精品資料（2021-2022年收藏的）編組站綜合集成自動化系統

1、編組站綜合集成自動化系統（CIPS）中計算機輔助設計（CAD）的研究與實現北京全路通信信號研究設計院趙秀全、常效輝1. 引言編組站綜合集成自動化系統（簡稱CIPS）管理了編組站內決策層、管理層、調度層、執(zhí)行層等業(yè)務層面的所有站場資源和崗位資源信息；而且針對調度層的管理特點，自動決策安排調度計劃；與自動控制系統相連接，直接控制自動化系統并接受處理反饋信息，并且根據反饋信息自動調整決策，從而實現了編組站內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據以及由此產生的其它信息。站場資源的數據量十分巨大，如果單純依靠人工錄入的方法實現是十分困難的，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)的數據描述，我們在分析了有關的輔助工具（如AutoCAD等）后發(fā)現無法直接利用現有的工具實現需求，因此開發(fā)基于CIPS系統的專門的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、減速器等信號設備以及調機和CIPS系統下的各控制子系統等資源），以信號工程圖為基礎，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的屬性，進而產生需要的數據。根據CAD設計原理，軟件提供幾何造型、特征計算、繪圖等功能，按照構造應用軟件的四個要素（算法 、數據結構、用戶界面和數據管理）進行開發(fā)設計，在DotNet FrameWork平臺下用c#語言實現，使得CIPS系統的數據

3、形成流水性生產，不僅大大提高了工作效率，還保證了數據準確性。2. 建模系統所管理的內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、調機以及CIPS系統下的各控制子系統。對于這些實體進行抽象，建立起正確的對象模型是實現CIPS系統CAD工具可實現的前提；并且建立的實體結構能夠符合關系數據庫特點，能夠為后續(xù)數據運算和挖掘打下基礎。2.1 實體單元的抽象系統所管理的資源都具備基本特征：ID、名稱、所屬區(qū)域、所屬系統等。我們在此基礎上建立“設備”模型，所有實體的抽象模型都基于“設備”派生。每種實體根據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關系圖如下：依據CAD設計的要素抽象后的模型不僅有數據結構還要提供相應的人機界面滿足數據錄入的要求，并且支持通過圖形的操作完成模型的移動、縮放、修改、刪除、復制、粘貼等功能。根據CIPS系統的特點，該CAD增加了批處理操作包括移動、刪除、數據修改、對齊、排序等，支持用戶批量數據的修改，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據可能存在的錯誤，保證數據的準確。2.2 模型間關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，并且通過聯鎖表可以描述實體之間在某些條件下的相互關系。只有正

5、確描述這些關系，CIPS系統才能夠根據當前的站場情況作出合適的決策，保證各控制子系統的準確執(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成了一個網絡結構，CIPS系統所進行的決策分析就是基于該網絡結構下進行。根據信號圖，需要進行合適的模型轉換，減少模型的種類以方便后續(xù)的算法建立。轉換原則是：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鎖關系（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絡圖中形成一定順序。簡單的站場網絡圖的結構如下：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ID、區(qū)域ID、長度等）之上，根據模型間關系描述，需要對設備增加設備的前后方關系特征（道岔為前方、定位、反位3個方向，其

7、它設備僅前方、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，不在關系圖中出現。CIPS系統的計劃執(zhí)行依靠聯鎖、駝峰控制系統完成的，系統的決策準確與否要看執(zhí)行系統能否執(zhí)行。如果計劃建立的指令是各控制子系統所不能執(zhí)行的，那么將導致自動執(zhí)行功能的癱瘓，因此需要對模型增加必要的聯鎖特征（如：始終端信號能否排列進路，列車還是調車進路）。一般的聯鎖系統數據定義是基于聯鎖表所實現的，與實際的運輸需求是脫節(jié)的。在CIPS系統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，指令的具體內容就是路徑。路徑是超越進路之上的一種結構描述，它的描述的是從源線路到目的線

