鐵路區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張英貴 張?jiān)汽? 趙敬澤

摘 要：鐵路車站聯(lián)鎖是中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院交通運(yùn)輸專業(yè)核心課程《鐵路通信與信號(hào)》的重要講授內(nèi)容，鐵路區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖是鐵路車站聯(lián)鎖系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)分析鐵路區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的功能需求，構(gòu)建一套基于教學(xué)沙盤、教學(xué)控制機(jī)、實(shí)訓(xùn)機(jī)和服務(wù)器的教學(xué)系統(tǒng)硬件架構(gòu)，設(shè)計(jì)出一套完整的軟件系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)車站聯(lián)鎖系統(tǒng)各項(xiàng)功能，輔助日常教學(xué)工作，滿足交通運(yùn)輸專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)需要，改進(jìn)現(xiàn)有的課堂集中講授或師傅傳幫帶的傳統(tǒng)方式，使學(xué)生通過(guò)模擬實(shí)踐演練快速掌握專業(yè)知識(shí)與技能，提高教學(xué)質(zhì)量和實(shí)際教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖；鐵路車站；試驗(yàn)教學(xué)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Interlocking in railway station is an important teaching content of railway commucation and singal， which is one of the core courses in the major of traffic and transportation. Railway regional computer interlocking is the developmentoriten of railway station interlocking system. Through analyzing function needs of railway regional computer interlocking experimentation teaching system， hardware framework of such teaching system， based on teaching sand-table， control machine， training machine and server， is constructed. Also， a software system is designed to imitale various functions of railway station interlocking system to help daily teaching work. Through improvement existing traddition teaching in class and master-apprentice relationship， such system can meet the practice teaching needs in the major of traffic and transportation， which can make students understand special knowledge and technique ability effectively and quickly to enhance teaching quality and efficiency.

Key words： regional computer interlocking； railway station； experimentation teaching； system design

鐵路信號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)[1]，車站聯(lián)鎖是其重要組成部分；區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化的信號(hào)控制系統(tǒng)，隨著計(jì)算機(jī)、通信及遠(yuǎn)程控制技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)已成為世界鐵路車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的發(fā)展方向[2]。車站聯(lián)鎖直接關(guān)系著鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩a(chǎn)，這就要求交通運(yùn)輸專業(yè)軌道交通方向的學(xué)生必須熟練掌握鐵路車站聯(lián)鎖的相關(guān)專業(yè)知識(shí)與技能。因此，結(jié)合鐵路車站聯(lián)鎖的發(fā)展趨勢(shì)，研制出鐵路區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，用來(lái)輔助《鐵路通信與信號(hào)》課程的日常教學(xué)工作，滿足交通運(yùn)輸專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)需要，改進(jìn)現(xiàn)有的課堂集中講授或師傅傳幫帶的傳統(tǒng)方式，使學(xué)生通過(guò)模擬演練熟練掌握專業(yè)知識(shí)與技能，提高大中?？圃盒＝虒W(xué)質(zhì)量與效果，加速培養(yǎng)業(yè)務(wù)骨干。

1 鐵路區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)功能需求

鐵路區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)適用于從事或即將從事鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)工作的學(xué)生或其它相關(guān)人員的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)范疇。其核心功能：模擬鐵路車站聯(lián)鎖系統(tǒng)的正常狀態(tài)、緊急狀態(tài)、事故狀態(tài)和恢復(fù)狀態(tài)，使學(xué)生能夠在與實(shí)際車站聯(lián)鎖近似的環(huán)境中進(jìn)行正常操作、事故處理及系統(tǒng)恢復(fù)的訓(xùn)練，掌握相關(guān)專業(yè)知識(shí)與技能；同時(shí)，鐵路區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)還應(yīng)具備完成師生在線交流功能，解決普通教學(xué)中難以解決的問(wèn)題。

