2024年1月14日发(作者：)

＜．＜　ＡＤＥＭＩＣ　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　学术研究　基于迭代式ＭａｐＲｅｄｕｃｅ的　地铁安全仿真系统的研究　◆曹羽中　韦永斌　摘要：当前，我国交通系统发展迅猛，列车的运行追踪系统不仅可以确保列车运　行中的安全，而且可以提高列车运行的效率，是轨道交通系统的核心。仿真软件能够　模拟城市轨道交通系统的各种极端情况，并提供决策支持，更好地提高地铁运行的可　靠性以及安全性。本文针对以上背景设计并实现了轨道交通仿真追踪模型，并为了使　系统具有对海量数据进行分布式处理的能力，系统使用Ｈａｄｏｏｐ　Ｍａｐ／Ｒｅｄｕｃｅ框架　实验表明，本文所构建的模型是一个能反映实际运行情况的行之有效的模型。　关键词：元胞自动机；并行计算；仿真；大数据　一、引言　的运动，看做是每个格子的状态变化　］，传统的ＮａＳｃｈ　模型是为公路交通设计的，本文设计的模型在列车行车　交通运输系统是城市生活极其重要的一部分。城　市交通运输系统的发达程度是衡量一个城市现代化程度　时，使用专为轨道交通改进的ＮａＳｃｈ模型…，当列车启　动时候首先是加速，并保持安全距离，然后再移动列车　位置。　的重要指标，同时也是衡量一个城市生活便利程度的重　要指标口］。１　８６８年英国成为世界上第一个有地下铁路的　国家，这以后每个国家都会把地下交通作为城市发展的　重中之重，目前全世界已有３６个国家的近８０多个城市拥　有了地铁…。现代化城市的发展受城市的交通能力的制　约，而交通能力也决定了一个城市的发展水平”　，很难　想象一个交通不便利的城市会具有发达的经济水平［３］。　城市轨道交通具有低能耗，占用土地资源少等优势，并　具有准时、载客量大，安全环保低碳的优点¨４】。　与原模型相比，本文所用ＮａＳｃｈ模型去掉了减速：　—　（　，　）（１）　司机在行驶中为了防止撞车而减速以及随机慢化：　以概率Ｐ，　一　（　一１，０）（２）　各种突发情况造成车辆减速的过程　。这是因为在　地铁中行驶时，不会有随机慢化的过程。而减速过程因　为有闭塞区间算法，所以省略。　２．２固定闭塞区间技术。所谓的闭塞区间或块段，　通过分析现有的资料文献，可以知道当前在地铁运　行追踪系统的研究领域中，固定闭塞区间和移动闭塞区　是确保只有一辆运行的列车在同一时间内，同时确保一　个区间或闭塞分区在同一时间只能运行一个列车，它是　确保轨道交通安全的一个比较主流的方法　。在固定闭　塞区间技术里，信号灯刷新规则如下：列车进入的区间　为红灯，前一个区间为红灯，再前２个区间分别为黄，　绿，其核心思想如下图１：　问技术被大量应用　］，对列车运行自动控制以及列车制动　已有大量的研究成果『８］。但是，在地铁运行追踪过程领域　中，少见一些行之有效的能描述运行追踪过程仿真模型　和相关算法　］，本文将依据地铁运行追踪过程，建立一个　基于固定闭塞区间技术的仿真模型及其相关算法。　二、轨道交通相关原理　２．１ＮａＳｃｈ模型技术。从著名科学家冯・诺伊曼第一　个提出元胞自动机以后，元胞自动机广泛应用于各个不　同的领域＿３］。二十世纪９０年代，Ｎａｇｅｌ和Ｓｃｈｒｅｃｋｅｎｂｅｒｇ－－　起提出了ＮａＳｃｈ元胞自动机模型［４】。其基本思想是道路　网格，在这个道路网格中每个格子都是一个可以独立思　考智能的小细胞，每个小细胞映射一个或几个车，车辆　１３８　信息系统　程ｌ　２０１３．７　２０　列车　－　－　－　－＼红　红　黄　绿　＼　信号　列车　－　两塞区同４　目塞区问３　闭塞区问２　－　闭塞区问１　图１固定闭塞区间技术　

