一种基于轨道数字化建模的联锁表数据安全验证方法

技术领域

本发明涉及轨道交通数据验证领域。

背景技术

联锁表数据正确性是信号系统安全性的关键影响因素之一，因此验证联锁表数据的安全性是开发联锁系统的关键任务。现有的人工检查技术依赖准则和对轨道布置图纸及进路图纸的识别，效率较低，而且可能由于人为的错误导致不能正确验证联锁表。同时，由于联锁数据种类的多样性和逻辑关系的复杂性，而且数据安全没有成熟的理论体系，这使得对数据安全进行系统化建模和验证非常困难，并且难以证明数据安全验证的完备性。现有的自动化检查方法主要从典型的轨道站型出发，基于线路数据连通性和交叉约束关系进行论证，并没有为其建立完备的轨道模型。而且传统方法采用单一方法进行单一检查，没有通过交叉验证，并不能保证检查结果的正确性。

发明内容

本发明的目的在于解决联锁表数据人工检查效率低易出错，克服现有技术难以进行系统化建模和安全验证的问题，提供基于轨道数字化建模的联锁表数据安全验证方法。

实现上述目的的技术方案是：

一种基于轨道数字化建模的联锁表数据安全验证方法，包括：

步骤一，通过基于面向对象的方法和基于面向过程的方法分别进行计算和检查；

步骤二，对基于面向对象的方法和基于面向过程的方法的检查结果进行交叉验证。

在上述的基于轨道数字化建模的联锁表数据安全验证方法中，所述步骤一中检查的内容包括：进路经过的道岔及状态、进路的侧防道岔及状态、侧防解除条件、进路经过的固定闭塞区间、方向冲突进路、道岔冲突进路。

在上述的基于轨道数字化建模的联锁表数据安全验证方法中，所述的基于面向对象的方法，包括：

步骤A1，以统一格式表格(Unified Format Table，简称UFT)的数据作为数字化建模的来源，建立轨道数字化模型；

步骤A2，识别轨道数字化模型中的联锁道岔；

步骤A3，搜索联锁表中进路路径。

在上述的基于轨道数字化建模的联锁表数据安全验证方法中，所述的步骤A1中，统一格式表格中包含了三类轨道元素的数据：线段元素、点元素和连接元素，线段元素指的是区段和固定闭塞区间；点元素指的是信号机和计轴点；连接元素指的是道岔；在建模过程中，将所有轨道元素对象实例化，选择区段对象作为数字化模型的骨架，形成拓扑联接关系，并按照其它元素与区段的对应关系，将其它轨道元素对象与区段对象关联；

所述的步骤A2中，以各个道岔为分析对象，分别以沿里程增加方向和沿里程减小方向，从道岔的定位轨或反位轨出发向上游搜索所有符合条件的上游道岔，当与符合条件的上游道岔的反位轨连接时，则搜索完毕；从当前分析道岔到该上游道岔之间经过的所有道岔均列为当前分析道岔的侧防联锁道岔；对于交叉渡线的情况，依次分析所有的区段，当某区段存在交叉区段时，交叉区段两端的道岔均为该区段两端道岔的侧防联锁道岔；

所述的步骤A3中，利用联锁表中的非检查项或人工检查项，确定各条进路的起止点信号机，根据轨道数字模型确定起点和终点信号机所在的起点和终点区段，利用区段之间的邻接关系及进路方向从起点区段向终点区段搜索，搜索完成后，进路包含的轨道元素即为进路所通过的各区段对象中，在起止点里程范围内包含的所有轨道元素对象和衍生的联锁轨道元素对象，提取出进路包含的轨道元素对象中的属性与联锁表中检查项中对应的属性进行对比，得到对比结果。

在上述的基于轨道数字化建模的联锁表数据安全验证方法中，所述步骤A1包括：

步骤A1-1，根据统一格式表格，按类实例化轨道元素对象，以表格中的数据作为对象的属性；

步骤A1-2，根据统一格式表格中的数据，确定各个区段包含的信号机、计轴点，并将这些轨道元素对象与对应的区段对象关联；

步骤A1-3，根据统一格式表格中的数据，确定各个区段两端的道岔元素，并将道岔对象与对应区段对象关联；

步骤A1-4，根据在步骤A1-2中区段关联的计轴点，依次以两个相连的计轴点确定一个固定闭塞区间，从而确定各个区段上包含的固定闭塞区间，并将固定闭塞区间对象与对应的区段对象关联；

