苏ICP备112451047180号-6
分布式轨道交通信号系统——列车与地面设备间的通信模块设计
摘 要
计算机联锁子系统是指通过一定的技术手段实现车站信号、道岔及进路之间的约束关系和操作顺序的控制系统，是保障列车安全通过车站的信号系统。联锁的主要任务是负责列车安全运行的底层逻辑防护。联锁系统是轨道交通列车运行控制系统的重要组成部分，它对列车的运行安全和效率有重要的影响。
CPS（Cyber-Physical System），即信息物理融合系统，强调通信系统、控制系统与物理系统的集成。由于CPS具有深度嵌入性和高度自主性，所以非常适合用于分布式系统控制。
目前轨道交通中计算机联锁系统多采用集中式控制方式，而集中式控制系统存在风险集中、灵活性差等缺点。本文讨论CPS下分布式轨道交通信号系统车地通信模块的设计与实现，以列车进出站过程为研究对象，探讨需要实现的联锁功能，并对列车与应答器、道岔及信号机之间的信息交互设计了相应的报文格式与通信流程，最后通过C#编程来仿真实现车地通信模块。
关键词：计算机联锁，信息物理融合系统，车地通信，面向对象编程
Abstract
Main line Computer Interlocking is indispensable to ensure the safety of train running and one of the core security subsystem in the CBTC system.The main task of the Computer Interlocking is responsible for the protection of the underlying logic in the safe operation of the train. Computer Interlocking system is an important part of the rail transportation train operation control system, which has important influence on safety and efficiency of train operation.
Testing the Computer Interlocking system is an indispensable part to protect the safety of train operation.The interfaces between Computer Interlocking system and other subsystems of CBTC are mainly implemented through data communication network.However, for the infrastructure signal equipment installed along the line, the interlocking system is acquired by relay interfaces to obtain the status of the devices and generate the action commands.
This paper discussed mainly the design and implementation of relay interfaces in main track CBTC interlocking test platform.At first, framework and designing scheme of the relay interfaces are designed based on the functional requirements of the interlocking test platform.Then the specific program is designed using C# programming language in visual studio 2010.Eventually the relay interfaces are applied to the main track CBTC interlocking test platform so that the main track CBTC interlocking test can be realized.
Key words: main Line CBTC interlocking,relay interface,OOP(object-oriented programming)
[2] 冯玮. CBTC系统的控制及结构介绍[J]，上海卡斯柯信号有限公司2013.3.
[3] 卢衍丹，唐涛. 面向对象的列车自动驾驶仿真系统建模[J]. 系统仿真学报，2012.1：8-10.
[4] 李堂成. 西门子准移动闭塞信号系统车次号跟踪浅析[J]. 现代城市轨道交通，2007.3：8-11.
[5] 纪雅静. 基于城市轨道交通CBTC系统中ATO子系统的概述[J]. 城市建设理论研究（电子版），2013.29.0.
[6] 徐晓燕. 基于移动闭塞的城市轨道交通列车自动防护系统的设计与实现[D]. 江苏：南京理工大学，2008.
[7] 宋保卫. 新型铁路车站计算机联锁系统的设计与实现[D]. 黑龙江：黑龙江大学，2008.
[8] 韦启盟. 计算机联锁软件仿真测试系统的研究与实现[D]. 四川：西南交通大学，2008.
[9] 杨扬，邹少文，郭进. SWJTU-Ⅱ型计算机联锁控制系统设计和实现[J]. 铁道学报. 2005.3:118-123.
[10] 毛振华. CBTC系统中区域控制器和外部联锁功能接口的设计[D]. 北京：北京交通大学，2012.
[11] Yan Cao, Tianhua Xu, Tao Tang, Haifeng Wang, Lin Zhao. Automatic generation and verification of interlocking tables based on Domain Specific Language for Computer Based Interlocking Systems (DSL-CBI)[C].Computer Science and Automation Engineering(CSAE). 2011.511-515.
