ATS列车自动驾驶系统算法研究

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摘要：本文对ats列车自动驾驶系统的ARS算法和Paxos算法进行了研究，提出了轨道线路模型，对改善ATS存储机制，提高数据可靠性和完备性具有重要的意义和实用价值。

关键词：ATS；ARS算法；Paxos算法；实用价值

中图分类号：C35文献标识码： A

ATC系统一般主要包括三个子系统：列车自动监控（ATS，Automatic Train Supervision）系统、列车超速防护（ATP，Automomatic Train Protection）系统和列车自动驾驶（ATO，Automatic Train Operation）系统。其中ATS列车自动监控系统，对重要的行车数据进行存储，包括列车在线信息、时刻表信息、实绩图、故障告警信息等，并提供对以上数据的查询分析。主要实现对列车运行的监督和控制，辅助行车调度人员对全线列车运行管理，是城市轨道交通系统中重要的行车指挥工具。随着计算机技术发展，ATS智能化程度不断提高，对列车监督和控制功能逐渐加强，极大地减轻了行车调度指挥人员的工作强度[1]。

ATS系统在列车自动监控方面起到了重要的作用，但随着技术的不断发展，其本身的性质及功能也需要不断的完善，本文主要介绍列车运行图的计算机生产和列车自动调整的ARS算法，并且介绍了针对ATS系统存储系统存储介质数据库的服务器的昂贵性，且一旦数据库服务器出现问题，将无法执行政策的数据操作，进而导致部分数据在故障期间丢失的问题，提出了ATS数据分布式存储模型的Paxos算法。两种算法的研究在对ATS系统列车自动进路排列以及提高其可靠性、高可用性并降低系统成本起着重要的意义。

1.ATS系统ARS算法研究

结合二叉树的拓扑关系，并考虑城市轨道交通的线路特点，提出一个轨道线路模型，如图1所示，在城市轨道线路拓扑网络中，用相连接轨道线路来描述整个网络[2]。

图1 线路示意图

进路的生成是指在操作人员选择了进路的始、终端按钮后，由系统根据不同的计算方法和规则完成进路的选取。因此选择怎样的算法，对于进路的选取效率有很大的影响。可以将整个站场图用二叉树的形式表示。

在城市轨道线路中，直股伸入车站的线路叫做正线，道岔股道线

路叫做侧线。从轨道线路间的连接关系来看，任意一条边的起点或终点连接的其它轨道线路，无外乎正线边和侧线两种情况，且最多有两个分支。由于侧线连接的两条正线可以按照区段规定逻辑方向以及道岔位置特点来区分左右次序，所以正线和侧线的拓扑关系可以用二叉

树的基本拓扑形状来描述。结合二叉树的链式存储结构， 把轨道线路看成网络中的结点，把与轨道线路端点相连的轨道线路看成结点的孩子， 其中正线为左孩子，侧线为右孩子，从而可以构造网络线路的数据结构。列车在线路边上的行驶方向不是固定的，可以是“正向0”也可以是“反向1”。为了满足这种逻辑需要，按照轨道线路规定的逻辑方向，在轨道线路正向和反向上分别构造二叉树拓扑结构，再将两种结构整合为一个通用的数据结构，以图1中的4 号线路边为例，如图2所示：

图2 二叉树拓扑结构整合示意图

由此可见，在任意方向上进行搜索或区段链接都是一个二叉树，可以满足在数据库线路网络中任意方向上搜索的需要。

实际轨道线路中有可能因为道岔特性等原因造成物理上相邻却不能让列车相互驶入的轨道线路。比如图1中的2号和7号边线。因此，在构建数据库线路网络时，让可以相互通行的线路边在规定的逻辑方向上都是首尾相连，让不能相互通行的线路边之间首首相连或尾