步骤A1-5，根据首尾节点确定各区段沿里程增加方向和沿里程减小方向的邻接区段，并将区段对象与其邻接区段对象关联；

步骤A1-6，从统一格式表格中提取区段起止节点的横纵坐标，对所有的两两区段进行交叉情况检查，确定各个区段的交叉区段，以识别模型中的交叉渡线。

在上述的基于轨道数字化建模的联锁表数据安全验证方法中，所述的基于面向过程的方法，包括：

步骤B1，建立二维数字化轨道模型：将统一格式表格中各轨道元素分别转化为二维数组，将联锁表进路信息转为二维数组；

步骤B2，建立进路结构：从联锁表中提取进路名称，然后根据进路名称以及轨道元素二维数组确定起止信号机，建立进路结构；搜索得到起止信号机的里程，根据里程大小判断进路方向；

步骤B3，建立道岔结构：根据不同的进路方向搜索进路包含的所有道岔，以起始信号机对应的结点作为当前结点，根据二叉树搜素算法分别搜索直向和侧向的结点，若搜索到重复结点或跨区结点则停止该方向的搜索，迭代直至搜索到终点结点，通过道岔二维数组搜索得到道岔结构；

步骤B4，建立区间结构：根据不同的进路方向搜索进路包含的所有区间，以起始信号机对应的区间为起点，结合步骤B3得到的道岔结构，搜索当前区间是否含道岔，如果有将道岔的方向作为下一步搜索方向，搜索直向或者侧向的区间，直至找到终点区间；

步骤B5，建立侧防道岔结构：根据步骤B3所得的道岔结构，根据道岔的直向和侧向，分别搜索侧向和直向的道岔，根据侧向防护条件判定是否需要进行防护，直至搜索到可以完全防护的道岔或者搜索到同向信号机或者轨道尽头，根据步骤B4所得的区间结构判定防护道岔的解锁区间；

步骤B6，建立冲突进路模型：根据步骤B3-B5所得的道岔结构、区间结构和侧防道岔结构，分别建立道岔位置冲突的进路以及方向冲突的进路，全部完成后，与联锁表待检查项对比得到对比结果。

本发明的有益效果是：本发明同时基于两种不同数据结构和验证方法，一种利用面向对象的方法，为以统一格式表格中的轨道元素和联锁表中的进路建立类结构，并根据项目将各轨道元素的类实例化为对象，通过对象的属性关联对象实体实现建模和后续的识别搜索。另一种利用面向过程的方法，通过建立二维数组实现轨道元素的关联性，通过逐步构建轨道元素的结构模型完成进路属性的搜索。不同数据结构实现的模型及计算具有差异性的特性，这样保证了所得出相同结果的正确性。以此提取数据检查联锁表中的检查项可以达到交叉验证的目的。与人工检查技术相比，使得检查效率大大提高，避免了人工检查可能出现的错误，提高了联锁数据的安全性。与其它自动化验证方法相比，本发明建立了完备的轨道数字化模型来计算进路，并且能够用于复杂的场景和轨道站型。本发明基于不同的数据(对象和数组)提出了不同的算法来对联锁表中的进路数据进行计算，由于算法的差异性和数据结构的不同，不同算法得到的计算结果相互具有独立性，能够相互之间交叉检查，保证了所得相同结果的正确性。

附图说明

图1是本发明的基于轨道数字化建模的联锁表数据安全验证方法的流程图；

图2是本发明中交叉渡线的示意图；

图3a是本发明中向量和相交的示意图；

图3b是本发明中向量和不相交的示意图；

图4a是本发明中反位-反位道岔邻接的示意图；

图4b是本发明中定位-反位道岔邻接的示意图；

图5是本发明中以区段为结点的轨道布置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的基于轨道数字化建模的联锁表数据安全验证方法，检查的内容包括：进路经过的道岔及状态、进路的侧防道岔及状态、侧防解除条件、进路经过的固定闭塞区间、方向冲突进路、道岔冲突进路。