[12] Zafar N A, Khan S A, Araki K. Towards the safety properties of moving block railway interlocking system[J]. Int. J. Innovative Computing, Info&Control, 2012,Vol.8(7)：5677-5690.
摘 要
计算机联锁子系统是指通过一定的技术手段实现车站信号、道岔及进路之间的约束关系和操作顺序的控制系统，是保障列车安全通过车站的信号系统。联锁的主要任务是负责列车安全运行的底层逻辑防护。联锁系统是轨道交通列车运行控制系统的重要组成部分，它对列车的运行安全和效率有重要的影响。
CPS（Cyber-Physical System），即信息物理融合系统，强调通信系统、控制系统与物理系统的集成。由于CPS具有深度嵌入性和高度自主性，所以非常适合用于分布式系统控制。
目前轨道交通中计算机联锁系统多采用集中式控制方式，而集中式控制系统存在风险集中、灵活性差等缺点。本文讨论CPS下分布式轨道交通信号系统车地通信模块的设计与实现，以列车进出站过程为研究对象，探讨需要实现的联锁功能，并对列车与应答器、道岔及信号机之间的信息交互设计了相应的报文格式与通信流程，最后通过C#编程来仿真实现车地通信模块。
关键词：计算机联锁，信息物理融合系统，车地通信，面向对象编程
Abstract
Main line Computer Interlocking is indispensable to ensure the safety of train running and one of the core security subsystem in the CBTC system.The main task of the Computer Interlocking is responsible for the protection of the underlying logic in the safe operation of the train. Computer Interlocking system is an important part of the rail transportation train operation control system, which has important influence on safety and efficiency of train operation.
Testing the Computer Interlocking system is an indispensable part to protect the safety of train operation.The interfaces between Computer Interlocking system and other subsystems of CBTC are mainly implemented through data communication network.However, for the infrastructure signal equipment installed along the line, the interlocking system is acquired by relay interfaces to obtain the status of the devices and generate the action commands.
This paper discussed mainly the design and implementation of relay interfaces in main track CBTC interlocking test platform.At first, framework and designing scheme of the relay interfaces are designed based on the functional requirements of the interlocking test platform.Then the specific program is designed using C# programming language in visual studio 2010.Eventually the relay interfaces are applied to the main track CBTC interlocking test platform so that the main track CBTC interlocking test can be realized.
