胡壽建 鮑大彪

摘要：列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Train Supervision System，ATS）是城市軌道交通列車自動控制系統(tǒng)（Automatic Train Control，ATC）中的重要組成子系統(tǒng)。它主要負(fù)責(zé)列車運(yùn)行控制與監(jiān)督，同時(shí)在調(diào)度指揮中輔助調(diào)度人員實(shí)現(xiàn)全線管理行車作業(yè)。文章運(yùn)用國際流行的技術(shù)棧Vue與Spring Boot框架，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于 B/S 架構(gòu)的城市軌道交通ATS仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)提供ATS列車識別追蹤、列車自動進(jìn)路控制、列車運(yùn)行圖自動調(diào)整、設(shè)置故障與恢復(fù)等功能。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，仿真系統(tǒng)具有較高的自動化與智能化水平。本仿真系統(tǒng)使列車自動監(jiān)控工作完成方便快捷，使仿真場景顯示清晰直觀；同時(shí)，有助于在教學(xué)和培訓(xùn)上減輕教學(xué)壓力，加深學(xué)員對城市軌道交通全線作業(yè)的理解，提高學(xué)員的動手能力。

關(guān)鍵詞：ATS仿真系統(tǒng)；B/S架構(gòu)；Vue框架；Spring Boot框架

中圖分類號：U291.69? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市交通擁堵現(xiàn)象日益嚴(yán)重。作為緩解交通擁堵的有效途徑之一，開發(fā)城市軌道交通成為眾多城市建設(shè)發(fā)展的共同選擇。由于發(fā)車密度不斷增大，列車行車間隔不斷縮短，所以行車安全對全線行車指揮中心調(diào)度員的業(yè)務(wù)能力要求越來越高。而以列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）為核心的列車自動控制系統(tǒng)，可以有效實(shí)現(xiàn)對列車和地面設(shè)備的遠(yuǎn)程自動控制，有利于減輕行車調(diào)度的工作強(qiáng)度，在保證行車安全的前提下完成高效的旅客運(yùn)輸業(yè)務(wù)［1］。目前，城市軌道交通仿真系統(tǒng)一般采用的都是C/S架構(gòu)，一方面要求用戶在本地客戶端安裝專門的軟件，造成額外的工作量和系統(tǒng)跨平臺性能差；另一方面，在軟件升級和維護(hù)上，每一臺客戶端都需要用戶重新手動升級軟件。如果系統(tǒng)部署了多個(gè)用戶的本地客戶端，那么在維護(hù)時(shí)會導(dǎo)致系統(tǒng)維護(hù)開銷巨大。因此，本文采用B/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用前后端分離的思想，開發(fā)出新一代基于B/S架構(gòu)的城市軌道交通ATS仿真系統(tǒng)［2］。用戶只需借助瀏覽器即可運(yùn)行仿真系統(tǒng)。后續(xù)升級維護(hù)時(shí)，服務(wù)器后臺自動完成更新維護(hù)，不需要客戶端本地安裝和更新。這種方式不僅提高了軟件的易用性，還有效降低了系統(tǒng)維護(hù)開銷資源［3］。

1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

由于B/S架構(gòu)在安裝部署、維護(hù)升級、設(shè)置資源占用、學(xué)習(xí)推廣軟件成本等方面都具有顯著優(yōu)勢，因此本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)先進(jìn)的MVVM（Model-View-Viewmodel）軟件架構(gòu)模式思想，本文將業(yè)務(wù)邏輯和視圖UI進(jìn)行拆分抽離，實(shí)現(xiàn)解耦過程，實(shí)現(xiàn)低耦合、高內(nèi)聚的設(shè)計(jì)模式思想。整個(gè)系統(tǒng)主要分為View層、View Model層和Model層。View層主要負(fù)責(zé)頁面視圖，也就是圖形繪制、人機(jī)交互和操作界面。View Model層主要負(fù)責(zé)視圖的數(shù)據(jù)模型和展現(xiàn)模型，可以簡化前端用戶界面事件驅(qū)動導(dǎo)向的程序設(shè)計(jì)煩瑣程度。Model層主要負(fù)責(zé)后臺的業(yè)務(wù)功能邏輯編寫和數(shù)據(jù)庫交互的部分。因此，用戶可以直接與View層進(jìn)行人機(jī)交互并得到實(shí)時(shí)反饋；View層和View Model層進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)綁定，簡化開發(fā)的冗余耦合程度；View Model層和Model層之間進(jìn)行前端瀏覽器和后端服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的各類信息交互，本文采用的數(shù)據(jù)交互方式主要為AJAX、WebSocket和JSON技術(shù)［4］。由此，本文將城市軌道交通ATS仿真系統(tǒng)整體架構(gòu)主要?jiǎng)澐譃楸硎緦?、服?wù)層、數(shù)據(jù)訪問層和數(shù)據(jù)層。表示層承擔(dān)用戶側(cè)UI界面的交互與反饋工作；服務(wù)層承擔(dān)仿真系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)功能模塊的業(yè)務(wù)邏輯代碼運(yùn)行計(jì)算；數(shù)據(jù)訪問層承擔(dān)后端服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)增刪改查工作；數(shù)據(jù)層承擔(dān)仿真系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的存儲。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本文的城市軌道交通ATS仿真系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了4個(gè)功能模塊，分別為ATS列車識別追蹤模塊、列車自動進(jìn)路控制模塊、列車運(yùn)行圖自動調(diào)整模塊和設(shè)置故障與恢復(fù)模塊［5］。

