精品資料（2021-2022年收藏的）編組站綜合集成自動化系統(tǒng)

1、編組站綜合集成自動化系統(tǒng)（CIPS）中計算機輔助設(shè)計（CAD）的研究與實現(xiàn)北京全路通信信號研究設(shè)計院趙秀全、常效輝1. 引言編組站綜合集成自動化系統(tǒng)（簡稱CIPS）管理了編組站內(nèi)決策層、管理層、調(diào)度層、執(zhí)行層等業(yè)務(wù)層面的所有站場資源和崗位資源信息；而且針對調(diào)度層的管理特點，自動決策安排調(diào)度計劃；與自動控制系統(tǒng)相連接，直接控制自動化系統(tǒng)并接受處理反饋信息，并且根據(jù)反饋信息自動調(diào)整決策，從而實現(xiàn)了編組站內(nèi)的全面信息化與自動化。自動決策與執(zhí)行依賴于站場資源的數(shù)據(jù)以及由此產(chǎn)生的其它信息。站場資源的數(shù)據(jù)量十分巨大，如果單純依靠人工錄入的方法實現(xiàn)是十分困難的，尤其是發(fā)生變化后的修改更是艱巨。由于需要比較專

2、業(yè)的數(shù)據(jù)描述，我們在分析了有關(guān)的輔助工具（如AutoCAD等）后發(fā)現(xiàn)無法直接利用現(xiàn)有的工具實現(xiàn)需求，因此開發(fā)基于CIPS系統(tǒng)的專門的CAD工具成為必然。該CAD是基于全編組站的資源（包括道岔、信號、線路、無岔區(qū)段、減速器等信號設(shè)備以及調(diào)機和CIPS系統(tǒng)下的各控制子系統(tǒng)等資源），以信號工程圖為基礎(chǔ)，通過圖形化的方式完成實體對象繪制并對于各實體對象賦予相關(guān)的屬性，進而產(chǎn)生需要的數(shù)據(jù)。根據(jù)CAD設(shè)計原理，軟件提供幾何造型、特征計算、繪圖等功能，按照構(gòu)造應(yīng)用軟件的四個要素（算法 、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、用戶界面和數(shù)據(jù)管理）進行開發(fā)設(shè)計，在DotNet FrameWork平臺下用c#語言實現(xiàn)，使得CIPS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)

3、形成流水性生產(chǎn)，不僅大大提高了工作效率，還保證了數(shù)據(jù)準確性。2. 建模系統(tǒng)所管理的內(nèi)容包括全部編組站的道岔、信號機、線路、無岔區(qū)段、減速器、停車器、調(diào)機以及CIPS系統(tǒng)下的各控制子系統(tǒng)。對于這些實體進行抽象，建立起正確的對象模型是實現(xiàn)CIPS系統(tǒng)CAD工具可實現(xiàn)的前提；并且建立的實體結(jié)構(gòu)能夠符合關(guān)系數(shù)據(jù)庫特點，能夠為后續(xù)數(shù)據(jù)運算和挖掘打下基礎(chǔ)。2.1 實體單元的抽象系統(tǒng)所管理的資源都具備基本特征：ID、名稱、所屬區(qū)域、所屬系統(tǒng)等。我們在此基礎(chǔ)上建立“設(shè)備”模型，所有實體的抽象模型都基于“設(shè)備”派生。每種實體根據(jù)自身特點增加自我描述的物理坐標（如：道岔需要岔前、定位、反位等坐標，信號機需要機柱和

