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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