2.1 ATS列車識別追蹤模塊

ATS列車識別追蹤模塊主要負(fù)責(zé)對全線列車的識別追蹤，從而實(shí)現(xiàn)對所有列車的監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)方式主要為追蹤列車在站場顯示界面中的位置和車次號［6］。當(dāng)今，ATS系統(tǒng)列車追蹤主要有兩種模式，分別是CBTC和軌道電路。一般情況下，系統(tǒng)采用CBTC模式。在CBTC模式下，ATO和ATP設(shè)備向車站ATS或監(jiān)控中心ATS發(fā)送列車位置和狀態(tài)信息。本文采用的方式就是仿真系統(tǒng)服務(wù)器端以WebSocket方式實(shí)時(shí)向?yàn)g覽器端發(fā)送列車位置、車次號和狀態(tài)信息。瀏覽器根據(jù)服務(wù)端數(shù)據(jù)更新追蹤狀態(tài)。

2.2 列車自動進(jìn)路控制模塊

列車自動進(jìn)路控制模塊主要負(fù)責(zé)在城市軌道交通作業(yè)中自動為列車排列進(jìn)路［7］。進(jìn)路控制模塊中存儲有全線運(yùn)行圖數(shù)據(jù)和站場所有聯(lián)鎖表數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)檢測到列車位置到達(dá)觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，服務(wù)器端自動進(jìn)行進(jìn)路搜索并進(jìn)行聯(lián)鎖檢查。在滿足聯(lián)鎖辦理?xiàng)l件時(shí)，系統(tǒng)才能開放進(jìn)路。當(dāng)滿足開放進(jìn)路條件時(shí)，服務(wù)器端將開放進(jìn)路信息發(fā)送給瀏覽器，實(shí)現(xiàn)進(jìn)路開放顯示。

2.3 列車運(yùn)行圖自動調(diào)整模塊

列車運(yùn)行圖自動調(diào)整模塊負(fù)責(zé)列車運(yùn)行圖的自動生成和對未來階段的列車運(yùn)行圖自動調(diào)整優(yōu)化。在城市軌道交通運(yùn)營場景中，由于突發(fā)狀況等原因可能會造成列車延誤，進(jìn)而造成計(jì)劃運(yùn)行圖和實(shí)際運(yùn)行圖之間產(chǎn)生一定偏差。服務(wù)器端需要采集對比計(jì)劃列車運(yùn)行圖和實(shí)際運(yùn)行圖各個(gè)列車到發(fā)時(shí)刻。后續(xù)服務(wù)器端針對不同的延誤情況，采用智能優(yōu)化算法對列車運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而減少延誤時(shí)間，爭取及時(shí)恢復(fù)按圖行車。

2.4 設(shè)置故障與恢復(fù)模塊

設(shè)置故障與恢復(fù)模塊主要負(fù)責(zé)處理教學(xué)培訓(xùn)時(shí)設(shè)置業(yè)務(wù)故障處理與恢復(fù)相關(guān)業(yè)務(wù)。本文主要設(shè)置了計(jì)軸區(qū)段故障、信號機(jī)燈絲斷絲故障、道岔故障和屏蔽門故障。相關(guān)模塊可以分別實(shí)現(xiàn)各類故障的設(shè)置與恢復(fù)功能。設(shè)置設(shè)備故障的意義在于通過建立實(shí)訓(xùn)方式，增進(jìn)學(xué)員的實(shí)際業(yè)務(wù)處理能力，為我國鐵路信號電務(wù)系統(tǒng)培養(yǎng)具有扎實(shí)動手實(shí)踐能力的人才。