4、燈位坐標等），描述這些物理特性建立GDI對象如：線段、橢圓、矩形、文本等。對象的UML關(guān)系圖如下：依據(jù)CAD設(shè)計的要素抽象后的模型不僅有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還要提供相應(yīng)的人機界面滿足數(shù)據(jù)錄入的要求，并且支持通過圖形的操作完成模型的移動、縮放、修改、刪除、復(fù)制、粘貼等功能。根據(jù)CIPS系統(tǒng)的特點，該CAD增加了批處理操作包括移動、刪除、數(shù)據(jù)修改、對齊、排序等，支持用戶批量數(shù)據(jù)的修改，快速完成操作。特別是糾錯校驗功能，能夠通過圖形化的方式提醒用戶數(shù)據(jù)可能存在的錯誤，保證數(shù)據(jù)的準確。2.2 模型間關(guān)系的抽象在站場中每個實體不是獨立的單元，是相互連接的，并且通過聯(lián)鎖表可以描述實體之間在某些條件下的相互關(guān)系。只有正

5、確描述這些關(guān)系，CIPS系統(tǒng)才能夠根據(jù)當前的站場情況作出合適的決策，保證各控制子系統(tǒng)的準確執(zhí)行。對于任何站場來說實際就是由道岔、無岔區(qū)段（包含無軌道線路）、減速器（駝峰場）所形成的一個集合。我們需要對實體單元的抽象模型增加連接，并且連接是帶方向的。全場的模型間連接以及連接方向的集合就構(gòu)成了一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，CIPS系統(tǒng)所進行的決策分析就是基于該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下進行。根據(jù)信號圖，需要進行合適的模型轉(zhuǎn)換，減少模型的種類以方便后續(xù)的算法建立。轉(zhuǎn)換原則是：n 道岔模型：無論是雙動道岔還是交叉渡線，都拆分為由多個單獨的道岔單元模型組成，每個道岔單元模型就是標準的二叉樹節(jié)點，其開口包括3個方向。把道岔區(qū)段依附到每個

6、道岔模型中，通過描述模型間的聯(lián)鎖關(guān)系（如多個道岔一個區(qū)段問題可以描述為模型間在具體方向上共區(qū)段）完成模型到實體的還原。n 無岔區(qū)段模型：無論是任何形式的無岔區(qū)段（包括派生的減速器模型和線路模型），是否有軌道電路，就是一個單叉節(jié)點。n 信號模型：把信號機視為一帶有方向的特殊節(jié)點，前方即為信號的防護區(qū)段，帶方向為了后續(xù)算法的需要。對于并置信號按照信號方向分離后在站場網(wǎng)絡(luò)圖中形成一定順序。簡單的站場網(wǎng)絡(luò)圖的結(jié)構(gòu)如下：2.3 模型特征在模型具有其基本特征（如：ID、類型、名稱、子系統(tǒng)ID、區(qū)域ID、長度等）之上，根據(jù)模型間關(guān)系描述，需要對設(shè)備增加設(shè)備的前后方關(guān)系特征（道岔為前方、定位、反位3個方向，其

7、它設(shè)備僅前方、后方兩個方向），對于按鈕和文本窗口等由于僅僅是輔助模型非實體單元，不在關(guān)系圖中出現(xiàn)。CIPS系統(tǒng)的計劃執(zhí)行依靠聯(lián)鎖、駝峰控制系統(tǒng)完成的，系統(tǒng)的決策準確與否要看執(zhí)行系統(tǒng)能否執(zhí)行。如果計劃建立的指令是各控制子系統(tǒng)所不能執(zhí)行的，那么將導(dǎo)致自動執(zhí)行功能的癱瘓，因此需要對模型增加必要的聯(lián)鎖特征（如：始終端信號能否排列進路，列車還是調(diào)車進路）。一般的聯(lián)鎖系統(tǒng)數(shù)據(jù)定義是基于聯(lián)鎖表所實現(xiàn)的，與實際的運輸需求是脫節(jié)的。在CIPS系統(tǒng)中則需要充分考慮運輸作業(yè)中的實際需要，CIPS對于行車指揮的自動執(zhí)行靠指令完成的，指令的具體內(nèi)容就是路徑。路徑是超越進路之上的一種結(jié)構(gòu)描述，它的描述的是從源線路到目的線