8、路以何種進路（列車、調車、溜放等）完成行車任務。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計中還要增加運輸需要的有關特征。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據的處理，因此方便靈活的操作是CAD工具的基本要素。根據具體的業(yè)務需求，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。3.1 繪圖操作所有的繪圖操作都在底版上進行，底版是根據配置能夠設置為可變大小的容器，具有滾動與拖動功能。用戶可以在底版設置網格線，便于使用中根據網格線繪

9、制圖形，輔助用戶直觀地控制間隔與角度。根據模型特征描述，建立基于GDI+的模型模板與對應的菜單。用戶通過菜單可以把任何一種模型調入，根據模型的不同，系統能夠自動分配有關的屬性（如：單動、雙動道岔，調車、列車信號）。根據站場的布置自由對設備進行移動、旋轉、縮放、刪除、調整夾角等操作，然后根據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)域內能夠自動粘連到對應的節(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特征（如ID、名稱、區(qū)域等），默認是通過系統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CIPS系統要求的站場模型內容，采用批處理的復制、粘貼、移動、修改等快捷方式可以批量產生模型（如48條調車線一次產生），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，美化界面設計。3.2 圖形處理n 圖形拼接：CIPS系統不僅僅應用于編組站還可以應用到鐵路樞紐，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。能夠將多張圖形拼接在一起轉換為一張圖形展示。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換為零散的獨

11、立圖形，給只關心本區(qū)域內的用戶使用。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上實現圖形的翻轉，滿足不同崗位不同的視覺需求。n 圖形縮放：為站場圖形設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 校驗功能由于數據量大（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據質量的。通過對于站場網絡結構的分析CAD根據能夠自動計算出模型間的連接關系，在此基礎上根據人工第一的特征能夠自動計算出雙動道岔模型、共區(qū)段道岔模型間的關系，也能夠計算出信號的單置、并

12、置、差置、盡頭以及調車、列車信號的始終端按鈕。通過自動檢查能夠篩查出重復的ID、名稱等模型并報警，對于CIPS的場域、子系統等特征能夠根據模型種類進行校驗，對于可能存在特征設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置尤其重要。由于線路是根據運輸需求設置，有很大靈活性，對于站場設計人員要求較強的專業(yè)知識，不合理的設計在后期的修改中不僅CIPS管理系統包括所有子系統都要修改，工作量大。根據CIPS系統的線路設計規(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置，提高設計標準。4. 數據處理對于任何CAD輔助設計來說，所進行的界面設計最終目的還是數據的產生

13、，界面展示與操作僅僅是手段，數據處理才是核心。對于CIPS系統子系統就繁多（例如成都北CIPS系統子系統有十多個），對外還有微機監(jiān)測系統、TDCS系統等很多接口。CIPS管理系統要實現自動決策與執(zhí)行基于大量的數據，因此統一、規(guī)范的數據接口標準是各系統能夠自主開發(fā)且又有機協調的基礎。4.1 數據組織業(yè)務的發(fā)展是不斷深入的過程，系統功能也是不斷提高和完善，要求對應的CAD工具也是不斷擴充。必須設計易于擴展的數據結構在新功能不斷增加的同時能夠很好地實現對早期版本數據的兼容，以方便實現既有系統的二次開發(fā)需要。數據組織方面采用了數據結構數據集數據庫的3層模式，最后數據都存儲于數據庫中。在程序應用中采用數

