视景仿真技术在郑州地铁1号线列车自动监控系统中的应用*

王怀松 陈荣武 易立富 王坚强 杨 城

（1.西南交通大学信息科学与技术学院，610031，成都；2.中铁二院工程集团有限责任公司，611756，成都//第一作者，硕士研究生）

视景仿真技术在郑州地铁1号线列车自动监控系统中的应用*

王怀松1陈荣武1易立富2王坚强2杨 城1

（1.西南交通大学信息科学与技术学院，610031，成都；2.中铁二院工程集团有限责任公司，611756，成都//第一作者，硕士研究生）

通过列车运行视景仿真系统，可将视景仿真技术应用到城市轨道交通列车自动监控系统中。以郑州地铁1号线为例，介绍了列车运行视景仿真系统的建立过程。通过系统接口通信，ATS（列车自动监控）系统实现了对列车运行视景仿真系统的列车自动追踪功能、信号控制功能，以及信号设备状态监控功能。经过仿真测试验证，视景系统图像输出流畅，可真实描述地铁列车的运行场景；视景系统与ATS系统结合能模拟ATS系统对在线列车的主要监控功能，具有良好的实时控制性与稳定性。

地铁；视景仿真技术；列车自动监控系统

列车运行视景仿真技术将三维视景仿真技术与轨道交通控制系统结合，广泛应用于列车驾驶员培训系统和列车运营三维演示系统中。随着计算机图像技术以及自动化控制技术的不断进步，列车运行视景仿真方法也日趋多元化。

ATS（列车自动监控）系统是城市轨道交通ATC（列车自动控制）系统的重要子系统，是集现代数据通信、计算机网络和信号技术为一体的分布式实时监督、控制系统［1］。

将列车运行视景仿真技术应用到ATS系统中，要先建立列车运行视景仿真系统（以下简为“视景系统”），并在视景系统中模拟列车运行的客观环境，从而实现列车运行三维环境与ATS系统的实时信息交互。这对研究和测试ATS的系统功能具有重要意义。

1 视景系统

1.1 视景系统的建立

视景系统以郑州地铁1号线的真实列车运行环境为原型。首先，在MSTS建模平台上构建线路三维模型；然后，便可在VS2013软件开发平台上开发各种所需要的系统控制功能，从而模拟出丰富的列车运行场景，最终完成视景系统的搭建。

视景系统性能的主要评价指标包括可扩展性、建模高效性、逼真性以及模拟场景的丰富性［2］。基于微软MSTS平台的建模方法具有强大的图像处理能力以及批量式布景功能，能大幅提高建模的质量与效率，能完全满足视景系统的性能需求。

视景系统中需要建模的主要场景模型包括：列车、轨道、信号机、车站、隧道，高架桥及其他建筑景观［3］。视景系统的设计过程如图1所示。

图1 视景系统设计过程

1.2 视景系统与ATS系统间的数据通信

基于MSTS平台开发的视景系统具有良好的扩展性。通过通信接口就可以方便地把视景系统与ATS系统从而实现视景仿真技术在ATS系统中的应用。由于视景系统是基于ATS系统对室外列车运行场景进行模拟的，故首先要保证两个系统之间信息交互的实时性和同步性，进而实现模拟车地双向通信的功能［4］。为此，两者之间的通信接口采用TCP/IP网络传输协议，并采用C#语言进行程序设计；而且，视景系统在建模时，其线路数据和信号设备位置要与ATS系统保持一一对应。在列车运行过程中，ATS系统与视景系统之间所交换的数据内容如图2所示。

图2 视景系统与ATS系统间交换的数据

视景系统与ATS系统相结合后，ATS作为服务器，视景系统作为客户端，在ATS系统界面可对视景系统中的列车和信号设备进行监控。此外，ATS支持多客户端接入，每台装有视景系统的PC机均可作为1个客户端接入ATS系统。因此，通过ATS服务器界面可对多个不同运行场景的列车运行状态和信号设备状态进行监控。

2 ATS系统功能的实现

ATS系统的基本功能包括监视功能与控制功能［5］。监视功能是指对全线的列车和设备进行监控；控制功能主要是指信号的自动控制功能、时刻表及运行图的自动调整功能等。通过视景系统模拟室外真实的列车运行场景，可更好地实现ATS系统功能。

视景系统将列车位置数据及车次号等信息发送到ATS系统接收端后，ATS系统可据此来实现全线的列车自动追踪运行、显示车次号、实现列车进入及驶出管辖区的车次号自动移位。

2.1 列车自动追踪功能

视景系统三维列车运行时，通过Timer（时钟）设置功能每隔0.05 s向ATS系统发送1次位置数据。列车位置数据由程序变量（FrontTDBTraveller.Location.X、FrontTDBTraveller.Location.Y、FrontTDBTraveller.Location.Z）中获取。其中，FrontTDBTraveller表示在三维视景系统下的列车沿运行方向最前方所在位置，且每个位置由X、Y、Z三个坐标唯一确定。视景系统将读到的坐标信息经过格式转换后发送到ATS系统。ATS系统根据接收到的位置数据控制模拟列车运行到相应位置，从而实现ATS系统对本管辖范围内列车的自动追踪功能。列车自动追踪功能的实现流程如图3所示。

图3 ATS系统通过视景系统实现列车自动追踪功能的流程

2.2 ATS信号控制功能

ATS系统的信号控制功能主要体现在对道岔、信号机以及进路的控制上。信号机、道岔及进路之间具有一定的联锁关系［6］。ATS系统首先通过列车识别信息和列车所处的轨道区段，自动生成前方道岔区段的进路控制指令，再按照列车的接近条件自动控制道岔转换、开放信号机，最后运用安全联锁来实现列车进路的自动排列。

