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1、编组站综合集成自动化系统（CIPS）中计算机辅助设计（CAD）的研究与实现北京全路通信信号研究设计院赵秀全、常效辉1. 引言编组站综合集成自动化系统（简称CIPS）管理了编组站内决策层、管理层、调度层、执行层等业务层面的所有站场资源和岗位资源信息；而且针对调度层的管理特点，自动决策安排调度计划；与自动控制系统相连接，直接控制自动化系统并接受处理反馈信息，并且根据反馈信息自动调整决策，从而实现了编组站内的全面信息化与自动化。自动决策与执行依赖于站场资源的数据以及由此产生的其它信息。站场资源的数据量十分巨大，如果单纯依靠人工录入的方法实现是十分困难的，尤其是发生变化后的修改更是艰巨。由于需要比较专
2、业的数据描述，我们在分析了有关的辅助工具（如AutoCAD等）后发现无法直接利用现有的工具实现需求，因此开发基于CIPS系统的专门的CAD工具成为必然。该CAD是基于全编组站的资源（包括道岔、信号、线路、无岔区段、减速器等信号设备以及调机和CIPS系统下的各控制子系统等资源），以信号工程图为基础，通过图形化的方式完成实体对象绘制并对于各实体对象赋予相关的属性，进而产生需要的数据。根据CAD设计原理，软件提供几何造型、特征计算、绘图等功能，按照构造应用软件的四个要素（算法 、数据结构、用户界面和数据管理）进行开发设计，在DotNet FrameWork平台下用c#语言实现，使得CIPS系统的数据
3、形成流水性生产，不仅大大提高了工作效率，还保证了数据准确性。2. 建模系统所管理的内容包括全部编组站的道岔、信号机、线路、无岔区段、减速器、停车器、调机以及CIPS系统下的各控制子系统。对于这些实体进行抽象，建立起正确的对象模型是实现CIPS系统CAD工具可实现的前提；并且建立的实体结构能够符合关系数据库特点，能够为后续数据运算和挖掘打下基础。2.1 实体单元的抽象系统所管理的资源都具备基本特征：ID、名称、所属区域、所属系统等。我们在此基础上建立“设备”模型，所有实体的抽象模型都基于“设备”派生。每种实体根据自身特点增加自我描述的物理坐标（如：道岔需要岔前、定位、反位等坐标，信号机需要机柱和
4、灯位坐标等），描述这些物理特性建立GDI对象如：线段、椭圆、矩形、文本等。对象的UML关系图如下：依据CAD设计的要素抽象后的模型不仅有数据结构还要提供相应的人机界面满足数据录入的要求，并且支持通过图形的操作完成模型的移动、缩放、修改、删除、复制、粘贴等功能。根据CIPS系统的特点，该CAD增加了批处理操作包括移动、删除、数据修改、对齐、排序等，支持用户批量数据的修改，快速完成操作。特别是纠错校验功能，能够通过图形化的方式提醒用户数据可能存在的错误，保证数据的准确。2.2 模型间关系的抽象在站场中每个实体不是独立的单元，是相互连接的，并且通过联锁表可以描述实体之间在某些条件下的相互关系。只有正
5、确描述这些关系，CIPS系统才能够根据当前的站场情况作出合适的决策，保证各控制子系统的准确执行。对于任何站场来说实际就是由道岔、无岔区段（包含无轨道线路）、减速器（驼峰场）所形成的一个集合。我们需要对实体单元的抽象模型增加连接，并且连接是带方向的。全场的模型间连接以及连接方向的集合就构成了一个网络结构，CIPS系统所进行的决策分析就是基于该网络结构下进行。根据信号图，需要进行合适的模型转换，减少模型的种类以方便后续的算法建立。转换原则是：n 道岔模型：无论是双动道岔还是交叉渡线，都拆分为由多个单独的道岔单元模型组成，每个道岔单元模型就是标准的二叉树节点，其开口包括3个方向。把道岔区段依附到每个
6、道岔模型中，通过描述模型间的联锁关系（如多个道岔一个区段问题可以描述为模型间在具体方向上共区段）完成模型到实体的还原。n 无岔区段模型：无论是任何形式的无岔区段（包括派生的减速器模型和线路模型），是否有轨道电路，就是一个单叉节点。n 信号模型：把信号机视为一带有方向的特殊节点，前方即为信号的防护区段，带方向为了后续算法的需要。对于并置信号按照信号方向分离后在站场网络图中形成一定顺序。简单的站场网络图的结构如下：2.3 模型特征在模型具有其基本特征（如：ID、类型、名称、子系统ID、区域ID、长度等）之上，根据模型间关系描述，需要对设备增加设备的前后方关系特征（道岔为前方、定位、反位3个方向，其