8、路以何種進路（列車、調(diào)車、溜放等）完成行車任務(wù)。路徑的源、目的就是線路，在線路定義方面有很大的靈活性，合理的線路定義會減少行車干擾提高生產(chǎn)效率，線路定義要考慮存車、接發(fā)列車、機車走行、機車折返等要素。所以要求在線路模型設(shè)計中還要增加運輸需要的有關(guān)特征。3. 界面操作CAD工具的主要作用就是通過圖形化方式完成數(shù)據(jù)的處理，因此方便靈活的操作是CAD工具的基本要素。根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求，擴展出必要的批處理功能能夠大大簡化用戶操作，提供更人性化的服務(wù)。3.1 繪圖操作所有的繪圖操作都在底版上進行，底版是根據(jù)配置能夠設(shè)置為可變大小的容器，具有滾動與拖動功能。用戶可以在底版設(shè)置網(wǎng)格線，便于使用中根據(jù)網(wǎng)格線繪

9、制圖形，輔助用戶直觀地控制間隔與角度。根據(jù)模型特征描述，建立基于GDI+的模型模板與對應(yīng)的菜單。用戶通過菜單可以把任何一種模型調(diào)入，根據(jù)模型的不同，系統(tǒng)能夠自動分配有關(guān)的屬性（如：單動、雙動道岔，調(diào)車、列車信號）。根據(jù)站場的布置自由對設(shè)備進行移動、旋轉(zhuǎn)、縮放、刪除、調(diào)整夾角等操作，然后根據(jù)連接情況用連接線把模型與其它模型連接，連接線自動組合為模型的一部分。連接線具有?？抗δ埽谟行нB接區(qū)域內(nèi)能夠自動粘連到對應(yīng)的節(jié)點，避免鼠標抖動引起的誤差。布置完畢的模型需要用戶自定義有關(guān)特征（如ID、名稱、區(qū)域等），默認是通過系統(tǒng)自動分配的方式分配ID。界面提供：文本錄入、枚舉型下拉、比特型選擇以及組合類型選

10、擇等方式，利用模型復(fù)制手段在粘貼出新模型時除ID與名稱外其它特征都繼承下來。根據(jù)CIPS系統(tǒng)要求的站場模型內(nèi)容，采用批處理的復(fù)制、粘貼、移動、修改等快捷方式可以批量產(chǎn)生模型（如48條調(diào)車線一次產(chǎn)生），并且支持ID與名稱按一定規(guī)律自動填充，快速完成布置。在站場布置完畢后，可以通過對齊的操作，美化界面設(shè)計。3.2 圖形處理n 圖形拼接：CIPS系統(tǒng)不僅僅應(yīng)用于編組站還可以應(yīng)用到鐵路樞紐，往往包含幾十個車站，繪圖工作量大，一張圖可能由多個人同時分工進行，因此CAD工具提供圖形拼接功能。能夠?qū)⒍鄰垐D形拼接在一起轉(zhuǎn)換為一張圖形展示。n 圖形拆分：通過進程間的窗口消息方式，可以把其中部分圖形轉(zhuǎn)換為零散的獨

11、立圖形，給只關(guān)心本區(qū)域內(nèi)的用戶使用。n 圖形鏡像：由于不同崗位的地點不同，往往出現(xiàn)圖形布局左右相反的情況，圖形鏡像功能可以順利在原圖基礎(chǔ)上實現(xiàn)圖形的翻轉(zhuǎn)，滿足不同崗位不同的視覺需求。n 圖形縮放：為站場圖形設(shè)計人員提供局部的或總體的視圖，保證既要在局部上圖形的準確又能夠做到整體上圖形的美觀。3.3 校驗功能由于數(shù)據(jù)量大（例如武漢北編組站的各種模型總量近3000個）且每種模型又有大量的特征，單純依靠人工是無法保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的。通過對于站場網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分析CAD根據(jù)能夠自動計算出模型間的連接關(guān)系，在此基礎(chǔ)上根據(jù)人工第一的特征能夠自動計算出雙動道岔模型、共區(qū)段道岔模型間的關(guān)系，也能夠計算出信號的單置、并