考慮實(shí)踐教學(xué)和鐵路現(xiàn)場(chǎng)工作的需求，選取兩個(gè)鐵路車站（即一個(gè)中間站、一個(gè)二級(jí)四場(chǎng)的編組站）及兩區(qū)間共用一套區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)為背景，研制出鐵路區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)系試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)需滿足以下幾個(gè)要求：（1）體現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分層和功能分塊理念，硬件設(shè)計(jì)上最大限度地復(fù)示真實(shí)鐵路聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。（2）在人機(jī)界面設(shè)計(jì)層面上真實(shí)再現(xiàn)鐵路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作的操作平臺(tái)環(huán)境，加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。（3）聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算必須符合區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的特點(diǎn)和規(guī)則：在中心站聯(lián)鎖操作仿真控制臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)中間站、編組站（到達(dá)場(chǎng)、上下行出發(fā)場(chǎng)）站場(chǎng)信號(hào)設(shè)備的控制，符合實(shí)時(shí)性要求。（4）具備鐵路現(xiàn)場(chǎng)各種日常操作處理和故障狀態(tài)顯示處理功能，即教學(xué)控制機(jī)上具有日常工作任務(wù)設(shè)置、軟故障數(shù)據(jù)生成、行車模擬及操作記錄、回放及反饋等功能。（5）硬件與軟件配置遵循開(kāi)放性原則，滿足鐵路現(xiàn)場(chǎng)各種接口需求；預(yù)留新功能模塊接口，以保證系統(tǒng)的可持續(xù)性改進(jìn)能力和可擴(kuò)展性。

2 鐵路區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)包括三個(gè)層級(jí)，即決策層、協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層。決策層主要實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)行計(jì)劃、調(diào)車作業(yè)計(jì)劃、應(yīng)急預(yù)案管理等方面的內(nèi)容；協(xié)調(diào)層主要實(shí)現(xiàn)列車和調(diào)車作業(yè)的分散自律控制、沖突緩解協(xié)調(diào)處理等；執(zhí)行層是指區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)和調(diào)車運(yùn)行控制系統(tǒng)，將經(jīng)由協(xié)調(diào)層解析的決策層計(jì)劃傳達(dá)給鐵路現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備如道岔、軌道電路、閉塞設(shè)備、列車等，辦理相關(guān)的行車和調(diào)車作業(yè)。本試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的硬件主要有一套實(shí)物教學(xué)沙盤系統(tǒng)、教學(xué)控制機(jī)、實(shí)訓(xùn)機(jī)、服務(wù)器、I/O接口設(shè)備、大屏幕顯示器等構(gòu)成，其硬件架構(gòu)示意圖如圖1所示：

（1）教學(xué)沙盤。在指實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬建立鐵路區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖試驗(yàn)運(yùn)行的實(shí)物模型，通過(guò)相關(guān)軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制，以直觀地展示各項(xiàng)設(shè)備作業(yè)過(guò)程，可滿足學(xué)生扮演不同角度如車站值班員、信號(hào)員、調(diào)度員、調(diào)車長(zhǎng)等的認(rèn)知學(xué)習(xí)和綜合演練要求。該教學(xué)沙盤以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物按1∶45的比例微縮而成，線路采用底寬5mm、上寬3mm、高7mm的模型用銅質(zhì)特質(zhì)軌、特質(zhì)的軌道基板、軌道墊板和軌道固定件等組成；軌道電路采用DC5V供電，同時(shí)作為電力機(jī)車回路（DC12V）；信號(hào)機(jī)采用發(fā)光二極管組成，外形與顯示內(nèi)容同實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)；轉(zhuǎn)轍機(jī)采用5V驅(qū)動(dòng)，與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)表示相符，可進(jìn)行定位和反位操作；絕緣節(jié)與實(shí)物相似，采用酚醛板制作，直接反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。沙盤模擬的是一個(gè)五股道中間站和一個(gè)二級(jí)四場(chǎng)編組站及四顯示自動(dòng)閉塞區(qū)間，鐵路區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)沙盤布置如圖2所示：

