CBTC仿真测试系统线路数据可视化生成的设计与实现

马畅

【摘 要】本文介绍CBTC仿真测试系统的整体结构及各子系统的功能。在对线路数据进行深入研究分析的基础上，提出一种线路数据可视化显示及生成方案，利用UML构建了静态模型和动态模型，对该方案进行阐述。对于数据生成结果，以XML结构化线路拓扑信息，使用数据库表保存线路设备数据。

【关键词】轨道交通；CBTC；线路数据；可视化生成

基于通信的列车自动控制（CBTC）系统作为城市轨道交通控制系统的神经中枢，必须经过严格的功能及安全测试，确保系统的质量合格。计算机仿真测试与现场试验线测试是CBTC测试的两种手段，其中计算机仿真测试以其经济、安全、可重复等优点而被广泛采用[1]。CBTC仿真测试系统通过研究CBTC系统的结构、功能和行为，利用计算机对系统真实的运行环境进行模拟，分析系统对测试用例的响应，进而验证系统功能，评估系统安全性。

一、CBTC仿真测试系统结构

CBTC仿真测试系统由测试引擎、车辆仿真子系统、接口中间件子系统、轨旁设备仿真子系统组成。测试引擎负责监控车辆运动状态及轨旁设备状态，生成、管理、执行自动化测试脚本，处理测试结果；车辆仿真子系统是对真实列车的运行动力学仿真，通过牵引力、牵引延时、制动延时和黏着力等参数构建列车运动模型[2]。结合运行场景计算出列车的瞬时速度、加速度以及位移等信息，并周期向被测系统更新；轨旁仿真子系统负责信号机、道岔、区段、屏蔽门、按钮等轨旁设备仿真，动态显示站场图，实现设备故障注入，提供一个虚拟的设备环境；接口中间件子系统的作用是对接受到的设备状态信息、控制命令、应答器报文等进行格式转换及物理节点映射，然后再转发出去，其设计目的是屏蔽各种被测CBTC系统的差异性和复杂性，保证CBTC仿真测试系统的独立性，提高它的通用性。

二、站场可视化设计

1.可视化技术简介

数据可视化技术指的是运用计算机图形学和图像技术，将数据转换位图形或图像在屏幕上显示出来。其主旨是借助于图形化手段，清晰有效地传达与沟通信息，并利用数据分析和开发工具发现其中未知信息的处理过程。它涉及到计算机图形学、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等诸多领域[3]。

线路数据主要来源于站场平面布置图，该图是根据站场缩尺平面图绘制成的有关设备布置情况的技术图纸，描述的是CBTC仿真测试过程中的整个线路环境，对于被测系统而言就是真實线路上的各种物理设备和运行场景。现在CBTC测试中的平面线路布置图普遍采用DWG格式，图中各种设备数量总和一般数量巨大，大型的站场图尤甚，人工生成相应的线路数据繁杂且容易出错。因此可以采用数据可视化技术，通过丰富的图形交互功能实现线路数据的可视化生成，从而使数据可以更加灵活的展示，更易于理解和编辑。

2.设备图元设计

CBTC线路设备有信号机、道岔、区段、计轴器、屏蔽门、（有源/无源）应答器等。所谓图元，就是这些设备在计算机屏幕上的图形表示。对于每一个设备图元，使用唯一的图元ID号加以区别，以便于进行设备统计和进路搜索等操作。至于设备的不同状态，道岔的岔前、定位和反位可以使用不同的线段颜色表示，区段的锁闭、解锁与此类似；信号机则可以根据所点的灯丝，用对应的颜色填充相应的灯体。设备图元根据车站平面布置图排列组合，就构成了站场图。站场图是线路拓扑数据的可视化表现形式，描述了车站站场中信号机、道岔、轨道区段等线路设备之间的连锁关系和拓扑关系[4]。在CBTC仿真测试系统中，线路拓扑数据用以描述线路设备间的拓扑关系，主要包括图元ID、设备类型、设备名、设备编号、车站信息、坐标、前驱后继设备等信息。对站场图中设备按类型、按车站、按所在线路等要求统计后所得的数据，即线路设备统计数据。线路拓扑数据和线路设备统计数据均是线路数据的重要组成部分。

