綜合有軌電車(chē)管理系統(tǒng)仿真及研究

　　摘 要：以上海市松江有軌電車(chē)2號(hào)線的綜合有軌電車(chē)管理系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了分析。運(yùn)用VC++編程技術(shù)、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)和MFC技術(shù)，對(duì)仿真系統(tǒng)的基本功能，包括有軌電車(chē)模擬運(yùn)行、時(shí)刻表管理、運(yùn)行圖生成和HMI界面進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)。該仿真軟件直觀地展現(xiàn)了有軌電車(chē)運(yùn)行過(guò) 程，可以用于調(diào)度人員培訓(xùn)及一些關(guān)鍵技術(shù)研究，如有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表調(diào)整算法。

　　關(guān)鍵詞：有軌電車(chē);調(diào)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(lái)越嚴(yán)重，現(xiàn)代有軌電車(chē)作為一種 投資少、建設(shè)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(luò)框架的有效補(bǔ)充 [1]。 目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)軌道交通列車(chē)運(yùn)行、自動(dòng)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(chē)在運(yùn)行速度、 路權(quán)形式、運(yùn)行控制模式等方面，與地鐵都存在 較大的差別，簡(jiǎn)單地延用地鐵調(diào)度管理系統(tǒng)，依 靠既有的仿真系統(tǒng)無(wú)法完全滿足現(xiàn)代有軌電車(chē)的 仿真需求 [2-4]。 綜 合 有 軌 電 車(chē) 管 理 系 統(tǒng)(ITMS，Integrated Tramway Management System)是有軌電車(chē)自動(dòng)控制 系統(tǒng)中的核心子系統(tǒng)。本文提出了一種針對(duì)上海松 江現(xiàn)代有軌電車(chē) ITMS 的仿真研究方案，實(shí)現(xiàn)了有軌電車(chē)模擬運(yùn)行、時(shí)刻表管理、運(yùn)行圖生成、HMI 界 面可視化等基本功能。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)仿真對(duì)象為上海松江有軌電車(chē) 2 號(hào)線 ITMS，全程共有 25 座車(chē)站，設(shè)有 1 個(gè)停車(chē)場(chǎng)和 1 個(gè) 調(diào)度中心�？傮w來(lái)看，可將 ITMS 分為前端和后端。 ITMS 前端，即調(diào)度員在調(diào)度中心、停車(chē)場(chǎng)訪問(wèn)的客 戶端人機(jī)界面(HMI，Human Machine Interface); ITMS 后端，即運(yùn)行的業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，包括 各功能的算法與實(shí)現(xiàn)。

　　1.1 ITMS總體架構(gòu)

　　上海松江有軌電車(chē) ITMS 是一個(gè)分層分布式結(jié)構(gòu) 的系統(tǒng)，主要由調(diào)度中心的中央級(jí)系統(tǒng)、主設(shè)備站 的本地級(jí)系統(tǒng)和有軌電車(chē)車(chē)載系統(tǒng)等組成 [5]。

　　1.1.1 中央級(jí)系統(tǒng)

　　中央級(jí) ITMS 位于結(jié)構(gòu)的最頂層，中央與本地的 前置機(jī)進(jìn)行通信，獲取所有信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息并把調(diào)度命令發(fā)送給本地信號(hào)設(shè)備。 中央級(jí) ITMS 主要通過(guò)監(jiān)控車(chē)輛狀態(tài)、時(shí)刻表設(shè) 置、控制有軌電車(chē)進(jìn)路等，為有軌電車(chē)全線提供軌 道環(huán)線、車(chē)輛段、停車(chē)場(chǎng)和存車(chē)線的管理功能，通 過(guò)圖形 HMI 執(zhí)行操作控制，使有軌電車(chē)根據(jù)運(yùn)行圖 完成運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，并將相關(guān)信息顯示在操作控制中心 (OCC，Operations Control Center)的大屏幕上，實(shí) 現(xiàn)行車(chē)調(diào)度指揮。

　　1.1.2 本地級(jí)系統(tǒng)

　　本地系統(tǒng)與中央系統(tǒng)保持無(wú)線通信，按指令控 制本地的聯(lián)鎖系統(tǒng)及地面設(shè)備，同時(shí)把車(chē)站的信號(hào) 設(shè)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(shí)暫時(shí)接管，能實(shí)現(xiàn) 聯(lián)鎖系統(tǒng)上位機(jī)的全部功能。

　　1.1.3 車(chē)載系統(tǒng)

　　有軌電車(chē)車(chē)載系統(tǒng)既采集、發(fā)送有軌電車(chē)運(yùn)行 信息，又從中央系統(tǒng)接收指令，實(shí)現(xiàn)有軌電車(chē)運(yùn)行 調(diào)整、進(jìn)路選擇 ;同時(shí)建立車(chē)地通信，能夠?qū)崿F(xiàn)列 車(chē)自動(dòng)定位管理和路口優(yōu)先申請(qǐng)等功能。