7、它设备仅前方、后方两个方向），对于按钮和文本窗口等由于仅仅是辅助模型非实体单元，不在关系图中出现。CIPS系统的计划执行依靠联锁、驼峰控制系统完成的，系统的决策准确与否要看执行系统能否执行。如果计划建立的指令是各控制子系统所不能执行的，那么将导致自动执行功能的瘫痪，因此需要对模型增加必要的联锁特征（如：始终端信号能否排列进路，列车还是调车进路）。一般的联锁系统数据定义是基于联锁表所实现的，与实际的运输需求是脱节的。在CIPS系统中则需要充分考虑运输作业中的实际需要，CIPS对于行车指挥的自动执行靠指令完成的，指令的具体内容就是路径。路径是超越进路之上的一种结构描述，它的描述的是从源线路到目的线
8、路以何种进路（列车、调车、溜放等）完成行车任务。路径的源、目的就是线路，在线路定义方面有很大的灵活性，合理的线路定义会减少行车干扰提高生产效率，线路定义要考虑存车、接发列车、机车走行、机车折返等要素。所以要求在线路模型设计中还要增加运输需要的有关特征。3. 界面操作CAD工具的主要作用就是通过图形化方式完成数据的处理，因此方便灵活的操作是CAD工具的基本要素。根据具体的业务需求，扩展出必要的批处理功能能够大大简化用户操作，提供更人性化的服务。3.1 绘图操作所有的绘图操作都在底版上进行，底版是根据配置能够设置为可变大小的容器，具有滚动与拖动功能。用户可以在底版设置网格线，便于使用中根据网格线绘
9、制图形，辅助用户直观地控制间隔与角度。根据模型特征描述，建立基于GDI+的模型模板与对应的菜单。用户通过菜单可以把任何一种模型调入，根据模型的不同，系统能够自动分配有关的属性（如：单动、双动道岔，调车、列车信号）。根据站场的布置自由对设备进行移动、旋转、缩放、删除、调整夹角等操作，然后根据连接情况用连接线把模型与其它模型连接，连接线自动组合为模型的一部分。连接线具有停靠功能，在有效连接区域内能够自动粘连到对应的节点，避免鼠标抖动引起的误差。布置完毕的模型需要用户自定义有关特征（如ID、名称、区域等），默认是通过系统自动分配的方式分配ID。界面提供：文本录入、枚举型下拉、比特型选择以及组合类型选
10、择等方式，利用模型复制手段在粘贴出新模型时除ID与名称外其它特征都继承下来。根据CIPS系统要求的站场模型内容，采用批处理的复制、粘贴、移动、修改等快捷方式可以批量产生模型（如48条调车线一次产生），并且支持ID与名称按一定规律自动填充，快速完成布置。在站场布置完毕后，可以通过对齐的操作，美化界面设计。3.2 图形处理n 图形拼接：CIPS系统不仅仅应用于编组站还可以应用到铁路枢纽，往往包含几十个车站，绘图工作量大，一张图可能由多个人同时分工进行，因此CAD工具提供图形拼接功能。能够将多张图形拼接在一起转换为一张图形展示。n 图形拆分：通过进程间的窗口消息方式，可以把其中部分图形转换为零散的独
11、立图形，给只关心本区域内的用户使用。n 图形镜像：由于不同岗位的地点不同，往往出现图形布局左右相反的情况，图形镜像功能可以顺利在原图基础上实现图形的翻转，满足不同岗位不同的视觉需求。n 图形缩放：为站场图形设计人员提供局部的或总体的视图，保证既要在局部上图形的准确又能够做到整体上图形的美观。3.3 校验功能由于数据量大（例如武汉北编组站的各种模型总量近3000个）且每种模型又有大量的特征，单纯依靠人工是无法保证数据质量的。通过对于站场网络结构的分析CAD根据能够自动计算出模型间的连接关系，在此基础上根据人工第一的特征能够自动计算出双动道岔模型、共区段道岔模型间的关系，也能够计算出信号的单置、并