（2）教學(xué)控制機(jī)。由兩臺(tái)控制終端組成，即可獨(dú)立運(yùn)行，也可以按主備方式運(yùn)行。主要用于列車運(yùn)行計(jì)劃和調(diào)車作業(yè)計(jì)劃的制定、教學(xué)及考試內(nèi)容的設(shè)定、系統(tǒng)維護(hù)管理、數(shù)據(jù)組織以及對(duì)實(shí)訓(xùn)機(jī)的監(jiān)管、故障設(shè)置等，由授課教師負(fù)責(zé)操作。

（3）實(shí)訓(xùn)機(jī)。由多臺(tái)微機(jī)組成，用于區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的控制臺(tái)、車務(wù)終端、電務(wù)終端、應(yīng)急盤等的模擬試驗(yàn)，也可用于專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)踐考核。學(xué)生經(jīng)由身份登錄確定其學(xué)習(xí)范圍及內(nèi)容，各實(shí)訓(xùn)機(jī)可分組協(xié)調(diào)運(yùn)行，即可獨(dú)立運(yùn)行，可以按主備方式運(yùn)行。

（4）應(yīng)用服務(wù)器。區(qū)域聯(lián)鎖特征在于使用一套聯(lián)鎖系統(tǒng)完成對(duì)不同地理位置的多個(gè)車站的聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算[3]，由應(yīng)用服務(wù)器擔(dān)任聯(lián)鎖功能的實(shí)現(xiàn)。該服務(wù)器提供必要的數(shù)據(jù)存取、應(yīng)用集成功能；結(jié)合實(shí)訓(xùn)機(jī)和教學(xué)控制機(jī)的用戶請(qǐng)求如進(jìn)路建立、進(jìn)路解鎖、信號(hào)操作、道岔操縱等，完成聯(lián)鎖邏輯處理、數(shù)據(jù)邏輯處理等任務(wù)；完成與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)交互，更新數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)緩沖處理和組件訪問(wèn)的并發(fā)控制，同時(shí)兼作通信服務(wù)器。

（5）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。用于存儲(chǔ)鐵路區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖試驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的鐵路車站站場(chǎng)、鐵路區(qū)間等相關(guān)數(shù)據(jù)。具體包括：信號(hào)機(jī)名稱、道岔名稱、數(shù)量、位置、軌道區(qū)段名稱及數(shù)量、進(jìn)路方向、性質(zhì)、數(shù)量等靜態(tài)數(shù)據(jù)；操作輸入信息、狀態(tài)表示信息、聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算的控制變量及中間變量、故障信息等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；教學(xué)控制機(jī)設(shè)置的臨時(shí)故障信息與試題庫(kù)等數(shù)據(jù)。

3 鐵路區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)軟件依托一種實(shí)時(shí)分布式模擬支撐平臺(tái)（DTS）來(lái)完成各自的功能，該支撐平臺(tái)為鐵路區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖試驗(yàn)教學(xué)軟件提供透明、高效運(yùn)行管理環(huán)境，確保試驗(yàn)教學(xué)的順利開(kāi)展。作為整個(gè)試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的核心，DTS在每項(xiàng)試驗(yàn)教學(xué)主機(jī)都有駐留程序，是聯(lián)系各項(xiàng)試驗(yàn)教學(xué)任務(wù)進(jìn)行交互操作的紐帶，為各種交互提供通用服務(wù)如應(yīng)用管理、聲明管理、所有權(quán)管理、時(shí)間管理、數(shù)據(jù)分布管理和應(yīng)用程序接口等；在試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，各試驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用軟件除了和其所在計(jì)算機(jī)中的DTS駐留軟件溝通外，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的交互任務(wù)均由DTS完成。本系統(tǒng)的軟件主要包括模擬仿真軟件、教學(xué)控制機(jī)系統(tǒng)和試題庫(kù)組成，其中模擬仿真軟件由區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖模擬仿真系統(tǒng)、中心控制臺(tái)模擬仿真系統(tǒng)、各車站車務(wù)終端模擬仿真系統(tǒng)、電務(wù)終端模擬仿真系統(tǒng)、各站應(yīng)急臺(tái)模擬仿真系統(tǒng)等軟件系統(tǒng)組成。