3 數(shù)據(jù)庫主要實(shí)體聯(lián)系E-R圖

E-R圖被稱為實(shí)體-聯(lián)系圖（Entity Relationship Diagram），主要是用來描述現(xiàn)實(shí)世界在計(jì)算機(jī)理論中的抽象概念模型。E-R圖提供了多種方法用來分別表示各類實(shí)體的類型、聯(lián)系和屬性。在E-R圖中，系統(tǒng)主要用矩形表示各類實(shí)體類型，用菱形表示各個(gè)實(shí)體之間的聯(lián)系成因。本仿真系統(tǒng)站場圖層面共有5類實(shí)體，分別為車站實(shí)體、信號機(jī)實(shí)體、道岔實(shí)體、軌道電路實(shí)體和站臺實(shí)體。一個(gè)車站擁有多種設(shè)備設(shè)施，而車站中設(shè)備設(shè)施又主要分為信號機(jī)、軌道電路、道岔和站臺4類。因此，車站與各類設(shè)備設(shè)施之間分別為1∶n的關(guān)系。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用前后端分離思想完成開發(fā)工作：前端部分基于Vue2框架，采用JavaScript編程語言開發(fā)；后端部分基于Spring Boot框架，采用Java編程語言開發(fā)［8］。編程開發(fā)工具為IntelliJ IDEA。后端數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫，支撐系統(tǒng)后臺所有的數(shù)據(jù)存儲業(yè)務(wù)。本文完成了基于B/S架構(gòu)的城市軌道交通ATS仿真系統(tǒng)。

5 結(jié)語

本文從城市軌道交通ATS系統(tǒng)作用出發(fā)，對城市軌道交通ATS仿真系統(tǒng)整體架構(gòu)和功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文基于JavaScript編程語言和Java編程語言，開發(fā)了以B/S架構(gòu)為核心，集ATS列車識別追蹤、列車自動進(jìn)路控制、列車運(yùn)行圖自動調(diào)整、設(shè)置故障與恢復(fù)等功能為一體的新型城市軌道交通ATS仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以方便快捷地安裝運(yùn)行，清晰直觀地完成對城市軌道交通監(jiān)控列車運(yùn)行的全過程動態(tài)仿真作業(yè)。該系統(tǒng)有利于降低教學(xué)難度，加深學(xué)員對城市軌道交通運(yùn)營的認(rèn)知，提高學(xué)員的動手實(shí)操業(yè)務(wù)能力。后續(xù)研究可以從ATS系統(tǒng)的其他功能實(shí)現(xiàn)上對該系統(tǒng)進(jìn)行完善補(bǔ)充，進(jìn)一步完善ATS系統(tǒng)的整體仿真功能。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 王永超）

Design of urban rail transit ats simulation system based on B/S architecture

Hu? Shoujian1， Bao? Dabiao2*

（1.Tianjin Rail Transit Operation Group Co.， Ltd.， Tianjin 300000， China; 2.Beijing Jingwei Information Technology Co.， Ltd.， Beijing 100081， China）

Abstract： The automatic train monitoring system （ATS） is an important component subsystem in the automatic train control system （ATC） of urban rail transit. It is mainly responsible for the control and supervision of train operation， and at the same time assists dispatchers in dispatching and commanding to realize full-line management of train operations. This paper uses the internationally popular technology stack Vue and Spring Boot framework to design and implement an urban rail transit ATS simulation system based on B/S architecture. The system provides functions such as ATS train identification and tracking， automatic train route control， automatic adjustment of train diagram， fault setting and recovery， etc. It has been verified by practice that the simulation system has a high level of automation and intelligence. This simulation system makes it convenient and quick to complete the automatic monitoring of the train， and makes the simulation scene display clear and intuitive. At the same time， it helps to reduce the teaching pressure in teaching and training， deepens the students understanding of the full-line operation of urban rail transit， and improves the students hands-on ability.

Key words： ATS simulation system; B/S architecture; Vue framework; Spring Boot framework