Key words: main Line CBTC interlocking,relay interface,OOP(object-oriented programming)
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究内容 1
1.3 本文架构 2
2 相关技术概述 3
2.1 CPS概述 3
2.1.1 CPS的定义 3
2.1.2 CPS的系统结构 3
2.1.3 CPS的特性 4
2.2 多智能体概述 5
2.2.1 单智能体概念 5
2.2.2 多智能体系统 7
2.3 计算机联锁系统概述 7
2.3.1 硬件系统 8
2.3.2 软件系统 9
2.4 相关编程技术介绍 10
2.4.1 基于C#的面向对象程序设计 10
2.4.2 动态链接库技术 14
3 车地通信模块的设计 16
3.1地面系统整体设计 16
3.1.1 地面设备三层架构设计 16
3.1.2 地面系统架构 17
3.2 通信模块设计 17
3.2.1 地面设备间通信设计 17
3.2.2 列车与地面设备间通信接口 18
3.2.3 通信报文设计 18
3.3 列车经过车站过程 19
3.3.1 站场结构图 19
3.3.2 列车过站流程 19
4 车地通信模块的实现与验证 24
4.1 车地通信模块的仿真实现 24
4.1.1 数据结构设计 24
4.1.2 实现通信 24
4.2 列车过站流程验证 26
4.2.1 程序初始化界面 27
4.2.2 列车进站前的验证 29
4.2.3 列车经过车站过程的验证 31
4.2.4 列车离站过程的验证 36
5 结论与展望 38
5.1 结论 38
5.2 展望 38
参考文献 39
谢 辞 40
1 引言
1.1 研究背景
作为一种大容量公共交通工具，轨道交通系统的安全性直接关系着乘客们的生命安全，为了保证这一系统能够以一种可靠而又高效地方式运行，使用一套安全并且可靠的信号系统就显得十分必要。故此，怎样确保和实现轨道交通信号系统的安全性和可靠性就显得非常关键和重要。目前轨道交通信号系统中的列车运行控制多采用集中式控制方式，如联锁系统、列控系统等。集中式控制存在着风险集中、工程造价高、灵活性差等缺点。针对这些问题，本课题研究CPS环境下的分布式轨道交通信号系统则可有效解决这些问题，提高了轨道交通控制系统的安全性、灵活性和可扩展性。
对于信息系统和物理系统的关联，在传统的观念中，信息世界（Cyber Space）与物理世界（Physical Space）是独立的，这使得目前各领域中的信息与物理基础设施建设之间的分离。随着现代社会的快速发展，信息技术日新月异，人们对于信息技术的需求更加迫切。另一方面，人类所处的物理世界正朝着智能化与信息化的方向发展，最终将与信息世界融合与统一。信息物理融合系统的概念就是产生于这样的背景下。基于CPS架构的分布式系统融合了无线传感网络技术、实时嵌入式系统开发技术与控制理论技术，拥有着很强的灵活性和自主性。各CPS节点可分布在任意位置，采集任何用户所需的关于某种物质实体的信息，并根据用户下达的指令执行某种操作，通过这种方式，人们感知并改造物理世界变得更加方便。通过将智能计算与通信能力嵌入到实际物理系统中，可增强系统的自主性，并大大加强了CPS的自主性、可用性及安全性等。对于CPS的研究将会彻底地改变人们的生活方式，系统的灵敏性将会更高（如紧急刹车），可在极度危险的环境中工作（如深海探测），可实现分布式协调控制功能（如交通系统中的智能控制）。可以说，CPS的应用潜能是极其巨大的。
单智能体（Agent）是一种智能设备，它具有极强的自主性，能对客观物理世界产生一定的应激性。多个Agent可构成一个多智能体系统（Multi-Agent System，MAS），各Agent之间通过互相协调控制能完成一系列高难度或非人工环境下的工作。MAS是一种典型的分布式控制系统，将之与CPS结合，即能构建出拥有智能与物理感知能力的用于智能交通的信号系统。