12、置、差置、尽头以及调车、列车信号的始终端按钮。通过自动检查能够筛查出重复的ID、名称等模型并报警，对于CIPS的场域、子系统等特征能够根据模型种类进行校验，对于可能存在特征设置问题的模型通过文本与图形化的方式给出提示。校验功能对于路径与线路的设置尤其重要。由于线路是根据运输需求设置，有很大灵活性，对于站场设计人员要求较强的专业知识，不合理的设计在后期的修改中不仅CIPS管理系统包括所有子系统都要修改，工作量大。根据CIPS系统的线路设计规则，CAD工具通过对路径表的检查能够提示出用户可能不准确的设置，提高设计标准。4. 数据处理对于任何CAD辅助设计来说，所进行的界面设计最终目的还是数据的产生
13、，界面展示与操作仅仅是手段，数据处理才是核心。对于CIPS系统子系统就繁多（例如成都北CIPS系统子系统有十多个），对外还有微机监测系统、TDCS系统等很多接口。CIPS管理系统要实现自动决策与执行基于大量的数据，因此统一、规范的数据接口标准是各系统能够自主开发且又有机协调的基础。4.1 数据组织业务的发展是不断深入的过程，系统功能也是不断提高和完善，要求对应的CAD工具也是不断扩充。必须设计易于扩展的数据结构在新功能不断增加的同时能够很好地实现对早期版本数据的兼容，以方便实现既有系统的二次开发需要。数据组织方面采用了数据结构数据集数据库的3层模式，最后数据都存储于数据库中。在程序应用中采用数
14、据结构，访问频繁且数据量大的内容采用哈希表的方式，实现数据的快速访问。以模型为例，每个模型对象的ID为Key值建立Hash表，由于在站场是以ID为节点建立的网络图，模型间的关系等也是以ID建立的链，Hash表保证了站场网络的遍历快速完成；数据集在程序中既能够快速实现数据处理又能够以表的形式直观、方便地比较数据的变化，还实现了存储的接口；数据库存储与CIPS管理系统结构一致，产生的数据可以直接应用。由于CIPS管理系统与各子系统是紧密的一个集成系统，实现所有子系统的数据共享能够避免由于各系统间软件升级造成的版本问题，为系统软件发展提供良好的平台。在站场表示、线路、场域、故障代码等方面，CAD工具
15、统一产生数据，虽然不同类型数据根据需要展现方式不同，但后台都基于数据库这一唯一数据源。CIPS系统为各子系统提供统一的组件，各系统间的信息交换通过组件统一完成，各子系统只负责具体的业务功能，这样不单提高了开发效率还避免了系统发展过程中出现的不平衡发展问题。4.2 码位数据CIPS系统的码位数据主要是管理系统与各子系统、TDCS系统、CTC系统的站场表示数据交换。参考CTC系统的协议的数据定义方法CIPS系统制定了一套完整的信息交换结构体系即码位数据，并在各系统间共享统一的动态链接库。码位数据内容上不仅包含道岔、信号、区段、减速器、停车器等基本的信号内容，还包括驼峰溜放中的命令、测长、测速以及设
16、备停用、系统状态、时钟、系统检测等综合信息，所以CIPS系统的码位数据不仅仅是站场信息的表示，更确切地是综合表示系统。码位数据按照站、系统、场、咽喉、模型ID自动由CAD工具自动排序根据信息类别自动产生，保存到数据库中。由于各子系统的ID是独立编号完成控制功能，CIPS管理系统和各子系统之间的码位数据通过名称实现对照，为了避免不同站之间重复名称问题，名称结构为站名+信号名称方式。码位表的字段包括：类型、名称、比特排序、字节排序。各子系统发送给管理系统的表示数据由各子系统设计人员完成，通过Excel文件格式提交给CAD工具。CAD工具根据自动产生的数据与各子系统提交的数据进行比较分析，给出不匹配
17、或格式错误的数据信息，供设计人员检查。在确认数据准确后对所有的数据进行整合，产生子系统码位表，子系统码位表字段与CIPS系统码表位结构基本一致，增加了“子系统ID”字段，各子系统间独立进行排序。CIPS的码位数据每次产生都对应一个版本号，在站场表示服务广播时会把版本号广播，如果客户端或子系统收到的数据版本号不正确，将不进行数据处理并报警，避免版本不一致造成的数据分析错误。4.3 路径数据在网络结构图中节点到节点的通路称为路径，借用此概念应用到CIPS系统中描述线路到线路的通路称为路径，路径是没有方向的。线路到线路的路径是唯一的，由于分枝不同产生的不同的通路称为进路，进路是有方向的。每条路径可能