12、置、差置、盡頭以及調(diào)車、列車信號的始終端按鈕。通過自動檢查能夠篩查出重復(fù)的ID、名稱等模型并報警，對于CIPS的場域、子系統(tǒng)等特征能夠根據(jù)模型種類進行校驗，對于可能存在特征設(shè)置問題的模型通過文本與圖形化的方式給出提示。校驗功能對于路徑與線路的設(shè)置尤其重要。由于線路是根據(jù)運輸需求設(shè)置，有很大靈活性，對于站場設(shè)計人員要求較強的專業(yè)知識，不合理的設(shè)計在后期的修改中不僅CIPS管理系統(tǒng)包括所有子系統(tǒng)都要修改，工作量大。根據(jù)CIPS系統(tǒng)的線路設(shè)計規(guī)則，CAD工具通過對路徑表的檢查能夠提示出用戶可能不準確的設(shè)置，提高設(shè)計標準。4. 數(shù)據(jù)處理對于任何CAD輔助設(shè)計來說，所進行的界面設(shè)計最終目的還是數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

13、，界面展示與操作僅僅是手段，數(shù)據(jù)處理才是核心。對于CIPS系統(tǒng)子系統(tǒng)就繁多（例如成都北CIPS系統(tǒng)子系統(tǒng)有十多個），對外還有微機監(jiān)測系統(tǒng)、TDCS系統(tǒng)等很多接口。CIPS管理系統(tǒng)要實現(xiàn)自動決策與執(zhí)行基于大量的數(shù)據(jù)，因此統(tǒng)一、規(guī)范的數(shù)據(jù)接口標準是各系統(tǒng)能夠自主開發(fā)且又有機協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)。4.1 數(shù)據(jù)組織業(yè)務(wù)的發(fā)展是不斷深入的過程，系統(tǒng)功能也是不斷提高和完善，要求對應(yīng)的CAD工具也是不斷擴充。必須設(shè)計易于擴展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在新功能不斷增加的同時能夠很好地實現(xiàn)對早期版本數(shù)據(jù)的兼容，以方便實現(xiàn)既有系統(tǒng)的二次開發(fā)需要。數(shù)據(jù)組織方面采用了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)庫的3層模式，最后數(shù)據(jù)都存儲于數(shù)據(jù)庫中。在程序應(yīng)用中采用數(shù)

14、據(jù)結(jié)構(gòu)，訪問頻繁且數(shù)據(jù)量大的內(nèi)容采用哈希表的方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速訪問。以模型為例，每個模型對象的ID為Key值建立Hash表，由于在站場是以ID為節(jié)點建立的網(wǎng)絡(luò)圖，模型間的關(guān)系等也是以ID建立的鏈，Hash表保證了站場網(wǎng)絡(luò)的遍歷快速完成；數(shù)據(jù)集在程序中既能夠快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理又能夠以表的形式直觀、方便地比較數(shù)據(jù)的變化，還實現(xiàn)了存儲的接口；數(shù)據(jù)庫存儲與CIPS管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一致，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以直接應(yīng)用。由于CIPS管理系統(tǒng)與各子系統(tǒng)是緊密的一個集成系統(tǒng)，實現(xiàn)所有子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享能夠避免由于各系統(tǒng)間軟件升級造成的版本問題，為系統(tǒng)軟件發(fā)展提供良好的平臺。在站場表示、線路、場域、故障代碼等方面，CAD工具

