客運(yùn)專線計算機(jī)聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)的開發(fā)

穆中華 李麗蘭

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，450052，鄭州∥第一作者，副教授）

計算機(jī)聯(lián)鎖是實(shí)現(xiàn)車站“運(yùn)行指揮，安全防護(hù)”功能的控制系統(tǒng)，是我國車站信號設(shè)備的發(fā)展方向。計算機(jī)聯(lián)鎖課程是信號專業(yè)學(xué)生的必修課，理論性、實(shí)踐性都非常強(qiáng)。目前，國內(nèi)計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備生產(chǎn)廠家主要是鐵道部指定的四家，技術(shù)已較成熟，但是受產(chǎn)權(quán)限制，各廠家核心技術(shù)是保密的。若建設(shè)一個小型站場的計算機(jī)聯(lián)鎖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，價格昂貴，動輒100多萬元，作為教學(xué)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備一次性投入過大，性價比較低，也無法滿足學(xué)習(xí)動手操作的需要。另外，近幾年我國高速鐵路發(fā)展迅速，計算機(jī)聯(lián)鎖增加了很多新功能。因此，迫切需要開發(fā)計算機(jī)聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)，用仿真的方法來實(shí)現(xiàn)信號、進(jìn)路和道岔之間的聯(lián)鎖關(guān)系，以及在客運(yùn)專線中的應(yīng)用方式，以滿足教學(xué)需要。

1 現(xiàn)有計算機(jī)聯(lián)鎖仿真軟件的不足

（1）現(xiàn)有計算機(jī)仿真軟件多以功能仿真為主，未明確區(qū)分上位機(jī)和下位機(jī)，其結(jié)構(gòu)與真實(shí)聯(lián)鎖不符。

（2）現(xiàn)有計算機(jī)仿真軟件大多不帶I/O（輸入/輸出）功能，即無法采集驅(qū)動信號設(shè)備；或者帶I/O功能的仿真軟件過度依賴信號設(shè)備，無法獨(dú)立設(shè)置條件運(yùn)行。

（3）由于裝備的變化，信號設(shè)備功能劃分也有變化。如：改變運(yùn)行方向（以下簡為“改方”）功能，在既有模式中由改方電路或計算機(jī)聯(lián)鎖來完成，而在客運(yùn)專線標(biāo)準(zhǔn)中由列控中心來完成，且由計算機(jī)聯(lián)鎖來操作。

（4）計算機(jī)聯(lián)鎖存儲數(shù)據(jù)有變化。如：計算機(jī)聯(lián)鎖不但要獲取接近離去區(qū)段的狀態(tài)，還需要區(qū)間閉塞分區(qū)的狀態(tài)，用以送給RBC（無線閉塞中心）使用。

（5）由于標(biāo)準(zhǔn)的變化，計算機(jī)聯(lián)鎖的功能有所變化。如：計算機(jī)聯(lián)鎖增加了開燈/關(guān)燈模式，分別適用于列控C2和列控C3模式。

2 客運(yùn)專線聯(lián)鎖仿真軟件的開發(fā)

本計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)以武廣客運(yùn)專線技術(shù)為藍(lán)本，實(shí)現(xiàn)適用于客運(yùn)專線的聯(lián)鎖系統(tǒng)。計算機(jī)聯(lián)鎖仿真軟件采用模塊化編程，由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件構(gòu)成。

2.1 上位機(jī)軟件的開發(fā)

上位機(jī)是聯(lián)鎖與操作人員的人機(jī)接口，主要完成人機(jī)對話功能。操作人員通過上位機(jī)操作下位機(jī)。上位機(jī)一方面接收來自控制臺車站值班員的操作命令，將其轉(zhuǎn)換成約定的格式發(fā)送給聯(lián)鎖機(jī)；另一方面接收聯(lián)鎖機(jī)提供的監(jiān)控對象的各種表示信息，并轉(zhuǎn)換成顯示器能夠接收的格式。上位機(jī)軟件采用模塊化編程思想和面向?qū)ο蠹夹g(shù)，使用C＋＋Builder 6開發(fā)環(huán)境，軟件結(jié)構(gòu)清晰，功能完善。上位機(jī)軟件主要分為顯示模塊、操作模塊和通信模塊等。