请参阅图1，具体包括下列步骤：

步骤一，通过基于面向对象的方法A和基于面向过程的方法B分别进行计算和检查。

基于面向对象的方法(即方法A)，包括：

步骤A1，以统一格式表格的数据作为数字化建模的来源，建立轨道数字化模型。统一格式表格中包含了三类轨道元素的数据：线段元素、点元素和连接元素，线段元素指的是区段和固定闭塞区间；点元素指的是信号机和计轴点；连接元素指的是道岔；在建模过程中，选择区段作为数字化模型的骨架，按照其它元素与区段的对应关系，将其它轨道元素与区段关联。当其它元素与区段的关联完成后，还需要完成区段之间的关联，确定各区段沿里程增大方向和沿里程减小方向的邻接区段，从而确定区段的拓扑关系。在轨道布置中，还存在交叉渡线的情况，单纯的区段拓扑关系不能够识别交叉渡线。在本发明中，从UFT表中提取区段的首尾节点坐标，将区段向量化，通过向量乘法判断区段是否相交，从而识别交叉渡线。具体包括：

步骤A1-1，根据统一格式表格，按类实例化轨道元素对象，以表格中的数据作为对象的属性；

步骤A1-2，信号机、计轴点等点元素与区段的对应关系是多对一的关系，即多个点元素可关联某个区段。根据统一格式表格中的数据，确定各个区段包含的信号机、计轴点。

步骤A1-3，道岔这种连接元素可以连接不同的区段，而一个区段又最多可包含两个道岔，形成一种多对多的关系。根据统一格式表格中的数据，确定各个区段两端的道岔元素。

步骤A1-4，固定闭塞区间是一种线段元素，一个区段上可含有多个闭塞区间，而一个闭塞区间也可以横跨多个区段，形成一种多对多关系。一个固定闭塞区间是由计轴点围成的，所以根据在步骤A1-1中区段关联的计轴点，依次以两个相邻的计轴点确定一个固定闭塞区间，从而确定各个区段上包含的区间元素。

步骤A1-5，在轨道布置中，区段是首尾连接的。一个区段可以在首尾连接多个其它相邻区段，所以根据首尾节点确定区段沿里程增加方向和沿里程减小方向的邻接区段。

步骤A1-6，检查交叉渡线情况。交叉渡线是由区段交叉形成的。从统一格式表格中提取区段起止节点的横纵坐标，对所有的两两区段进行检查，确定各个区段的交叉区段，以识别模型中的交叉渡线。

本实施例中，如附图2，具体实现步骤如下：

1)为了提高遍历效率，首先判断待比较的两个区段是否满足交叉渡线的条件。即两个区段的首尾节点的主轨道编号(Primary Track ID)是否相同。当主轨道编号不相同时，则直接排除交叉渡线的情况不做比较。

2)当待比较的两区段首尾节点的和主要轨道编号(Primary Track ID)相同时，将待比较的区段向量化。如附图2所示，以区段节点里程作为横坐标，以节点主轨道编号作为纵坐标，将区段seg1和seg2分别向量化为和每个向量分别为：