14、據結構，訪問頻繁且數據量大的內容采用哈希表的方式，實現數據的快速訪問。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)點建立的網絡圖，模型間的關系等也是以ID建立的鏈，Hash表保證了站場網絡的遍歷快速完成；數據集在程序中既能夠快速實現數據處理又能夠以表的形式直觀、方便地比較數據的變化，還實現了存儲的接口；數據庫存儲與CIPS管理系統結構一致，產生的數據可以直接應用。由于CIPS管理系統與各子系統是緊密的一個集成系統，實現所有子系統的數據共享能夠避免由于各系統間軟件升級造成的版本問題，為系統軟件發(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、統一產生數據，雖然不同類型數據根據需要展現方式不同，但后臺都基于數據庫這一唯一數據源。CIPS系統為各子系統提供統一的組件，各系統間的信息交換通過組件統一完成，各子系統只負責具體的業(yè)務功能，這樣不單提高了開發(fā)效率還避免了系統發(fā)展過程中出現的不平衡發(fā)展問題。4.2 碼位數據CIPS系統的碼位數據主要是管理系統與各子系統、TDCS系統、CTC系統的站場表示數據交換。參考CTC系統的協議的數據定義方法CIPS系統制定了一套完整的信息交換結構體系即碼位數據，并在各系統間共享統一的動態(tài)鏈接庫。碼位數據內容上不僅包含道岔、信號、區(qū)段、減速器、停車器等基本的信號內容，還包括駝峰溜放中的命令、測長、測速以及設

16、備停用、系統狀態(tài)、時鐘、系統檢測等綜合信息，所以CIPS系統的碼位數據不僅僅是站場信息的表示，更確切地是綜合表示系統。碼位數據按照站、系統、場、咽喉、模型ID自動由CAD工具自動排序根據信息類別自動產生，保存到數據庫中。由于各子系統的ID是獨立編號完成控制功能，CIPS管理系統和各子系統之間的碼位數據通過名稱實現對照，為了避免不同站之間重復名稱問題，名稱結構為站名+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。各子系統發(fā)送給管理系統的表示數據由各子系統設計人員完成，通過Excel文件格式提交給CAD工具。CAD工具根據自動產生的數據與各子系統提交的數據進行比較分析，給出不匹配

17、或格式錯誤的數據信息，供設計人員檢查。在確認數據準確后對所有的數據進行整合，產生子系統碼位表，子系統碼位表字段與CIPS系統碼表位結構基本一致，增加了“子系統ID”字段，各子系統間獨立進行排序。CIPS的碼位數據每次產生都對應一個版本號，在站場表示服務廣播時會把版本號廣播，如果客戶端或子系統收到的數據版本號不正確，將不進行數據處理并報警，避免版本不一致造成的數據分析錯誤。4.3 路徑數據在網絡結構圖中節(jié)點到節(jié)點的通路稱為路徑，借用此概念應用到CIPS系統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，序號是管理系統與控制子系統的公共進路ID。每條進路下包含許多的設備及其位置（如道岔的定反位、信號的正向、反向等），這些設備按照在進路上的順序排序。進路上的設備需要和聯鎖系統的數據進行校核，作為進路變更的指導。CIPS管理系統指揮各控制子系統的自動執(zhí)行是通過指令集實現的，指令集的基本內容是路徑。路徑定義是不能夠跨越子系統的，原則上也不可以跨咽喉。在管理系統沒有指定具體進路的情況下，聯鎖系統按照默認的進路執(zhí)行指令選排進路；在管理系統指定具體的進路編號情況下，聯鎖系統按照公共進路ID查找到具體的設備位置走變更進路執(zhí)行。4.3.1 路徑、進路搜索與產生線路是站場網

19、絡圖上的一個節(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生了路徑并返回，所經過的網絡上的節(jié)點即為經過的設備，找到盡頭也返回。根據基本的站場網絡結構和信號特征，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線路搜索；n 方向單調規(guī)則：搜索一定在方向上一定是單調的，方向的描述由具體模型決定；n 道岔位置優(yōu)先規(guī)則：根據聯鎖系統確定的道岔定、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、終端一定是聯鎖系統所認可的，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內容大于進路A的內容，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為無效數據。根據測繪數據CAD工具將這些數據轉化為具體的模型區(qū)段長度。模型是站場網絡的一個節(jié)點，其長度就是節(jié)點的權值。在進路搜索中不僅產生模型的位置關系還有深度參數，即從始端開始到該設備的距離。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各控制系統完成。所有這些業(yè)務都是并發(fā)執(zhí)行的，合理產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。根據路徑、進路、進路設備的關系，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。要求進路的設備不僅包括進路上的設備還有其它關聯設備（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