2.1.1 顯示模塊

上位機(jī)軟件采用圖形化的顯示界面，其站場狀態(tài)必須與下位機(jī)保持一致，實(shí)時性要求較高。本軟件采用定時刷新方式（周期為250ms）動態(tài)更新站場狀態(tài)。雖然站場圖形不斷更新，但要求有一個穩(wěn)定的顯示畫面，為此上位機(jī)軟件采用雙緩沖技術(shù)，保證了畫面重畫時不會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。顯示模塊流程如圖1所示。

圖1 顯示模塊流程

2.1.2 操作模塊

上位機(jī)作為人機(jī)接口，完成人機(jī)交互的工作，接收操作人員指令。操作部分采用消息驅(qū)動機(jī)制，捕捉鼠標(biāo)和鍵盤消息，驅(qū)動事件處理函數(shù)。操作模塊流程如圖2所示。

圖2 操作模塊流程

2.1.3 通信模塊

通信模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā)，采用UDP通信協(xié)議。數(shù)據(jù)發(fā)送采用250ms定時發(fā)送方式；接收采用事件驅(qū)動方式，當(dāng)通信端口接收到數(shù)據(jù)后驅(qū)動數(shù)據(jù)處理函數(shù)。模塊發(fā)送和接收流程如圖3所示。

2.2 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件是聯(lián)鎖軟件的核心，主要實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖邏輯的運(yùn)算。本下位機(jī)集邏輯運(yùn)算、站場操作、狀態(tài)記錄和回放、室外仿真等于一體。軟件采用模塊化編程思想和面向?qū)ο蠹夹g(shù)，使用Visual Studio開發(fā)環(huán)境，C＋＋語言開發(fā)，結(jié)構(gòu)清晰，功能完善。

圖3 發(fā)送和接收流程

下位機(jī)軟件主要分為邏輯運(yùn)算、環(huán)境仿真、采集和驅(qū)動、顯示和操作、記錄和回放、通信等模塊。

2.2.1 邏輯運(yùn)算模塊

邏輯運(yùn)算模塊完成全站聯(lián)鎖關(guān)系的運(yùn)算，采用聯(lián)鎖表的方式進(jìn)行邏輯計算。即由聯(lián)鎖表生成配置文件，在運(yùn)算過程中按照聯(lián)鎖關(guān)系采集和驅(qū)動相應(yīng)設(shè)備，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)與聯(lián)鎖表狀態(tài)完全吻合后開放信號，進(jìn)路辦理成功。

邏輯運(yùn)算模塊流程包括辦理進(jìn)路流程和進(jìn)路檢查流程，如圖4、5所示。邏輯運(yùn)算模塊與安全息息相關(guān)，所以采用了安全編程技術(shù)，對所有變量進(jìn)行編碼；并向安全側(cè)賦初值，運(yùn)算過程中實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，保證其安全性。

圖4 辦理進(jìn)路流程

圖5 進(jìn)路檢查流程

2.2.2 環(huán)境仿真模塊

由于聯(lián)鎖軟件在執(zhí)行過程中需要采集和驅(qū)動很多開關(guān)量，而軟件在單機(jī)上運(yùn)行時不具備該條件，故在軟件中加入環(huán)境仿真模塊，以此來模擬該站繼電器的狀態(tài)，保證聯(lián)鎖軟件在任何環(huán)境下都可以運(yùn)行。

環(huán)境仿真部分采用二級緩沖技術(shù)，即將該模塊作為聯(lián)鎖軟件的二級緩沖區(qū)。聯(lián)鎖軟件采集的開關(guān)量首先存于該模塊中，再由聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算模塊讀?。宦?lián)鎖輸出的開關(guān)量首先存于該模塊中，再由該模塊驅(qū)動繼電器（如圖6所示）。

圖6 環(huán)境仿真的二級緩沖技術(shù)

采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：①在無外部設(shè)備時，該模擬作為外部設(shè)備的仿真，可以操作和改變其狀態(tài)，滿足聯(lián)鎖軟件的運(yùn)行條件，保證聯(lián)鎖軟件正常運(yùn)行；②在有外部設(shè)備時，該模塊執(zhí)行對外采集和驅(qū)動的處理，聯(lián)鎖軟件及其配置文件無需作任何變動，適應(yīng)能力強(qiáng)；③環(huán)境仿真模塊中加入設(shè)備仿真功能，可用軟件模擬設(shè)備動作過程，如在道岔動作時加入延時來模擬道岔動作過程。