3)利用向量乘法判断区段是否相交，当而且时，向量与相交，如附图3a所示，当条件不满足时，则向量与不相交，如附图3b所示。

4)根据3)中的条件，判断区段seg1和seg2的相交情况：

判断区段seg1和seg2相交，seg1与seg2互为相交区段。

步骤A2，采用迭代搜索邻接道岔的方法，根据平行进路的原则，确定道岔的联锁侧防道岔，目的是对进路中的道岔进行侧防保护。当以某方向作为上游方向时，若某道岔的上游方向上的道岔处于定位时可以与该道岔构成平行进路，则上游的道岔应列为该道岔的侧防联锁道岔。当上下游道岔之间存在朝向是下游的信号机时，侧面防护可以由信号机而无需道岔来保证，此时认为上游道岔是不符合条件的上游道岔，不列入当前分析道岔的侧防联锁道岔。本发明以各个道岔为分析对象，分别以沿里程增加方向和沿里程减小方向，从道岔的定位轨或反位轨出发向上游搜索所有符合条件的上游道岔，当与符合条件的上游道岔的反位轨连接时，则搜索完毕。从当前分析道岔到该上游道岔之间经过的所有道岔均列为当前分析道岔的联锁道岔。对于交叉渡线的情况，依次分析所有的区段。当某区段存在交叉区段时，交叉区段两端的道岔均为该区段两端道岔的侧防联锁道岔。具体步骤如下：

1)在轨道布置中，道岔之间通过区段来连接，道岔的邻接关系可以从轨道数字模型中得到。

2)本发明中联锁道岔的搜索方法，是从某道岔出发，沿其定位轨或者反位轨方向尽可能深的搜索邻接道岔，如果当前的搜索是通过邻接道岔的反位轨搜索到邻接道岔时，如附图4a和图4b所示。则构成侧防条件，认为该搜索路径上的所有道岔是该道岔的联锁侧防道岔。搜索将回溯到上一个分支节点，继续搜索其它未访问过的邻接道岔。

3)根据实际情况，当搜索路径上遇到朝向起点道岔的信号机时，根据侧防的原则信号机之后的道岔不再考虑侧防，则当前搜索分支终止，搜索将回溯到上一个分支节点，继续搜索其它未访问过的邻接道岔。整个过程反复至所有能够搜索到的邻接道岔均被访问为止。

4)实现方式：

①初始化道岔列表，switch_list＝[]

②访问起点道岔，visted[start_sw.id]＝1

③将起点道岔添加入道岔列表：switch_list.append(start_sw)

④迭代搜索

⑤交叉检查，遍历所有区段，当该区段存在交叉区段时，交叉区段两端的道岔均为该区段两端道岔的侧防联锁区段。

步骤A3，搜索联锁表中进路路径，以检查联锁表中的进路属性是否正确。利用联锁表中的非检查项或人工检查项，确定各条进路的起止点(起止信号机)，根据轨道数字模型确定信号机所在的区段，利用区段之间的邻接关系及进路方向从起点区段向终点区段搜索。在本发明中采用了一种记录路径的搜索方法，本方法基于深度优先搜索算法，利用栈结构的原理，在深度搜索过程中以栈结构记录进路区段的搜索路径。而且在本发明中为了确保搜索效率，每次搜索到新区段(非终点区段)时检查该区段是否存在同进路方向的信号机，当存在时则当前分支搜索结束，以此提高搜索效率。当搜索完成后，进路包含的轨道元素即为进路所通过的各区段中，在起止点里程范围内包含的所有轨道元素(计轴点、道岔、固定闭塞区间)和衍生的联锁轨道元素(由经过的道岔确定的侧防联锁道岔)。可以提取出相关元素与联锁表中检查项中对应的属性进行对比，得到对比结果A。具体步骤如下：

1)如附图5所示，在建立了轨道模型后，区段的邻接关系已确定。原先轨道布置的结构可以转换成以区段为节点的图。

2)根据进路的方向，从进路的起点所在的区段(起点区段)开始，对区段组成的图结构进行深度优先遍历。即当图中存在未访问过的相邻区段且不是终点区段时，从此相邻区段出发继续搜索，当无相邻区段则回溯到上一个出现分支的节点继续搜索，直至搜索至终点区段则终止搜索。

3)在本发明中，为了提高深度优先搜索的效率，采用了剪枝方式。由于联锁表中进路的原则是“信号机-信号机”进路，当搜索遇到与进路同方向的信号机(非起点信号机)时，则继续搜索下去已不可能得到所需进路的路径，则回溯到上一个出现分支的节点继续搜索。

4)实现方式:

①确定进路方向和起点区段start_seg和终点区段end_seg

②为深度搜索建立栈结构，初始化栈结构，stack＝[]

③访问起点区段，visited[start_seg.id]＝1

④将起点区段入栈，stack.push(start_seg)