1.2 研究内容
目前轨道交通中控制列车运行的系统多采用集中式控制方式，地面设备如信号机、道岔等都是通过联锁计算机集中控制，这种集中控制方式灵活性低，风险大。而分布式控制系统则是取消了集中控制层，实现了扁平化的网络结构。
CPS系统由于具有高度自主性及深度嵌入性，因此非常适合于分布式系统架构。在分布式系统架构下，地面设备如道岔、信号机等具有独立的逻辑控制功能，并通过通信层和其他设备通信，通过物理感知层采集地面状态。各设备作为一个智能体，本身就是一个自治系统，通过网络与其他设备互联，构成一个多智能体系统，实现分布式控制。
在轨道交通信号系统中，列车的安全进出站功能是通过计算机联锁来实现的。本文研究的分布式系统取消了传统的使用集中控制方式的联锁计算机，联锁功能由列车及地面设备共同完成。围绕列车进出站这一过程，设计出车地通信模块，包括列车与地面设备间的通信流程，通信使用的报文格式及可靠传输机制，使车地设备间能协同工作，完成这一部分的联锁功能，保证列车安全进出站。最后通过C#编程实现这一过程。
1.3 本文架构
本文共分为五章，各章节安排如下：
第1章为引言部分，介绍基于CPS的分布式轨道交通信号系统的研究背景、车地通信模块的研究内容。
第2章介绍本设计会用到的相关概念和技术，包括CPS系统概述、多智能体概述、轨道交通联锁系统概述及基于C#的面向对象程序设计等。
第3章介绍车地通信模块设计的过程，包括基于CPS的分布式系统设计，车地通信模块设计及车地协同控制实现列车的安全进出站过程等。
第4章介绍利用C#编程仿真实现列车进出站过程，展示了及列车与地面设备间通信模块的实现，保证了列车安全进出站，验证了本设计的成功。
第5章为结论与展望，总结了本次设计的主要工作内容，指出了该研究仍存在的问题并对未来工作进行展望。
5 结论与展望
5.1 结论
本文主要目的是设计并实现分布式轨道交通信号系统中的车地通信模块。该通信模块能满足列车进站过程中车地信息交互的需求，实现了计算机联锁中列车安全经过车站这一功能。这一通信过程通过在visual studio 2015环境下用C#语言编程实现。
本文首先介绍了用于构建分布式轨道交通信号系统的CPS系统及多智能体的概念，并分析了原来集中式控制的计算机联锁系统的软硬件系统结构，顺带介绍了用于仿真实现通信模块的编程技术。然后，根据CPS体系设计了地面设备的内部结构层次，根据多智能体中的“领导者——跟随者”模型设计了地面系统的架构；对于地面设备间采用的是有线局域网进行通信，由于地面设备的ID为其唯一标识，而设备间通信使用的是IP地址，因此本文设计了一个ID-IP映射表，而列车是通过无线接入点AP来实现和地面系统间的通信的，然后为车地及地面设备间的通信设计了一种报文格式；针对特定而极具代表性的站场图，通过流程图阐释了列车经过车站时车地之间的信息交互过程。在对通信模块的功能及实现方式分析设计完成后，利用基于C#的面向对象编程相关方法对该过程进行编程实现。在编程过程中，设计了设备ID结构及ID-IP映射结构，为保证一定的可靠性而定义了一种确认规则，这一点在报文接收模块及发送模块中得到了实现。经过实际操作的验证，列车与地面设备间可正常通信，列车安全经过车站功能也可以准确无误地完成，因此可证明该通信模块设计正常实现。
5.2 展望
本设计虽然完成了预期的成果，但是对于整个分布式轨道交通信号系统而言，其车地通信模块还有很大研究空间。
首先，由于时间受限，本设计只是根据计算机联锁功能中列车进站过程分析设计出了相应的实现方法，但并没有实现计算机联锁的全部功能，因此可以在后续研究中尝试设计出其它计算机联锁功能的实现方法，进而真正实现整个分布式轨道交通信号系统。
其次，本设计中对于异常情况的处理还不够完善，对于大多数的异常情况只是简单的报错而未给出更详细的解决方案，针对这种情况，可以在后续工作中继续研究，为每种类型的异常情况设计出相应的解决方案，以使系统的容错性更好。
再者，对于通信过程中报文的可靠性传输的考虑还不够，例如本设计中对于没有收到确认的报文采取周期发送的方式，却没有限制其发送的次数或时间；而且由于未对确认报文进行标识，可能会导致报文B收到对于报文A的确认报文，而导致出错，这些都需要在后续的工作中继续改进完善。
参考文献
