于調度中心的中央級 ITMS 是整個系統(tǒng)的核 心，具備完整的功能和最高管理權限，因此本系統(tǒng) 對中央級 ITMS 進行仿真。ITMS 仿真系統(tǒng)在實現(xiàn)對有軌電車運行狀態(tài)的 實時監(jiān)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(tǒng)計數(shù)據(jù)、 用戶管權限配置等功能，能夠對有軌電車線路軌道 環(huán)線、車輛段、停車場和存車線進行管理，可通過 圖形 HMI 執(zhí)行操作控制。因此，ITMS 仿真系統(tǒng)應 當具備以下功能 ：

　　(1)有軌電車進路管理。ITMS 仿真系統(tǒng)根據(jù)預 定的時刻表和車輛實時定位提供基于時刻表的監(jiān)管 功能，動態(tài)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(xiàn) 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(lián)鎖設備等，使有軌電車正常通過。

　　(2)時刻表管理�；�于運行時刻表實時地生成 運行圖，監(jiān)控、記錄有軌電車運行狀況 ;允許用戶 創(chuàng)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(fā)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(zhí)行相關查詢以從數(shù)據(jù)庫中 檢索歷史數(shù)據(jù)。 (4)服務質量和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。按日期統(tǒng)計報警信 息和有軌電車運行數(shù)據(jù)，生成簡單的反饋報告。 (5)用戶權限配置。系統(tǒng)提供創(chuàng)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(lián)鎖區(qū)域。

　　1.3 仿真系統(tǒng)結構

　　根據(jù)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(xiàn)幾大 關鍵功能進行仿真。ITMS 仿真系統(tǒng)應當提供清晰 的 HMI，監(jiān)控顯示有軌電車運行，提供常用操作指 令菜單。仿真系統(tǒng)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(tǒng)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù) 庫模塊中，并根據(jù)數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化劃分為動態(tài)數(shù) 據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)，分別存儲，與有軌電車運行模擬模塊、 操作處理模塊進行數(shù)據(jù)交互。

　　2 ITMS仿真實現(xiàn)

　　本仿真軟件采用 Visual C++ 2012 進行編寫，使 用 SQL 2010 數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，實現(xiàn) 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(fā) 效率高等優(yōu)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(tǒng)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(tǒng) 初始化獲取基本數(shù)據(jù)，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(fā)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(tǒng)分配進路。有軌電車模 擬運行流程圖。

　　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(tài)。正線區(qū)域線路 分段顯示，用不同顏色表示不同的線路狀態(tài)。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。

　　2.2 時刻表生成

　　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(fā)站開始，對所有有軌電車依次進行編號，從 數(shù)據(jù)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(jù)用戶輸入的首末班車 始發(fā)時刻、發(fā)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。

　　2.3 運行圖繪制

　　有軌電車運行圖是對時刻表數(shù)據(jù)的圖形化表達， 橫軸表示時間，縱軸表示距離，根據(jù)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。

　　交通論文投稿期刊：《現(xiàn)代城市軌道交通》(雙月刊)創(chuàng)刊于2004年，由鐵道部主管、鐵道部科學技術信息研究所和鐵科院(北京)工程咨詢有限公司主辦。將以新傳媒模式運作，密切關注城市軌道交通事業(yè)的焦點、熱點;全方位介紹國內外地鐵、輕軌等快捷交通的建設和運營經(jīng)驗;及時報道相關技術及其裝備和高新技術成果;不斷擴大國際合作，多元化促進學術研討與技術交流。

　　2.4 HMI

　　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(tǒng)進行具體操 作。登錄后進入主界面，主界面菜單欄功能根據(jù)用 戶權限進行配置，用戶可通過工具菜單執(zhí)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(qū)域默認展示線路站場圖，可根據(jù) 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(tǒng)仿真方法實現(xiàn)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(jiān)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。

　　參考文獻

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　　[8] 王詩豪 . 有軌電車運行圖編制及算法研究 [D]. 蘭州 ：蘭州交 通大學，2017.

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　　作者：李彥青，郎誠廉

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