⑤深度优先搜索

5)当进路通过的区段路径明确后，在这些区段上的而且在进路起点和终点范围内的所有元素均是进路的关联轨道元素，包括道岔，区段，侧防道岔和冲突进路等所有需要检查的元素，可以提取出与联锁表中检查项中对应的属性进行对比，得到对比结果A。

基于面向过程的方法(即方法B)，包括：

步骤B1，建立二维数字化轨道模型：为统一格式表格数据表中的区段、区间、信号机、计轴点、道岔、结点等需要的轨道元素分别建立二维数组，存入所需的轨道元素信息；并为联锁表建立二维数组，存入进路名称，进路编号，进路类型，进路方向，道岔，区段，侧防道岔等进路信息。其中进路名称，进路编号，进路类型是进行自动化检查的基础数据，需要保证其正确性。

步骤B2，建立进路结构Route：从联锁表进路的二维数组中提取进路名称，然后根据进路名称提取“起始信号机”和“终点信号机”，建立进路结构。搜索信号机二维数组，得到“起始信号机”和“终点信号机”的里程，根据里程大小判断进路方向。

步骤B3，建立道岔结构Switch：搜索信号机二维数组，得到“起始信号机”和“终点信号机”对应的“起始区段”和“终点区段”。搜索区段二维数组，得到“起始区段”对应的“起始信号机的起始结点”和“起始信号机的终点结点”，以及“终点区段”对应的“终点信号机的起始结点”和“终点信号机的终点结点”。分GD0和GD1方向分别搜索进路包含的所有结点。以GD0方向为例，以起始信号机的起始结点作为当前结点，根据二叉树搜素算法分别搜索直向和侧向的结点，若搜索到重复结点或跨区结点则停止该方向的搜索，直至搜索到终点信号机的终点结点。通过道岔二维数组搜索得到道岔结构。GD1方向的搜索过程类似。

步骤B4，建立区间结构Block：根据不同的进路方向搜索进路包含的所有区间。搜索信号机二维数组，得到“起始信号机”和“终点信号机”对应的“起始计轴点”和“终点计轴点”。搜索区间二维数组，得到“起始计轴点”和“终点计轴点”对应的“起始区间”和“终点区间”。以起始区间作为当前区间，默认搜索方向为直向，结合步骤(B3)得到的道岔结构，搜索当前区间是否含道岔，如果有将道岔的方向作为下一步搜索方向，搜索直向或者侧向的区间，如果不含道岔，则按照默认方向搜索，直至找到终点区间。

步骤B5，建立侧防道岔结构：根据步骤B3所得的道岔结构，根据道岔的直向和侧向属性，分别搜索侧向和直向的道岔，根据侧向防护条件判定是否需要进行防护，直至搜索到可以完全防护的道岔或者搜索到同向信号机或者轨道尽头，根据步骤B4所得的区间结构判定防护道岔的解锁区间。具体如下：

①获取道岔结构列表Switch；

②获取区间结构列表Block；

③设置侧防道岔解锁区间，如果计轴侵线，解锁区间设置为进路方向上道岔锁闭区间的下一个区间，否则为道岔锁闭区间；

④迭代搜索

步骤B6，建立冲突进路模型：根据步骤B3-B5所得的道岔结构、区间结构和侧防道岔结构，分别建立道岔位置冲突的进路以及方向冲突的进路，根据不同进路之间对应的道岔结构和联锁道岔结构的道岔位置，确定是否有相同道岔的道岔位置冲突，如果有，则计入道岔位置冲突进路中，如果没有，则根据区间结构和进路方向，确定是否有相同区间的进路方向冲突，如果有则计入方向冲突进路中。循环此过程，直至两两进路全部搜索完。全部完成后，与联锁表待检查项对比得到对比结果B。

步骤二，对基于面向对象的方法和基于面向过程的方法的检查结果进行交叉验证。即：通过将基于面向对象的方法A的对比结果A和基于面向过程的方法B的对比结果B做比较，如果一致，表明方法A和方法B的验证结果是有效的。如果一致判定联锁表数据正确，则证明了联锁表数据的安全性，否则证明联锁表数据不安全。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。