環(huán)境仿真模塊流程如圖7所示。

2.2.3 采集和驅(qū)動模塊

圖7 環(huán)境仿真模塊流程

采集和驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算模塊的輸入和輸出。由于聯(lián)鎖軟件所有對外要采集和驅(qū)動的狀態(tài)均由環(huán)境仿真模塊完成，因此采集和驅(qū)動模塊只需完成與環(huán)境仿真模塊的數(shù)據(jù)交換即可。采集和驅(qū)動模塊定時（周期為250ms）對仿真環(huán)境模塊執(zhí)行采集和驅(qū)動操作，實(shí)時性較高。采集和驅(qū)動模塊流程如圖8所示。

圖8 采集和驅(qū)動流程

2.2.4 顯示和操作模塊

為更清晰地展示上位機(jī)與下位機(jī)的關(guān)系，下位機(jī)軟件除完成運(yùn)算外，還可顯示站場狀態(tài)，并可對站場進(jìn)行狀態(tài)設(shè)置、設(shè)備單操、辦理進(jìn)路等操作，完全復(fù)示上位機(jī)的顯示和操作。

站場狀態(tài)采用列表的方式進(jìn)行顯示，每個列表中對不同類型的數(shù)據(jù)以不同的底色區(qū)分，清晰明了；站場數(shù)據(jù)的顯示以周期250ms實(shí)時更新。

對站場設(shè)備的操作使用了消息驅(qū)動機(jī)制，采用鼠標(biāo)單擊、雙擊、鼠標(biāo)右鍵菜單等方式，操作簡便。

2.2.5 記錄和回放模塊

下位機(jī)軟件集維修機(jī)的功能于一體，可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的記錄和回放。狀態(tài)記錄采用增量保存的方式對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，既保證信息的完整性，又確保了存儲的數(shù)據(jù)量最小。站場上任何設(shè)備狀態(tài)的變化和任何操作事件都會被記錄和回放模塊捕捉，并記錄變化部分狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)存儲量的最小化?；胤殴δ芘c記錄過程相反：該模塊根據(jù)用戶選擇的時間，將記錄文件中該時間之前的記錄逐條計算，得出該時間的實(shí)際狀態(tài)，并由顯示和操作模塊進(jìn)行顯示。記錄和回放模塊流程如圖9所示。

圖9 記錄和回放模塊流程

2.2.6 通信模塊

通信模塊完成聯(lián)鎖軟件與上位機(jī)、CTC（分散自律調(diào)度集中）、列控中心和RBC的通信，采用UDP通信協(xié)議。數(shù)據(jù)發(fā)送采用250ms定時發(fā)送方式；數(shù)據(jù)接收采用事件驅(qū)動方式，當(dāng)通信端口接收到數(shù)據(jù)后驅(qū)動數(shù)據(jù)處理函數(shù)。發(fā)送數(shù)據(jù)流程和接收數(shù)據(jù)流程如圖10、11所示。

圖10 發(fā)送數(shù)據(jù)流程

客運(yùn)專線的聯(lián)鎖系統(tǒng)不僅要與CTC通信，還要與列控中心、RBC等列控設(shè)備通信。本聯(lián)鎖軟件預(yù)留了這部分接口，適合在任何線路上使用。

圖11 接收數(shù)據(jù)流程

3 仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能

3.1 基本聯(lián)鎖功能

（1）開放信號功能：可使用鼠標(biāo)在上位機(jī)上直接按壓始終端按鈕選擇進(jìn)路，也可使用下位機(jī)輸入進(jìn)路始終端按鈕，辦理列車進(jìn)路、調(diào)車進(jìn)路和長調(diào)車進(jìn)路，符合聯(lián)鎖條件后信號開放。信號因故關(guān)閉，但開放條件仍然滿足，可以重復(fù)開放信號。在下位機(jī)選中相應(yīng)防護(hù)信號機(jī)，點(diǎn)擊右鍵菜單中“開放引導(dǎo)信號”，可開放引導(dǎo)信號。

（2）進(jìn)路解鎖功能：進(jìn)路建立后，可使用“總?cè)∠?、“總?cè)私狻苯怄i進(jìn)路；可用下位機(jī)模擬列車正常占用、出清，進(jìn)路解鎖；軌道電路光帶保留，可使用“故障解鎖”方式解鎖進(jìn)路。

（3）道岔的單操單鎖功能：在人機(jī)界面上，使用鼠標(biāo)右鍵，選擇“總定（或總反）”，可以單扳道岔；需要對道岔進(jìn)行單獨(dú)鎖閉時，使用鼠標(biāo)右鍵，選擇“道岔區(qū)段鎖閉”即可。