2.2.1 ATS系统对视景系统道岔和信号机的控制

视景系统中的每个道岔或信号机都有ID（标识）编号。当ATS系统需要控制视景系统中的某个道岔（或信号机）时，ATS系统会产生1个相应的信号控制命令并发送到视景系统中。每一个信号控制命令的格式均为“信号控制类型+信号设备ID+目的转换状态”。在信号控制命令中，“信号控制类型”用“SWI”和“SIG”分别表示道岔和信号机，道岔的“目的转换状态”用二进制数“00”和“01”分别表示定位状态和反位状态，信号机的“目的转换状态”用二进制数“00”、“01”和“10”分别表示红灯、绿灯和黄灯状态。

视景系统通过VS2013开发平台来实现对道岔和信号机的控制。当视景系统收到信号控制命令后将道岔和信号机转换到相应的状态。控制道岔的函数为“void DealSwitchCommand（int id，int state）”，控制信号机的函数为“void DealSignalCommand（int id，int state）”。其中“id”和“state”为视景系统获取到的信号设备ID编号及其目的转换状态。

ATS系统界面和视景系统界面道岔转换前后的实景图如图4～7所示。

2.2.2 ATS进路控制功能

ATS系统的进路控制功能是通过对道岔及信号机等信号设备的集中控制实现的。在ATS系统发送进路控制命令前，视景系统会先以ATS系统中的信号设备为标准初始化视景系统的所有道岔和信号机；收到ATS发送的进路命令后，视景系统将道岔和信号机状态集中转换到与ATS系统一致；同时，ATS的人机界面会直观的显示排列好的进路。在视景系统道岔和信号机状态转换过程中，视景系统中信号设备的变化状态、列车的位置和运行状态、列车的车次号均可通过ATS系统进行监控。

图4 ATS系统道岔定位实景图

图5 视景系统道岔定位实景图

图6 ATS系统道岔反位实景图

图7 视景系统道岔反位实景图

3 仿真测试

为保证ATS系统与视景系统的同步性与实时性，需进行仿真测试。测试平台硬件部分主要包括8台PC机（i7处理器，8G RAM，2G显存）及8台1920×1080分辨率的显示器。测试平台软件部分主要包括 MSTS、Visual Studio 2013、.Net Framework 3.1，操作系统为 Windows7（64 bit）。测试平台将 1台PC机作为ATS系统服务器，将其余PC机作为视景系统客户端通过局域网接入ATS系统。测试以郑州地铁1号线为线路背景，从ATS系统的控制功能，以及视景系统与ATS系统的同步性和数据交互的实时性、视景系统图像输出的流畅性等方面进行测试。同步性与实时性的测试效果见图8。

测试结果表明：视景系统图像输出流畅，可真实描述地铁列车在室外的运行场景；视景系统与ATS系统结合能模拟ATS系统对室外在线列车的主要监控功能，且信号采集周期小于0.05 s，具有良好的实时控制性与稳定性。

图8 ATS系统与视景系统的同步性与实时性测试效果

4 结语

基于MSTS平台建立的视景系统，能实现视景仿真技术在ATS系统中的应用，能实现ATS系统对视景系统中列车运行状态、线路信号设备状态的监控功能，更深入地发挥了视景仿真技术在轨道交通领域的作用，对其他列车控制子系统的研究和测试具有启示意义。

视景系统与ATS系统的结合取得了预期的测试效果，但还有可优化与扩展的空间：

（1）可将更多的ATS系统功能（如按时刻表发车、ATS故障模拟、监测与报警功能等）与视景系统结合，从而构建功能更加完善的ATS综合仿真平台。

（2）日后可根据实际情况把视景系统应用到ATO（列车自动控制）系统与ATP（自动防护）系统的研究与测试中。

［1］ 邢红霞，李乐.城市轨道交通信号系统［M］.重庆：重庆大学出版社，2013：113

［2］ 杜霄，唐涛.地铁列车运行仿真系统中三维视景建模和简化［J］.系统仿真学报，2006，18（6）：1724.

［3］ 车爽.基于列车运行控制的城市轨道交通视景仿真［D］.成都：西南交通大学，2015.

［4］ 唐涛，郜春海，李开成，等.基于通信的列车运行控制技术发展战略探讨［J］.都市快轨交通，2005（6）：25.

［5］ 陈荣武.城市轨道交通控制［M］.北京：科学出版社，2014.

［6］ 董昱.区间信号与列车运行控制系统［M］.北京：中国铁道出版社，2008.

Application of Visual Simulation Technology in Train ATS of Zhengzhou Metro Line 1

WANG Huaisong，CHEN Rongwu，YI Lifu，WANG Jianqiang，YANG Cheng

Through adopting visual simulation system in train operation，the visual simulation technology can be applied to rail transport ATS system.Based on Zhengzhou metro Line 1,the use of novel technology of visual simulation is introduced.By connecting system interfaces,ATS hasrealized the functions of train running status monitoring,signal control,signal device condition monitoring and so on.The simulation results show that the image output is fluent,which can describe the real train running scene,simulate the main control functions of running trains when combined with ATS system with good performance and stability.

metro；visual simulation technology；automatic train supervision（ATS）system

First-author′s address School of Information Science&Technology，Southwest Jiaotong University，610031，Chengdu，China

U284.48

10.16037/j.1007-869x.2017.12.034

*四川省科技支撑计划项目（14ZC2069，2014GZ0081）

2016-03-31）