3.1 模擬仿真軟件

（1）區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖模擬仿真系統(tǒng)。完全實(shí)現(xiàn)實(shí)際區(qū)域聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和聯(lián)鎖運(yùn)算功能，主要包括中心站和進(jìn)路控制、進(jìn)路建立、進(jìn)路解鎖、站內(nèi)和站間設(shè)備狀態(tài)聯(lián)鎖仿真，通過(guò)I/O采集實(shí)物教學(xué)沙盤系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)信息并實(shí)現(xiàn)實(shí)際設(shè)備的顯示和轉(zhuǎn)換，包括點(diǎn)燈控制及監(jiān)測(cè)、道岔轉(zhuǎn)換及表示、軌道電路、機(jī)車控制、道岔電流檢測(cè)等。

（2）中心站控制臺(tái)模擬仿真系統(tǒng)。區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖在主從站之間采用集中控制，從站的工作大量轉(zhuǎn)移到主站進(jìn)行，中心站除具有本站顯示和控制外，還應(yīng)具有其他站的顯示和控制功能、控制范圍內(nèi)多站進(jìn)路指令全部在中心站上顯示。進(jìn)路指令信息包括：車次、股道、計(jì)劃到開(kāi)時(shí)間、始終端按鈕、變更按鈕、延續(xù)按鈕、進(jìn)路類型、進(jìn)路狀態(tài)、信號(hào)狀態(tài)、道岔狀態(tài)等；接收和簽收調(diào)度中心（教學(xué)控制機(jī)模擬）下發(fā)的調(diào)度命令，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給其他站車務(wù)終端；編制調(diào)車作業(yè)單，并提交給教學(xué)控制機(jī)，并由其轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用服務(wù)器。由于是多站的進(jìn)路指令，相同的車次會(huì)有多條，所以采用各站的顯示方式，可采用菜單選擇站名來(lái)切換；區(qū)域控制范圍內(nèi)的多站的車次號(hào)可在本站車務(wù)終端上編輯、修改；區(qū)域控制范圍內(nèi)多站的行車許可證可在主站車務(wù)終端上進(jìn)行編輯，并可由應(yīng)用服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給模擬司機(jī)。

（3）車站車務(wù)終端模擬仿真系統(tǒng)。鐵路車站車務(wù)終端模擬仿真系統(tǒng)的操作主要包含軌道區(qū)段、道岔、列車信號(hào)、調(diào)車信號(hào)、絕緣節(jié)、操作信息提示、各種功能按鈕等信息。

（4）電務(wù)終端模擬仿真系統(tǒng)。在中心站設(shè)置電務(wù)終端，監(jiān)視區(qū)域范圍內(nèi)所有站的信號(hào)設(shè)備狀態(tài)，查閱所有列車運(yùn)行早晚點(diǎn)信息及調(diào)車作業(yè)單等，對(duì)學(xué)生的操作命令、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)用情況、報(bào)警信息進(jìn)行記錄、分析、回放、輸出和打印，接收教學(xué)控制機(jī)設(shè)置的故障。

（5）車站應(yīng)急臺(tái)模擬仿真系統(tǒng)。結(jié)合教學(xué)控制機(jī)設(shè)置的臨時(shí)故障信息，模擬信號(hào)顯示、道岔控制與轉(zhuǎn)換等設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，完成車站列車運(yùn)行作業(yè)；用于評(píng)估學(xué)生如何在鐵路日常工作中應(yīng)對(duì)和處理一些緊急事件，降低對(duì)鐵路正常運(yùn)輸?shù)牟焕绊憽?/p>