[1]黎作鹏,张天驰,张菁.信息物理融合系统(CPS)研究综述[J].计算机科学,2011,(09):25-31.1 引言
1.1 研究背景
作为一种大容量公共交通工具，轨道交通系统的安全性直接关系着乘客们的生命安全，为了保证这一系统能够以一种可靠而又高效地方式运行，使用一套安全并且可靠的信号系统就显得十分必要。故此，怎样确保和实现轨道交通信号系统的安全性和可靠性就显得非常关键和重要。目前轨道交通信号系统中的列车运行控制多采用集中式控制方式，如联锁系统、列控系统等。集中式控制存在着风险集中、工程造价高、灵活性差等缺点。针对这些问题，本课题研究CPS环境下的分布式轨道交通信号系统则可有效解决这些问题，提高了轨道交通控制系统的安全性、灵活性和可扩展性。
对于信息系统和物理系统的关联，在传统的观念中，信息世界（Cyber Space）与物理世界（Physical Space）是独立的，这使得目前各领域中的信息与物理基础设施建设之间的分离。随着现代社会的快速发展，信息技术日新月异，人们对于信息技术的需求更加迫切。另一方面，人类所处的物理世界正朝着智能化与信息化的方向发展，最终将与信息世界融合与统一。信息物理融合系统的概念就是产生于这样的背景下。基于CPS架构的分布式系统融合了无线传感网络技术、实时嵌入式系统开发技术与控制理论技术，拥有着很强的灵活性和自主性。各CPS节点可分布在任意位置，采集任何用户所需的关于某种物质实体的信息，并根据用户下达的指令执行某种操作，通过这种方式，人们感知并改造物理世界变得更加方便。通过将智能计算与通信能力嵌入到实际物理系统中，可增强系统的自主性，并大大加强了CPS的自主性、可用性及安全性等。对于CPS的研究将会彻底地改变人们的生活方式，系统的灵敏性将会更高（如紧急刹车），可在极度危险的环境中工作（如深海探测），可实现分布式协调控制功能（如交通系统中的智能控制）。可以说，CPS的应用潜能是极其巨大的。
单智能体（Agent）是一种智能设备，它具有极强的自主性，能对客观物理世界产生一定的应激性。多个Agent可构成一个多智能体系统（Multi-Agent System，MAS），各Agent之间通过互相协调控制能完成一系列高难度或非人工环境下的工作。MAS是一种典型的分布式控制系统，将之与CPS结合，即能构建出拥有智能与物理感知能力的用于智能交通的信号系统。
1.2 研究内容
目前轨道交通中控制列车运行的系统多采用集中式控制方式，地面设备如信号机、道岔等都是通过联锁计算机集中控制，这种集中控制方式灵活性低，风险大。而分布式控制系统则是取消了集中控制层，实现了扁平化的网络结构。
CPS系统由于具有高度自主性及深度嵌入性，因此非常适合于分布式系统架构。在分布式系统架构下，地面设备如道岔、信号机等具有独立的逻辑控制功能，并通过通信层和其他设备通信，通过物理感知层采集地面状态。各设备作为一个智能体，本身就是一个自治系统，通过网络与其他设备互联，构成一个多智能体系统，实现分布式控制。
在轨道交通信号系统中，列车的安全进出站功能是通过计算机联锁来实现的。本文研究的分布式系统取消了传统的使用集中控制方式的联锁计算机，联锁功能由列车及地面设备共同完成。围绕列车进出站这一过程，设计出车地通信模块，包括列车与地面设备间的通信流程，通信使用的报文格式及可靠传输机制，使车地设备间能协同工作，完成这一部分的联锁功能，保证列车安全进出站。最后通过C#编程实现这一过程。
1.3 本文架构
本文共分为五章，各章节安排如下：
第1章为引言部分，介绍基于CPS的分布式轨道交通信号系统的研究背景、车地通信模块的研究内容。
第2章介绍本设计会用到的相关概念和技术，包括CPS系统概述、多智能体概述、轨道交通联锁系统概述及基于C#的面向对象程序设计等。
第3章介绍车地通信模块设计的过程，包括基于CPS的分布式系统设计，车地通信模块设计及车地协同控制实现列车的安全进出站过程等。
第4章介绍利用C#编程仿真实现列车进出站过程，展示了及列车与地面设备间通信模块的实现，保证了列车安全进出站，验证了本设计的成功。
第5章为结论与展望，总结了本次设计的主要工作内容，指出了该研究仍存在的问题并对未来工作进行展望。
5 结论与展望
5.1 结论
本文主要目的是设计并实现分布式轨道交通信号系统中的车地通信模块。该通信模块能满足列车进站过程中车地信息交互的需求，实现了计算机联锁中列车安全经过车站这一功能。这一通信过程通过在visual studio 2015环境下用C#语言编程实现。