　　1.2 仿真系統(tǒng)功能需求分析

　　由于調(diào)度中心的中央級(jí) ITMS 是整個(gè)系統(tǒng)的核 心，具備完整的功能和最高管理權(quán)限，因此本系統(tǒng) 對(duì)中央級(jí) ITMS 進(jìn)行仿真。ITMS 仿真系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)對(duì)有軌電車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的 實(shí)時(shí)監(jiān)控的基礎(chǔ)上，應(yīng)具備有軌電車(chē)進(jìn)路管理、時(shí) 刻表管理、事件管理和診斷、服務(wù)質(zhì)量和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、 用戶管權(quán)限配置等功能，能夠?qū)τ熊夒娷?chē)線路軌道 環(huán)線、車(chē)輛段、停車(chē)場(chǎng)和存車(chē)線進(jìn)行管理，可通過(guò) 圖形 HMI 執(zhí)行操作控制。因此，ITMS 仿真系統(tǒng)應(yīng) 當(dāng)具備以下功能 ：

　　(1)有軌電車(chē)進(jìn)路管理。ITMS 仿真系統(tǒng)根據(jù)預(yù) 定的時(shí)刻表和車(chē)輛實(shí)時(shí)定位提供基于時(shí)刻表的監(jiān)管 功能，動(dòng)態(tài)計(jì)算有軌電車(chē)提前 / 延遲時(shí)間，通過(guò)調(diào)整 有軌電車(chē)的停站時(shí)間、有軌電車(chē)站間運(yùn)行時(shí)間實(shí)現(xiàn) 對(duì)有軌電車(chē)運(yùn)行的調(diào)整 [6]。提供手動(dòng)增加、刪除、修 改有軌電車(chē)進(jìn)路的功能。有軌電車(chē)進(jìn)路控制指令通 過(guò)有軌電車(chē)運(yùn)行信息自動(dòng)生成，以控制道岔、信號(hào)機(jī)、 聯(lián)鎖設(shè)備等，使有軌電車(chē)正常通過(guò)。

　　(2)時(shí)刻表管理。基于運(yùn)行時(shí)刻表實(shí)時(shí)地生成 運(yùn)行圖，監(jiān)控、記錄有軌電車(chē)運(yùn)行狀況 ;允許用戶 創(chuàng)建和管理復(fù)雜的時(shí)刻表，以便定義路線，計(jì)劃行 程和安排出發(fā)時(shí)刻表。 (3)事件管理和診斷。記錄車(chē)輛和信號(hào)設(shè)備的 事件、報(bào)警和診斷信息，并保存一定時(shí)長(zhǎng)。用戶可 以構(gòu)建自定義過(guò)濾器并執(zhí)行相關(guān)查詢(xún)以從數(shù)據(jù)庫(kù)中 檢索歷史數(shù)據(jù)。 (4)服務(wù)質(zhì)量和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。按日期統(tǒng)計(jì)報(bào)警信 息和有軌電車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)，生成簡(jiǎn)單的反饋報(bào)告。 (5)用戶權(quán)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(biāo)識(shí)，可設(shè)置不同級(jí)別 的權(quán)限以及可以管理的聯(lián)鎖區(qū)域。

　　1.3 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)以上功能需求分析，本文選取有軌電車(chē)運(yùn) 行模擬、時(shí)刻表管理、運(yùn)行圖繪制、HMI 實(shí)現(xiàn)幾大 關(guān)鍵功能進(jìn)行仿真。ITMS 仿真系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)提供清晰 的 HMI，監(jiān)控顯示有軌電車(chē)運(yùn)行，提供常用操作指 令菜單。仿真系統(tǒng)應(yīng)具備相應(yīng)的操作處理模塊，響 應(yīng)操作指令，運(yùn)行算法。仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù) 庫(kù)模塊中，并根據(jù)數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化劃分為動(dòng)態(tài)數(shù) 據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)，分別存儲(chǔ)，與有軌電車(chē)運(yùn)行模擬模塊、 操作處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

　　2 ITMS仿真實(shí)現(xiàn)

　　本仿真軟件采用 Visual C++ 2012 進(jìn)行編寫(xiě)，使 用 SQL 2010 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn) ITMS 有軌電車(chē) 運(yùn)行模擬、時(shí)刻表管理、運(yùn)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?qū)ο?的編程思想，具有程序結(jié)構(gòu)清晰，易于修改，開(kāi)發(fā) 效率高等優(yōu)點(diǎn)。