但有些闭塞区间的后继或前驱闭塞区间并不唯一，　比如地铁西直门站就是三个地铁站的换乘站。为了解决　这一问题，引入深度优先算法解决这一问题如下图２所　示：　图２使用深度优先算法更新信号　２．３依赖关系组合式ＭａｐＲｅｄｕｅｅ。ＭａｐＲｅｄｕｃｅ是一个　大型数据集的编程模型，一般使用场景是在大于１ＴＢ的　并行计算。为了提高系统的可扩展性以及并发性，将　使用ＭａｐＲｅｄｕｃｅ技术。算法主要思想是将每个闭塞区间　上的操作作为子任务串起来，前面的ＭａｐＲｅｄｕｃｅ任务的　输出作为后面ＭａｐＲｅｄｕｃｅ的输入，自动的完成顺序化任　务，如下：　ＭａｐＲｅｄｕｃｅ　１—　ＭａｐＲｅｄｕｃｅ　２—…・—　ＭａｐＲｅｄｕｃｅ　ｎ　’　在追踪仿真系统中单个ＭａｐＲｅｄｕｃｅ的配置代码是　相同的，使用ｗａｉｔＦｏｒＣｏｍｐｌｅｔｉｏｎ（ｔｒｕｅ）就可以保证每个　ＭａｐＲｅｄｕｃｅ完成后才进行下一个任务。　三、仿真系统设计　３．１仿真系统软件体系结构设计。接下来进行系统　的软件体系结构设计，软件体系结构具有十分重要的意　义ｆ５】。系统采用了典型的Ｈａｄｏｏｐ分布式系统框架，可以　分为Ｈａｄｏｏｐ　Ｊ］［￣务器端、以及ＰＣ和移动设备客户端如下　图４所示。　３．２轨道交通仿真模型的运行流程设计。这部分是整　个系统的核心，通过用户初始化的参数，系统开始仿真，　而其他模块都通过调用本部分的接口，得到仿真结果。　仿真模型按照以下步骤运行：１）首先通过初始化，　将整个地铁网络存储在系统中。２）］ＪＨ载时刻表上应该在　当前时间出发的列车，并给相应列车创建行驶路径。　再根据上文提到过的行车模型运行。３）当系统运行完所　有列车后，再根据上文提到的信号更新算法，更新模型　中所有闭塞区间的信号。４）当系统遍历完所有闭塞区间　后。继续按照时间表运行系统，运行顺序步骤２、３、　４。当前时间超过仿真时间后，仿真模型会自动终止仿　真。　四、仿真结果分析　仿真系统的实验环境：３台ＨａｄｏｏｐＨ￣务器集群　ＡＣＡＤＥＭＩＣ　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　学术研究　苎　入　Ｊｆ——～～　　№鬲疆　圃　｛　ｌＩＤＦｓ和Ｍｌｐ　ｄｌｌｃｅ接口　ｌ　｝ｌ　ｌ　ｌ　Ｉ　ｌ兰Ｔ竺　ｗｅｂ墨秀嚣　皿口　■■　誊／　＼　　豳　／曼　图４轨道交通追踪仿真系统架构设计　上面安装Ｗｉｎｄｏｗ７操作系统、一台ｗｅｂ１］￣务器上面安　装Ｔｏｍｃａｔ应用服务器环境。ＰＣ客户端一台、Ａｎｄｒｏｉｄ　ｐｈｏｎｅ客户端一部。　改变仿真步长，来验证仿真系统的正确性。试验中　按照以下参数对系统进行配置：　表３系统初始参数　初始参数　仿真步　系统仿　仿真丌始　列车长度　长　真时问　时问　取值　１；２；４　８　２小时　０９：２３：ｌ１　２０ｏ　ｅｅｌ１　按照以上初始参数的配置，当改变仿真步长时，可　以得到系统的仿真结果如下：　表４系统初始参数　Ｉ时问　ｔ＝ｌ　ｔ－－２　ｔ＝４　ｔ＝８　期待　值　Ｏ　１２２．６５　ｌ２２　６５　１２２　６５　１２２　６５　１２２　１６　１２２　６５　ｌ２２　６５　１２２．６５　１２２．６５　１２２　３２　１２２　６５　１２２　６５　１２２　６５　ｌ２２．６５　１２２　…　１３９２　１１８６　３　ｌ１８６３　ｌ１８６　３　１１８６　３　１３４０　根据以上数据可以得到以下的实验效果图５：　信息系统工程ｌ　２０１３．７．２０　１　３９