（4）改變運(yùn)行方向功能：根據(jù)列車運(yùn)行情況，可采用正常改方和輔助改方兩種方法改變運(yùn)行方向。正常改方時，發(fā)車站直接辦理發(fā)車進(jìn)路即可；輔助改方時，發(fā)車站按壓“總輔助”＋“發(fā)車輔助”按鈕，接車站按壓“總輔助”＋“接車輔助”按鈕，即可改變運(yùn)行方向。

3.2 拓展功能

（1）信息自動提示功能。上位機(jī)設(shè)有信息自動提示框，當(dāng)有操作時，提示當(dāng)前操作，自動顯示上位機(jī)和下位機(jī)通信狀態(tài)，如“通信正?！被颉巴ㄐ胖袛唷薄?/p>

（2）記錄保存功能。該軟件可實(shí)現(xiàn)記錄自動保存和手動保存：系統(tǒng)在每天的00：00自動保存當(dāng)天記錄；單擊界面 “保存記錄”按鈕，當(dāng)前內(nèi)存中的記錄即可存到文件中。

（3）回放再現(xiàn)功能。該軟件可查看當(dāng)前記錄和歷史記錄。查看當(dāng)前記錄：系統(tǒng)默認(rèn)當(dāng)前記錄，即內(nèi)存中的記錄，拖動時間軸上的滑塊，在主界面各表中顯示當(dāng)前時間的記錄。查看歷史記錄：通過下拉式列表框選擇記錄文件，列表框列出當(dāng)前存在的記錄文件，選擇一個文件后，即可拖動時間軸的滑塊查看記錄。

（4）系統(tǒng)設(shè)置功能。為使軟件適用于既有線路和客專線路，可以對軟件中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括接近離去區(qū)段的個數(shù)、股道延時解鎖的時間、進(jìn)路延時解鎖的時間和聯(lián)鎖信號開燈模式等。

4 仿真系統(tǒng)的特色

4.1 上位機(jī)軟件的特色

（1）圖形化界面，清晰明了。

（2）站場圖形和配置數(shù)據(jù)采用配置文件，使該軟件具有通用性，可用于任何車站。

（3）充分利用鼠標(biāo)功能，用右鍵菜單代替部分按鈕，使操作簡便，符合日常使用習(xí)慣。

4.2 下位機(jī)軟件的特色

（1）使用文件的方式配置數(shù)據(jù)，使軟件具有通用性，通過更換配置文件，可方便地生成其他站聯(lián)鎖軟件。

（2）具備現(xiàn)場環(huán)境仿真功能，可不依賴于室外設(shè)備而獨(dú)立運(yùn)行，并可仿真室外設(shè)備。

（3）采用二級緩沖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)室外環(huán)境和仿真環(huán)境自適應(yīng)功能，無需任何更改即可自動切換。

（4）具備顯示和操作功能，上位機(jī)的所有操作和顯示在下位機(jī)上均可實(shí)現(xiàn)，可在無上位機(jī)或上位機(jī)故障的情況下繼續(xù)使用。

（5）集維修機(jī)的功能于一體，可實(shí)現(xiàn)記錄及再現(xiàn)站場狀態(tài)和操作，用一個軟件實(shí)現(xiàn)了整個聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能。

（6）具備與列控中心、RBC等列控設(shè)備通信的功能，適合在任何等級的線路上使用。

（7）按照客運(yùn)專線標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)鎖增加了開/關(guān)燈模式，在列控C3模式時聯(lián)鎖處于關(guān)燈模式，在列控C2模式時處于開燈模式。

（8）軟件開發(fā)過程中秉承故障導(dǎo)向安全的思想，結(jié)合安全編程技術(shù)，使軟件具有較高的安全性。

（9）采用消息機(jī)制和多線程技術(shù)，保證了軟件的實(shí)時性。

5 仿真軟件的應(yīng)用前景

計算機(jī)聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)采用仿真的方法實(shí)現(xiàn)信號機(jī)、進(jìn)路和道岔之間的聯(lián)鎖關(guān)系，人機(jī)界面貼近真實(shí)的聯(lián)鎖設(shè)備，可滿足鐵路院校和電務(wù)職工培訓(xùn)基地的教學(xué)需要。另外，該軟件采用二級緩沖技術(shù)，具備真實(shí)室外環(huán)境和仿真環(huán)境的自適應(yīng)能力，當(dāng)室外設(shè)備條件具備時，無需做任何更改即可直接驅(qū)動采集室外設(shè)備，建成真實(shí)的計算機(jī)聯(lián)鎖站。

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