尾相连，然后对上述线路拓扑结构进行扩展。这种方法确定了线路边连接关系基础上的通行关系，可以构造精确的二叉树结构进行网络搜索与查询。

在数据库线路网络中任意方向上搜索时，二叉树拓扑结构会发生

相应变化。以图1中的1号线路边和5号线路边为例，在线路上的不同方向上的二叉树拓扑结构图分别如图3所示。

图3 不同方向上的二叉树拓扑结构图

有了这种一致的拓扑关系，就可以把整个线路网络中的所有元素都统一起来，不仅可以很好地对轨道线路进行描述，也可以方便地对数据库进行搜索和信息查询。

2.ATS系统Paxos算法研究

Paxos 算法正是基于对消息操作的强制有序性来实现分布式系统的一致性。为此，提出一种基于Paxos 算法的分布式存储模型[3]。

2. 1 Muti-Paxos 模型

基本的Paxos 算法要经历申请和审批2个阶段。为减少消息传递的数量，采用优化后的Muti-Paxos 模型，即首先在建议者(Proposer)中进行领导者(Leader)选举，选举产生的Leader在不发生故障的情况下将长期承担，所有的建议由Leader提交给批复者( Acceptor) ，这省去了消息提议的申请阶段。系统一旦检测到Leader 发生故障，将发起对Leader 的重新选举。

Paxos 算法的批准阶段是基于大多数同意的议会制，因此要达到分布式存储的一致性，最少需要3个存储体(3台PC机) ，一般可选取5个进行构建。为简化结构，减少不必要的冗余，在模型中每一个存储体均可承担3 个角色:Proposer，Acceptor和Learner。数据流程图如图1 所示。领导者( Leader) 可同时兼任建议者(Proposer) 、批复者(Acceptor) 和学习者(Learner)身份。

Leader 接收到Client 提交的信息后，向Acceptor提交批准申请，Acceptor 对接收到的提案进行批复，同时保存批复的提案号和内容。Leader 收到大多数Acceptor 的批复后即认为提案已经被接受，随后通知所有Learner 进行对提案的学习，同时告知Client 当前的Leader 身份。

图1 数据流程图

2.2 存储体模型

存储体采用2 层架构: Paxos构成的协议层，以及由数据库(DB) 、快照(Snapshot) 和日志(LOG) 构成的存储层，如图2 所示。批准的提案数据由Paxos协议接收后传入存储层，存储层保存元数据于LOG 中，并且记录对应消息的提案号，以保证存储体即便错过部分消息(处于落后状态)，也能在随后的学习过程中获得。元数据存储在LOG 中，使得每个领先的存储体都可以为其他落后存储体提供学习的数据，最终使落后的存储体赶上。接收的元数据经解析后以相应格式存储到数据库中。

随着数据的不断存储，LOG 占用的空间不断增加，最终导致磁盘空间的不足，无法记录新增的数据，而且对于数据的检索将花费更多的时间和资源。在不影响数据存储的情况下，采用截断日志的方法降低LOG 所占用的资源。即当LOG 所占用的空间达到一定数量后，系统对当前数据库进行Snapshot 操作，当操作成功后，将日志截断，同时在磁盘中保存Snapshot 句柄的信息。不同的存储体间可以进行LOG 和Snapshot 的交换。

图2 存储体结构图

3.结束语

采用二叉树拓扑建立轨道线路模型，用广度优先搜索法和深度优先搜索法相结合对进路进行搜索从而生成进路表，这种算法不但提高了运算效率，还提高了内存空间的利用率；提出了基于Paxos 算法的数据存储模型，采用较为廉价的PC机即可满足系统对数据可靠性和完备性的要求，并能有效降低存储成本。两种算法的研究对改善ATS存储机制，降低系统成本具有重要的现实意义和实用价值。

[1] 刘海东, 毛保华, 丁勇, 等. 列车自动驾驶仿真系统算法及其实施研究[J]. 系统仿真学报, 2005, 17(3): 577-580.

[2] 朱耘燕. 城市轨道交通ATS仿真系统ARS算法研究[J]. 科教前沿, 2011(7): 23-25.

[3] 袁志明, 方力一. 基于Paxos 算法的ATS 数据分布式存储模型[J]. 铁道通信信号, 2012, 48(12): 5-8.