3.交互设计

在完成设备到图元的可视化映射后，需要实现人与图元之间的交互，其中，最重要的是在窗口（用户界面）中完成图元与键鼠的交互。窗口是人机沟通的桥梁，而键鼠则是最常用的人机交互设备。交互操作的实现有赖于图元对键鼠事件的响应，比如通过鼠标点击绘制/编辑/选中设备图元、鼠标拖放图元实现重定位、通过滚轮缩放更改图元尺寸以更好地观察站场图中的局部细节或是总体概况、获取键盘输入的设备信息等。

三、线路数据生成分析

1.LDG系统静态模型

线路数据的主体是线路设备，对于每一种设备类型，可以采用面向对象的思想抽象出相应的类，用以描述此设备类型相关的属性、操作、关系和语义。设备间具有一些共性：名称、编号、设备类型、坐标（在屏幕上绘图区域中的位置）、公里标及公里标系（平面布置图中的位置）、车站名、车站编号、左侧设备类型、左侧设备编号、右侧设备类型、右侧设备编号、所属ZC区域、所属ATS区域、所属CI区域等。当然也会有自己特有的一些属性和行为，比如信号机特有的一些属性：信号机类型、立柱高度（高柱和矮柱）、防护方向、是否存在并置信号机以及并置信号机编号以及信号显示等，特有的行为：点亮/熄灭某种色灯；道岔的特有属性：道岔类型、动作类型（单动/双动）、道岔的位置（定位/反位）、所属区段等，特有的行为：改变道岔的位置；区段特有的属性：物理类型（计轴区段/轨道区段）、区段内道岔（数量及编号）、区段内屏蔽门（数量及编号）、区段内紧急停车按钮（数量及编号）、区段内扣车按钮（数量及编号）、区段内折返按钮（数量及编号）等；应答器存在有源、无源应答器之分。

2.LDG系统动态模型

序列图是系统动态模型的重要组成部分，用于表示对象的行为顺序。序列图由一组对象构成，每个对象分别带有一条竖线，代表生命线，生命线若消失表示对象被销毁。从一个对象的生命线指向另一个对象的生命线的水平箭头表示消息。序列图就是描述对象间随着时间的推移互相之间交换消息的过程。

3.线路数据保存

最终生成的线路数据中设备统计信息和设备属性信息由数据库类保存至数据库；线路拓扑数据则由XML类保存为XML文件。数据库中数据的保存关键在于将类映射为数据库表，这个过程遵循下面的规则：

（1）每种线路设备对应一张数据库表，以设备的编号作为主键；

（2）没有属性的类无需映射为数据库表，如Form类、控制类、XML类和数据类；

（3）如果子类映射表中包含父类的属性，只将子类映射为数据库表，父类并不映射，如DevBase类；

（4）类的属性可以映射为数据库表中的1个或多个属性列，但并非类中所有的属性都需要映射，比如设备类中设备名在编辑窗口中坐标信息、显示的字体、颜色、对齐方式等；当然也可以根据需要将若干个属性映射为表中的一个属性列。

四、结束语

本文从可视化生成线路数据的角度出发，对站场图的显示进行了设计，分析了研究线路数据的组成和特点，并利用UML对数据生成过程进行建模，构建LDG系统的静态模型和动态模型，使用线路数据库表保存设备统计信息和设备属性信息，用XML文件保存线路拓扑数据，并最终在C#语言开发环境下，对LDG系统进行实现。通过实际的测试，这种线路数据自动生成的方法实现简单、易于扩展，有利于实现CBTC仿真测试系统中各子系统统一的数据接口，降低开发成本，提高系统效率，具有很好的应用价值。

【参考文献】

[1]饶康康，陈邦兴，徐中伟，等.CBTC线路仿真系统的站场图设计与实现[J].城市轨道交通研究，2013，16（1）：38-42.

[2]许文鹏.数据可视化系统架构的设计与实现[D].北京：北京交通大学，2015.