本文首先介绍了用于构建分布式轨道交通信号系统的CPS系统及多智能体的概念，并分析了原来集中式控制的计算机联锁系统的软硬件系统结构，顺带介绍了用于仿真实现通信模块的编程技术。然后，根据CPS体系设计了地面设备的内部结构层次，根据多智能体中的“领导者——跟随者”模型设计了地面系统的架构；对于地面设备间采用的是有线局域网进行通信，由于地面设备的ID为其唯一标识，而设备间通信使用的是IP地址，因此本文设计了一个ID-IP映射表，而列车是通过无线接入点AP来实现和地面系统间的通信的，然后为车地及地面设备间的通信设计了一种报文格式；针对特定而极具代表性的站场图，通过流程图阐释了列车经过车站时车地之间的信息交互过程。在对通信模块的功能及实现方式分析设计完成后，利用基于C#的面向对象编程相关方法对该过程进行编程实现。在编程过程中，设计了设备ID结构及ID-IP映射结构，为保证一定的可靠性而定义了一种确认规则，这一点在报文接收模块及发送模块中得到了实现。经过实际操作的验证，列车与地面设备间可正常通信，列车安全经过车站功能也可以准确无误地完成，因此可证明该通信模块设计正常实现。
5.2 展望
本设计虽然完成了预期的成果，但是对于整个分布式轨道交通信号系统而言，其车地通信模块还有很大研究空间。
首先，由于时间受限，本设计只是根据计算机联锁功能中列车进站过程分析设计出了相应的实现方法，但并没有实现计算机联锁的全部功能，因此可以在后续研究中尝试设计出其它计算机联锁功能的实现方法，进而真正实现整个分布式轨道交通信号系统。
其次，本设计中对于异常情况的处理还不够完善，对于大多数的异常情况只是简单的报错而未给出更详细的解决方案，针对这种情况，可以在后续工作中继续研究，为每种类型的异常情况设计出相应的解决方案，以使系统的容错性更好。
再者，对于通信过程中报文的可靠性传输的考虑还不够，例如本设计中对于没有收到确认的报文采取周期发送的方式，却没有限制其发送的次数或时间；而且由于未对确认报文进行标识，可能会导致报文B收到对于报文A的确认报文，而导致出错，这些都需要在后续的工作中继续改进完善。
参考文献
[2] 冯玮. CBTC系统的控制及结构介绍[J]，上海卡斯柯信号有限公司2013.3.
[3] 卢衍丹，唐涛. 面向对象的列车自动驾驶仿真系统建模[J]. 系统仿真学报，2012.1：8-10.
[4] 李堂成. 西门子准移动闭塞信号系统车次号跟踪浅析[J]. 现代城市轨道交通，2007.3：8-11.
[5] 纪雅静. 基于城市轨道交通CBTC系统中ATO子系统的概述[J]. 城市建设理论研究（电子版），2013.29.0.
[6] 徐晓燕. 基于移动闭塞的城市轨道交通列车自动防护系统的设计与实现[D]. 江苏：南京理工大学，2008.
[7] 宋保卫. 新型铁路车站计算机联锁系统的设计与实现[D]. 黑龙江：黑龙江大学，2008.
[8] 韦启盟. 计算机联锁软件仿真测试系统的研究与实现[D]. 四川：西南交通大学，2008.
[9] 杨扬，邹少文，郭进. SWJTU-Ⅱ型计算机联锁控制系统设计和实现[J]. 铁道学报. 2005.3:118-123.
[10] 毛振华. CBTC系统中区域控制器和外部联锁功能接口的设计[D]. 北京：北京交通大学，2012.
[11] Yan Cao, Tianhua Xu, Tao Tang, Haifeng Wang, Lin Zhao. Automatic generation and verification of interlocking tables based on Domain Specific Language for Computer Based Interlocking Systems (DSL-CBI)[C].Computer Science and Automation Engineering(CSAE). 2011.511-515.
[12] Zafar N A, Khan S A, Araki K. Towards the safety properties of moving block railway interlocking system[J]. Int. J. Innovative Computing, Info&Control, 2012,Vol.8(7)：5677-5690.