　　2.1 有軌電車(chē)運(yùn)行模擬

　　有軌電車(chē)運(yùn)行的模擬采取面向時(shí)間間隔的離散 時(shí)間系統(tǒng)仿真方法，仿真時(shí)鐘按等距時(shí)間間隔等距 推進(jìn) [7]。以單向運(yùn)行的單輛有軌電車(chē)為例，隨著系統(tǒng) 初始化獲取基本數(shù)據(jù)，生成當(dāng)前有軌電車(chē)模型，并 為當(dāng)前有軌電車(chē)分配車(chē)次號(hào)。有軌電車(chē)運(yùn)行過(guò)程中， 每隔一段時(shí)間掃描事件表，判斷當(dāng)前時(shí)間間隔內(nèi)是 否有事件發(fā)生，若有則調(diào)用處理對(duì)應(yīng)事件的子程序。 例如，有軌電車(chē)行駛時(shí)進(jìn)行進(jìn)路搜索，若有進(jìn)路，維 持原前進(jìn)速度不變 ;若無(wú)進(jìn)路，有軌電車(chē)采取減速 或停車(chē)等待策略，等待系統(tǒng)分配進(jìn)路。有軌電車(chē)模 擬運(yùn)行流程圖。

　　同時(shí)，在 HMI 界面站場(chǎng)圖中實(shí)時(shí)顯示有軌電車(chē) 的當(dāng)前位置，以有軌電車(chē)標(biāo)志表示，三角形代表車(chē) 頭及前進(jìn)方向、車(chē)體部分顯示有軌電車(chē)車(chē)號(hào)、有軌 電車(chē)尾部表示提前 / 延遲的調(diào)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(dāng)前路段被占用，綠色表示進(jìn)路已被設(shè)置選定， 有軌電車(chē)即將通過(guò)。

　　2.2 時(shí)刻表生成

　　時(shí)刻表管理模塊提供自動(dòng)生成時(shí)刻表功能。時(shí) 刻表自動(dòng)生成算法采取正序推點(diǎn)法 [8]，從當(dāng)前運(yùn)行方 向的始發(fā)站開(kāi)始，對(duì)所有有軌電車(chē)依次進(jìn)行編號(hào)，從 數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取各站間距離及有軌電車(chē)平均運(yùn)行速度 并計(jì)算站間運(yùn)行時(shí)間，另根據(jù)用戶輸入的首末班車(chē) 始發(fā)時(shí)刻、發(fā)車(chē)間隔時(shí)間、各站停車(chē)時(shí)間，自動(dòng)推算、 生成時(shí)刻表，時(shí)刻表生程成流程。

　　2.3 運(yùn)行圖繪制

　　有軌電車(chē)運(yùn)行圖是對(duì)時(shí)刻表數(shù)據(jù)的圖形化表達(dá)， 橫軸表示時(shí)間，縱軸表示距離，根據(jù)有軌電車(chē)到站時(shí)刻與離站時(shí)刻繪制，默認(rèn)假設(shè)有軌電車(chē)在站間運(yùn)行是勻速行駛的，運(yùn)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(xué)技術(shù)信息研究所和鐵科院(北京)工程咨詢(xún)有限公司主辦。將以新傳媒模式運(yùn)作，密切關(guān)注城市軌道交通事業(yè)的焦點(diǎn)、熱點(diǎn);全方位介紹國(guó)內(nèi)外地鐵、輕軌等快捷交通的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn);及時(shí)報(bào)道相關(guān)技術(shù)及其裝備和高新技術(shù)成果;不斷擴(kuò)大國(guó)際合作，多元化促進(jìn)學(xué)術(shù)研討與技術(shù)交流。

　　2.4 HMI

　　啟動(dòng) ITMS 客戶端后，直接進(jìn)入身份驗(yàn)證頁(yè)面 [9]， 當(dāng)正確輸入用戶名和密碼后可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行具體操 作。登錄后進(jìn)入主界面，主界面菜單欄功能根據(jù)用 戶權(quán)限進(jìn)行配置，用戶可通過(guò)工具菜單執(zhí)行用戶權(quán) 限配置、車(chē)輛配置、閾值配置、時(shí)刻表相關(guān)功能以 及司機(jī)管理。主區(qū)域默認(rèn)展示線路站場(chǎng)圖，可根據(jù) 用戶選擇切換為時(shí)刻表管理面板或報(bào)告面板。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文利用基于 VC++ 的 MFC 編程技術(shù)對(duì)上海松 江有軌電車(chē) ITMS 進(jìn)行了仿真研究，采用面向時(shí)間 間隔的離散時(shí)間系統(tǒng)仿真方法實(shí)現(xiàn)了有軌電車(chē)模擬 運(yùn)行，完成了時(shí)刻表生成、運(yùn)行圖生成等關(guān)鍵功能， 并繪制了 HMI。該軟件模擬了 ITMS 監(jiān)控有軌電車(chē) 運(yùn)行狀況的功能，適用于調(diào)度人員崗前培訓(xùn) ;此外， 能夠在該軟件上驗(yàn)證諸如有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表調(diào)整 算法等研究，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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　　作者：李彥青，郎誠(chéng)廉

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