3.2 教學(xué)控制機(jī)系統(tǒng)

教學(xué)控制機(jī)系統(tǒng)提供本系統(tǒng)的區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖試驗(yàn)教學(xué)演示、運(yùn)行、監(jiān)控學(xué)生操作和評(píng)估學(xué)生操作過(guò)程的手段，具體包括以下幾個(gè)方面：（1）試驗(yàn)教學(xué)配置。用于該試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的配置和協(xié)調(diào)管理，執(zhí)行系統(tǒng)配置管理、學(xué)生管理、系統(tǒng)運(yùn)行初始條件及各種元件的參數(shù)設(shè)置和進(jìn)程管理等。（2）試驗(yàn)教學(xué)演示。主要用于教師進(jìn)行專業(yè)理論知識(shí)的講解，通過(guò)人機(jī)交互界面，向交通運(yùn)輸專業(yè)的學(xué)生講述區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的工作原理和操作方法。（3）學(xué)習(xí)進(jìn)程控制。負(fù)責(zé)暫停學(xué)習(xí)過(guò)程、恢復(fù)學(xué)習(xí)過(guò)程、存儲(chǔ)快照、學(xué)習(xí)過(guò)程重演，根據(jù)不同要求任意設(shè)置各種故障如簡(jiǎn)單故障、復(fù)合故障以及各種設(shè)備的異常狀況等。（4）學(xué)習(xí)過(guò)程的動(dòng)態(tài)跟蹤。動(dòng)態(tài)地記錄系統(tǒng)的狀態(tài)和發(fā)生的事件，以便于學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的重演和對(duì)學(xué)習(xí)效果的評(píng)估，同時(shí)可以隨時(shí)對(duì)任意一個(gè)終端的學(xué)生操作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。（5）學(xué)習(xí)效果評(píng)估。學(xué)習(xí)結(jié)束后自動(dòng)生成評(píng)估報(bào)表，其內(nèi)容包括：由教師設(shè)置的故障事件、教師在指導(dǎo)過(guò)程中的各種操作（包括調(diào)度命令的設(shè)置與下達(dá)）、學(xué)生控制臺(tái)操作、車務(wù)終端操作與電務(wù)終端操作、學(xué)生故障查找和處理、應(yīng)急臺(tái)上應(yīng)急故障處理和應(yīng)急臺(tái)操作、故障恢復(fù)時(shí)操作及故障恢復(fù)過(guò)程中的時(shí)間等。教師根據(jù)評(píng)估報(bào)表，評(píng)估學(xué)生的實(shí)操水平。

3.3 試題庫(kù)

系統(tǒng)還提供標(biāo)準(zhǔn)試題庫(kù)，提供標(biāo)準(zhǔn)智能組卷考察學(xué)生的專業(yè)理論知識(shí)水平，并具有試卷分析反饋功能，可根據(jù)要求定制個(gè)性化的試卷指標(biāo)分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵路區(qū)域計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)不僅可以用于交通運(yùn)輸專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，還可服務(wù)于鐵路運(yùn)輸及軌道交通行業(yè)的職工上崗培訓(xùn)和業(yè)務(wù)考核；以教學(xué)沙盤模擬鐵路設(shè)備的組成和布置形態(tài)，硬件環(huán)境、軟件仿真實(shí)現(xiàn)了鐵路現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景和學(xué)生實(shí)踐教學(xué)軟件界面無(wú)縫吻合，通過(guò)本系統(tǒng)使交通運(yùn)輸專業(yè)學(xué)生更形象地理解和掌握鐵路運(yùn)營(yíng)管理和操作流程，對(duì)促進(jìn)交通運(yùn)輸行業(yè)專用型人才及其應(yīng)急處理能力的培養(yǎng)，具有積極的引導(dǎo)作用。

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