赵训婷 黄友能 王 伟

（1.北京交通大学电子信息工程学院，100044，北京；2.轨道交通控制与安全国家重点实验室，100044，北京；3.轨道交通运行控制系统国家工程研究中心，100044，北京∥第一作者，硕士研究生）

基于通信的列车控制（Communication Based Train Control，简为CBTC）系统，代表了当今世界城市轨道交通信号控制领域技术的发展趋势。目前，随着我国城市轨道交通事业的蓬勃发展，各大城市纷纷选择CBTC技术作为信号系统的首选制式［1］。CBTC系统与传统基于轨道电路的列车控制系统相比有很大的优势，尤其是区段内运行列车子系统间的各项参数可以相互传递。当前，为保证不同厂家生产的列车子系统间的正常通信，各个厂家都要根据工程设计方提供的平面线路布置图，通过人工方式对线路布置图中的通信数据进行提取和校验，并按照各自规定的方式进行编码，形成接口码位。这种方式耗费的人力比较多，工作效率不高，而且没有形成统一的码位规范。

现在，城市轨道交通建设的工期越来越紧，对列车运行安全性的要求也越来越高，因此研究数据码位的自动生成方法具有重要意义，有助于高效、准确地得到数据接口码位，并实现CBTC系统接口码位的规范化。

1 数据码位自动生成的技术路线

数据码位自动生成的技术路线如图1所示。

图1 数据码位自动生成的技术路线

本文的技术路线从线路平面图出发提取全部的线路数据。一条运行线中的线路数据较多，为保证数据的完整性、安全性，以及码位自动生成算法的高效执行，需要对数据进行概念分层预处理；然后将ADO数据源和SQL数据库相连，实现程序与数据库之间的通信。提取接口数据采用顺序启发式算法，不断搜索、筛选、排除剩余空间数据，直到获得了子系统通信需要的全部接口数据。码位生成部分用C#语言编写程序进行主界面的设计，并实现数据码位的规范化生成。最后用HAZOP（危险与可操作分析）方法对软件风险进行辨识。HAZOP是一种用于辨识设计缺陷、工艺过程危害及操作性问题的结构化、系统化的分析方法［2］。它按照系统设计原则及通信需求对每一步骤进行分析，识别出潜在偏差的原因、结果和处理方式；处理过后将偏差反馈到数据预处理部分，重新生成所需码位。

2 数据码位自动生成的设计方案

2.1 CBTC系统内子系统间的数据通信

CBTC系统由区域控制器（Zone Controller，简为ZC），计算机联锁（Computer Interlocking，简为CI），车载控制器（Vehicle On Board Controller，简为VOBC）及列车自动监督（Automatic Train Supervision，简为 ATS）等子系统组成［3－4］。每一部分都要调用相关的数据到各自的程序中维持运行功能，同时又要传递给相关子系统共同保证轨道交通系统的安全运营。图2为CBTC系统内部通信数据的传递流图。

图2 CBTC系统内部通信数据的传递流图

由图2可知，CBTC系统由4个子系统组成，每个子系统至少由一个程序完成功能，那么接口的数量就要按照4×（4－1）＝12，呈二次方增长。每个接口的数据都要重新设定以满足当前系统信息传输的需求。自动生成数据码位可以高效、高质量地完成这项工作。下面以北京城市轨道交通亦庄线同济南路站CI→ZC（计算机联锁向区域控制器）之间需要传递的接口码位为例，介绍其具体实现的方法。

CI→ZC传送的数据主要用于ZC确定线路状态，包括以下6种类型的数据：

1）道岔信息（位置定位状态，位置反位状态，锁闭状态）；

2）区段信息（运行方向，占用状态，空闲状态，进路办理状态，进路锁闭状态）；

3）信号机信息；

4）OVERLAP（安全区段）信息；

5）站台信息（站台紧急关闭状态，站台安全门状态，站台无人折返状态）；

6）进路信息（基本进路，折返进路，出入段进路）。

2.2 应用概念分层的方法对数据进行预处理

概念分层就是数据库中的概念以偏序方式组成，有底层概念（具体的概念）到高层概念（一般的概念）的映射序列［5－7］。本文的数据包括地面设施的编号、位置、方向等，每类设备信息都可以映射到该信息所在的数据表；同时所有的数据表都可以映射到设备和线路上。这些映射形成的数据概念分层结构如图3所示。

由图3可知，这些概念层次之间构成了一个从抽象到具体的关系。基于概念分层的知识发现，这是一种有效的面向属性的数据归纳方法。它通过对数据进行提炼加工，将记录浓缩成较少的更高一层次的数据；数据层次越高存储的数据等级就越高，相应包含的信息数量就越少，但是信息覆盖的范围却不变［8－9］。具体到本文中就是：在底层“具体信息”内保留的所有内容，在“按功能分块”部分保留的是子系统传递中更为需要的数据，上一层的数据是下一层数据的真子集。这样的存储方式可以有效地提高数据码位的生成效率。