15、統(tǒng)一產(chǎn)生數(shù)據(jù)，雖然不同類型數(shù)據(jù)根據(jù)需要展現(xiàn)方式不同，但后臺都基于數(shù)據(jù)庫這一唯一數(shù)據(jù)源。CIPS系統(tǒng)為各子系統(tǒng)提供統(tǒng)一的組件，各系統(tǒng)間的信息交換通過組件統(tǒng)一完成，各子系統(tǒng)只負責具體的業(yè)務(wù)功能，這樣不單提高了開發(fā)效率還避免了系統(tǒng)發(fā)展過程中出現(xiàn)的不平衡發(fā)展問題。4.2 碼位數(shù)據(jù)CIPS系統(tǒng)的碼位數(shù)據(jù)主要是管理系統(tǒng)與各子系統(tǒng)、TDCS系統(tǒng)、CTC系統(tǒng)的站場表示數(shù)據(jù)交換。參考CTC系統(tǒng)的協(xié)議的數(shù)據(jù)定義方法CIPS系統(tǒng)制定了一套完整的信息交換結(jié)構(gòu)體系即碼位數(shù)據(jù)，并在各系統(tǒng)間共享統(tǒng)一的動態(tài)鏈接庫。碼位數(shù)據(jù)內(nèi)容上不僅包含道岔、信號、區(qū)段、減速器、停車器等基本的信號內(nèi)容，還包括駝峰溜放中的命令、測長、測速以及設(shè)

16、備停用、系統(tǒng)狀態(tài)、時鐘、系統(tǒng)檢測等綜合信息，所以CIPS系統(tǒng)的碼位數(shù)據(jù)不僅僅是站場信息的表示，更確切地是綜合表示系統(tǒng)。碼位數(shù)據(jù)按照站、系統(tǒng)、場、咽喉、模型ID自動由CAD工具自動排序根據(jù)信息類別自動產(chǎn)生，保存到數(shù)據(jù)庫中。由于各子系統(tǒng)的ID是獨立編號完成控制功能，CIPS管理系統(tǒng)和各子系統(tǒng)之間的碼位數(shù)據(jù)通過名稱實現(xiàn)對照，為了避免不同站之間重復(fù)名稱問題，名稱結(jié)構(gòu)為站名+信號名稱方式。碼位表的字段包括：類型、名稱、比特排序、字節(jié)排序。各子系統(tǒng)發(fā)送給管理系統(tǒng)的表示數(shù)據(jù)由各子系統(tǒng)設(shè)計人員完成，通過Excel文件格式提交給CAD工具。CAD工具根據(jù)自動產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與各子系統(tǒng)提交的數(shù)據(jù)進行比較分析，給出不匹配

17、或格式錯誤的數(shù)據(jù)信息，供設(shè)計人員檢查。在確認數(shù)據(jù)準確后對所有的數(shù)據(jù)進行整合，產(chǎn)生子系統(tǒng)碼位表，子系統(tǒng)碼位表字段與CIPS系統(tǒng)碼表位結(jié)構(gòu)基本一致，增加了“子系統(tǒng)ID”字段，各子系統(tǒng)間獨立進行排序。CIPS的碼位數(shù)據(jù)每次產(chǎn)生都對應(yīng)一個版本號，在站場表示服務(wù)廣播時會把版本號廣播，如果客戶端或子系統(tǒng)收到的數(shù)據(jù)版本號不正確，將不進行數(shù)據(jù)處理并報警，避免版本不一致造成的數(shù)據(jù)分析錯誤。4.3 路徑數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中節(jié)點到節(jié)點的通路稱為路徑，借用此概念應(yīng)用到CIPS系統(tǒng)中描述線路到線路的通路稱為路徑，路徑是沒有方向的。線路到線路的路徑是唯一的，由于分枝不同產(chǎn)生的不同的通路稱為進路，進路是有方向的。每條路徑可能