18、有多条进路，按照进路排序规则依次编号，序号是管理系统与控制子系统的公共进路ID。每条进路下包含许多的设备及其位置（如道岔的定反位、信号的正向、反向等），这些设备按照在进路上的顺序排序。进路上的设备需要和联锁系统的数据进行校核，作为进路变更的指导。CIPS管理系统指挥各控制子系统的自动执行是通过指令集实现的，指令集的基本内容是路径。路径定义是不能够跨越子系统的，原则上也不可以跨咽喉。在管理系统没有指定具体进路的情况下，联锁系统按照默认的进路执行指令选排进路；在管理系统指定具体的进路编号情况下，联锁系统按照公共进路ID查找到具体的设备位置走变更进路执行。4.3.1 路径、进路搜索与产生线路是站场网
19、络图上的一个节点，从任意线路开始向外搜索，采用递归方式如果找到线路则产生了路径并返回，所经过的网络上的节点即为经过的设备，找到尽头也返回。根据基本的站场网络结构和信号特征，建立以下搜索规则：n 顺序规则：通常的选路规则是由咽喉往股道搜索的方式，路径搜索也是采用该方式，先从咽喉线路开始再用场内线路搜索；n 方向单调规则：搜索一定在方向上一定是单调的，方向的描述由具体模型决定；n 道岔位置优先规则：根据联锁系统确定的道岔定、反位优先原则，优先搜索位置优先方向；n 可执行规则：进路上一定包含有始终端信号（或可以作始终端的其它设备），这样的进路才是可执行的，否则为无效进路；n 始终端匹配规则：进路的始
20、终端一定是联锁系统所认可的，该规则是对上一条规则的延伸；n 列车进路规则：如果进路始端可以做列车进路始端，那么终端也一定是列车进路终端。在搜索中即使遇上了线路也继续递归直到找到匹配的终端产生路径、线路。n 迂回排除原则：在同一路径同向的进路中如果进路A上的所有模型在进路B中都包含且进路B内容大于进路A的内容，这种情况进路B就是迂回进路，在实际的执行中是不存在的，进路B为无效数据。根据测绘数据CAD工具将这些数据转化为具体的模型区段长度。模型是站场网络的一个节点，其长度就是节点的权值。在进路搜索中不仅产生模型的位置关系还有深度参数，即从始端开始到该设备的距离。同一路径不同进路的深度也不相同，CA
21、D工具按照进路深度由小到大原则重新对进路排序。4.3.2 路径相扰编组站无论的接发列车还是调车作业，都需要完成车辆的移动。车辆移动是通过路径的方式由指令集指导各控制系统完成。所有这些业务都是并发执行的，合理产生路径最大可能并行作业，能够提高作业效率，这需要路径相扰处理。根据路径、进路、进路设备的关系，两条路径间主要满足一条进路不冲突则这两条路径可以并发执行，这两条路径是不相扰的，否则相扰。要求进路的设备不仅包括进路上的设备还有其它关联设备（如交叉渡线走反位时整个渡线资源都被占用）。正确描述的相扰问题是CIPS管理系统自动决策与执行的基础数据，在满足尽可能并行处理的情况下，对于产生的相扰路径还要
22、根据业务类型、计划时间等进行冲突处理，保证在执行层能够按照计划的先后顺序正确执行。考虑到如果基于进路、设备的关系处理，由于数据量大，会影响决策系统的实时性，因此CAD工具产生相扰表，描述路径与路径间的相扰关系，能够提高决策层的处理速度。4.3.3 进路变更联锁系统的进路变更是基于基本进路的变更，CIPS管理系统要求的进路变更往往是在方案层的长进路变更，如果只是基于联锁的基本进路变更是很难实现的，操作也不灵活。为了由CIPS管理系统管理进路需要，在管理系统和联锁系统间建立公共的进路变更表。对于列车进路没有变更可言，变更进路都是指调车进路的变更。CAD工具在路径、进路表基础上产生所有的调车进路以及
23、进路上的设备及其位置交给各联锁系统，由联锁系统工具分析每条进路的可用性，对于不可用进路进行标记并把结果反馈给CAD工具。根据反馈结果CAD工具修改进路变更表后再统一下发给联锁系统。实现管理系统和联锁系统共享数据，保证了联锁系统的每条进路都能够根据管理系统所发的进路控制命令执行。5. 总结与展望CIPS管理系统是集管理与控制于一体的综合系统，涉及到的数据量大、业务广，CAD工具对于加快系统的生产流程，保证生产中的数据质量起到了重要的作用。虽然CAD工具是基于CIPS管理系统的应用而设计但它本身也包含了基本的联锁关系，通过数据的进一步挖掘处理，可以作为铁路信号控制系统的一个通用数据平台，提供跨系统（联锁系统、驼峰系统、停车器系统、调机自动化系统以至TDCS系统、CTC系统）的数据支持。