2.3 顺序启发式算法生成码位

启发式算法在计算机科学、人工智能、运筹学等一些工程学科中经常被用到。在不同的学科中，对该词的定义可能不同，对启发式算法研究的侧重点可能也不同。人工智能专家Pearl J.曾在其著作中对启发式算法进行了比较详细的讨论。他认为：启发式算法是指一组指导算法搜索方向的、建议性质的规则集；通常按照这个规则集，计算机可以在解空间中寻找到一个可行解［10－11］。本文提出的顺序启发式算法，利用组合优化的方式，通过逐个地增加数据的方式来求得一个可行解。其计算速度较快，结果准确率较高。

图3 数据概念分层结构

顺序启发式算法的具体执行步骤如下：

步骤1：初始化数据库，根据CI→ZC通信需要的数据确定各个数据表的优先级，将整个数据库看作初始剩余空间，作为第一个节点。图4为经概念分层预处理后的数据库模拟图。数据库共分为4层，优先级从下到上依次递增；同时每一层的数据也按照需求大小排列，数字越小表示优先级越高。

图4 数据库预处理模拟图

步骤2：后台生成并维护2张数据表（“Unmark表”存储被搜索但未被使用的数据，“mark表”存储已被使用的数据），如图5所示。

步骤3：按照ZC子系统需要的6类码位数据，选取当前剩余空间优先级最高的数据表作为叶子节点。叶子节点表示当前需要遍历的数据表，即为图6中黑色圆表示的部分。第一层编号为1的数据表如图6所示。

图5 顺序启发式算法中的数据表

图6 第一层编号1被选为叶子节点

步骤4：遍历当前数据表，如有需要通信的接口数据，则转入步骤6；如没有则转入步骤5。

步骤5：当前数据表中没有需要通信的数据，则转入下一个优先级的数据表中重复步骤3、4。

下一个优先级的数据表即为当前数据表直接关联的下层编号为1的数据表和同层的下一级别的数据表。图7中的黑色圆表示的部分即为第一层编号1中没有所需要的通信数据，则更换第二层编号1为叶子节点。如果此时仍然没有所需的数据，则需要继续遍历下一优先级的数据表。图8、图9、图10依次展示了顺序启发式算法更换叶子节点的顺序。其中黑色圆表示选作下一个叶子节点的数据表。

图7 更换第二层编号1为叶子节点

图8 第三次换选叶子节点

图9 第四次换选叶子节点

图10 第五次换选叶子节点

步骤6：将该数据的优先级编号和数据名称存入“Mark表”（见表1），并按照子系统间通信的接口码位格式进行编码，同时将该数据表中未使用的数据存入“Unmark表”（见表2）。

表1 Mark表

表2 Unmark表

步骤7：将编码后生成的信息，按码位顺序进行编号，存入码位表；重复步骤1，顺序编码继续生成下一类通信码位。

最终生成的同济南路站CI→ZC通信的数据接口码位如表3所示。

表3 亦庄线同济南路站CI→ZC发送的数据码位编号

3 结语

本文针对CBTC系统内各子系统之间数据码位由人工生成的不足，提出了一种利用概念分层预处理数据结合顺序启发式算法自动生成数据码位的方法，并通过代码实现了自动生成子系统间交互的码位信息，达到了传输数据的完整覆盖性需求。实例结果表明，自动生成的数据在保证覆盖完整、数据准确的前提下减少了人工校验，大幅度提高了工作效率。

［1］陈伟喜.IEEE 802.11协议在基于通信的列车控制系统（CBTC）中的应用［D］.上海：上海交通大学，2007.

［2］张贝克，李欣龙.一种石化过程半自动化HAZOP安全评价方法的研究［J］.石油与天然气化工，2009，38（3）：262.

［3］郜春海.自主创新CBTC系统的核心技术研究［J］.都市快轨交通，2011，24（4）：1.

［4］郜春海.基于通信的轨道交通列车运行控制系统［J］.现代城市轨道交通，2007（2）：7.

［5］谢艳.基于概念和概念格的知识发现新方法［D］.鞍山：鞍山钢铁学院，2001.

［6］秦昆.基于形式概念分析的图像数据挖掘研究［D］.武汉：武汉大学，2004.

［7］谢世环.CTCS2列控中心应答器报文测试用例自动生成研究［D］.上海：同济大学，2008.

［8］钟慧玲，章梦，石永强.基于路网分层策略的高效路径规划算法［J］.西南交通大学学报，2011，46（4）：645.

［9］陈波，杨阳，郑文军.一种基于道路网层的最短路径算法［J］.海洋测绘，2009，26（3）：21.

［10］孙永松.基于启发式算法的药物物流系统的配送优化及实现［D］.上海：上海大学，2009.

［11］陈萍.启发式算法及其在车辆路径问题中的应用［D］.北京：北京交通大学，2009.

［12］宗明.基于无线通信的列车控制系统应用研究［J］.城市轨道交通研究，2012（7）：120.