18、有多條進路，按照進路排序規(guī)則依次編號，序號是管理系統(tǒng)與控制子系統(tǒng)的公共進路ID。每條進路下包含許多的設(shè)備及其位置（如道岔的定反位、信號的正向、反向等），這些設(shè)備按照在進路上的順序排序。進路上的設(shè)備需要和聯(lián)鎖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行校核，作為進路變更的指導(dǎo)。CIPS管理系統(tǒng)指揮各控制子系統(tǒng)的自動執(zhí)行是通過指令集實現(xiàn)的，指令集的基本內(nèi)容是路徑。路徑定義是不能夠跨越子系統(tǒng)的，原則上也不可以跨咽喉。在管理系統(tǒng)沒有指定具體進路的情況下，聯(lián)鎖系統(tǒng)按照默認的進路執(zhí)行指令選排進路；在管理系統(tǒng)指定具體的進路編號情況下，聯(lián)鎖系統(tǒng)按照公共進路ID查找到具體的設(shè)備位置走變更進路執(zhí)行。4.3.1 路徑、進路搜索與產(chǎn)生線路是站場網(wǎng)

19、絡(luò)圖上的一個節(jié)點，從任意線路開始向外搜索，采用遞歸方式如果找到線路則產(chǎn)生了路徑并返回，所經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點即為經(jīng)過的設(shè)備，找到盡頭也返回。根據(jù)基本的站場網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和信號特征，建立以下搜索規(guī)則：n 順序規(guī)則：通常的選路規(guī)則是由咽喉往股道搜索的方式，路徑搜索也是采用該方式，先從咽喉線路開始再用場內(nèi)線路搜索；n 方向單調(diào)規(guī)則：搜索一定在方向上一定是單調(diào)的，方向的描述由具體模型決定；n 道岔位置優(yōu)先規(guī)則：根據(jù)聯(lián)鎖系統(tǒng)確定的道岔定、反位優(yōu)先原則，優(yōu)先搜索位置優(yōu)先方向；n 可執(zhí)行規(guī)則：進路上一定包含有始終端信號（或可以作始終端的其它設(shè)備），這樣的進路才是可執(zhí)行的，否則為無效進路；n 始終端匹配規(guī)則：進路的始

20、終端一定是聯(lián)鎖系統(tǒng)所認可的，該規(guī)則是對上一條規(guī)則的延伸；n 列車進路規(guī)則：如果進路始端可以做列車進路始端，那么終端也一定是列車進路終端。在搜索中即使遇上了線路也繼續(xù)遞歸直到找到匹配的終端產(chǎn)生路徑、線路。n 迂回排除原則：在同一路徑同向的進路中如果進路A上的所有模型在進路B中都包含且進路B內(nèi)容大于進路A的內(nèi)容，這種情況進路B就是迂回進路，在實際的執(zhí)行中是不存在的，進路B為無效數(shù)據(jù)。根據(jù)測繪數(shù)據(jù)CAD工具將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具體的模型區(qū)段長度。模型是站場網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點，其長度就是節(jié)點的權(quán)值。在進路搜索中不僅產(chǎn)生模型的位置關(guān)系還有深度參數(shù)，即從始端開始到該設(shè)備的距離。同一路徑不同進路的深度也不相同，CAD工具按照進路深度由小到大原則重新對進路排序。4.3.2 路徑相擾編組站無論的接發(fā)列車還是調(diào)車作業(yè)，都需要完成車輛的移動。車輛移動是通過路徑的方式由指令集指導(dǎo)各控制系統(tǒng)完成。所有這些業(yè)務(wù)都是并發(fā)執(zhí)行的，合理產(chǎn)生路徑最大可能并行作業(yè)，能夠提高作業(yè)效率，這需要路徑相擾處理。根據(jù)路徑、進路、進路設(shè)備的關(guān)系，兩條路徑間主要滿足一條進路不沖突則這兩條路徑可以并發(fā)執(zhí)行，這兩條路徑是不相擾的，否則相擾。要求進路的設(shè)備不僅包括進路上的設(shè)備還有其它關(guān)聯(lián)設(shè)備（如交叉渡線走反位時整個渡線資源都被占用）。正確描述的相擾問