高速鐵路列控中心仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建研究

楊克儉

摘要：列控中心設(shè)備（TCC）是高速鐵路列控系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，構(gòu)建列控中心仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可以豐富電務(wù)培訓(xùn)手段并提高培訓(xùn)效果。本文從列控中心相關(guān)技術(shù)規(guī)范出發(fā)，提出培訓(xùn)需求，根據(jù)培訓(xùn)需求提出了仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)并制定了建設(shè)方案，并最終采用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)模式思想完成了培訓(xùn)系統(tǒng)的搭建。該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，可以適應(yīng)系統(tǒng)試用和正常應(yīng)用后各種需求的改變和增加，提高了系統(tǒng)的靈活性。

關(guān)鍵詞：列控中心（TCC） 仿真培訓(xùn)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)模式

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）12-0004-02

目前，除京津城際鐵路外，我國(guó)高速鐵路幾乎全部采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CTCS-3級(jí)或者CTCS-2級(jí)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：列控系統(tǒng)）。隨著高鐵建設(shè)里程的逐漸延伸，包括車(chē)載ATP設(shè)備和列控中心TCC設(shè)備等在內(nèi)的各種列控設(shè)備在各個(gè)路局的使用量在不斷增多，這就要求更多的高鐵電務(wù)維護(hù)人員能夠維修和維護(hù)這些設(shè)備，并能夠分析和解決日常遇到的各種故障情況。但目前高鐵培訓(xùn)大多數(shù)以書(shū)面講授或者簡(jiǎn)單的操作維護(hù)為主，培訓(xùn)效果不是很好，電務(wù)人員碰到一些緊急情況時(shí)，由于缺乏對(duì)設(shè)備原理的深入理解，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置有時(shí)無(wú)法到位。因此，本文研究并完成了高速鐵路列控中心仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的搭建，通過(guò)該系統(tǒng)能夠提高電務(wù)人員實(shí)際動(dòng)手操作的能力，大大提升培訓(xùn)效果。

1 列控中心培訓(xùn)需求

列控中心設(shè)備是高速鐵路CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)、CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)以及CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)后備系統(tǒng)的一種關(guān)鍵設(shè)備。列控中心一方面通過(guò)直接控制地面軌道電路設(shè)備和有源應(yīng)答器設(shè)備實(shí)時(shí)向列車(chē)發(fā)送行車(chē)許可相關(guān)信息，從而實(shí)現(xiàn)列車(chē)在車(chē)站和區(qū)間的安全運(yùn)行；另外一方面，列控中心通過(guò)聯(lián)鎖設(shè)備將車(chē)站和區(qū)間的軌道電路狀態(tài)信息實(shí)時(shí)發(fā)送給無(wú)線閉塞中心（RBC）設(shè)備，然后再由無(wú)線閉塞中心設(shè)備通過(guò)GSM-R網(wǎng)絡(luò)將行車(chē)許可信息發(fā)送給車(chē)載設(shè)備。

列控中心與外部設(shè)備接口總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過(guò)對(duì)列控中心技術(shù)規(guī)范、列控中心相關(guān)接口規(guī)范以及高速鐵路崗位培訓(xùn)教材的梳理，提出列控中心設(shè)備如下幾方面需要培訓(xùn)的內(nèi)容：

（1）列控中心外部接口連接關(guān)系以及接口協(xié)議；

（2）區(qū)間和車(chē)站臨時(shí)限速的設(shè)置原理；

（3）有源應(yīng)答器正常和故障情況下發(fā)送報(bào)文控制原則；

（4）ZPW-2000軌道電路編發(fā)碼控制原理；

（5）區(qū)間運(yùn)行方向控制及閉塞原理；

（6）區(qū)間軌道電路正常及故障情況下?tīng)顟B(tài)邏輯判斷原理；

（7）與防災(zāi)系統(tǒng)接口功能實(shí)現(xiàn)原理。

2 列控中心仿真培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)方案

為了能夠更好的實(shí)現(xiàn)列控中心培訓(xùn)需求和增加學(xué)員的動(dòng)手操作機(jī)會(huì)，在構(gòu)建列控中心仿真培訓(xùn)系統(tǒng)過(guò)程中提出以下幾方面的目標(biāo)：

（1）列控中心的培訓(xùn)應(yīng)將列控中心設(shè)備置于列控整體系統(tǒng)中進(jìn)行培訓(xùn)，不能單獨(dú)進(jìn)行說(shuō)教式的培訓(xùn)；

（2）在列控中心仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中，培訓(xùn)人員應(yīng)能模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行各種操作，通過(guò)各種操作學(xué)習(xí)列控中心相關(guān)原理。這些操作主要包括聯(lián)鎖進(jìn)路的辦理、司機(jī)駕駛的模擬（包括DMI設(shè)備的操作和動(dòng)車(chē)組各種手柄的操作等）；

（3）列控中心的培訓(xùn)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)可視化和形象化，通過(guò)多媒體手段豐富培訓(xùn)效果；

（4）仿真培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)能支持模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)方式進(jìn)行培訓(xùn)；

（5）仿真培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)具備正常運(yùn)行條件的設(shè)置和故障注入功能，模擬真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的一些故障情況，包括軌道電路各種工況下的意外占用、有源應(yīng)答器不同位置斷線故障等。

針對(duì)上述提出的五點(diǎn)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，結(jié)合列控中心設(shè)備正常運(yùn)行所需的各種外部環(huán)境，特提出如下設(shè)計(jì)方案：

圖2所示列控中心仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為司機(jī)駕駛仿真部分、操控終端部分以及培訓(xùn)動(dòng)畫(huà)展示界面部分；每一部分的主要功能為：

（1）司機(jī)駕駛仿真部分：主要功能是通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)司機(jī)在真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的各種操作功能，包括DMI操作和動(dòng)車(chē)組各種開(kāi)關(guān)按鈕的操作。通過(guò)動(dòng)車(chē)組的各種開(kāi)關(guān)按鈕實(shí)現(xiàn)列車(chē)的牽引和制動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)的操控；仿真DMI能夠模擬真實(shí)車(chē)載設(shè)備的運(yùn)行情況，通過(guò)DMI的操作和顯示，讓培訓(xùn)人員了解列控中心在各種工況下對(duì)列控車(chē)載設(shè)備運(yùn)行的影響，從而更好的掌握列控中心的功能。

（2）操控終端部分：該部分的主要功能是實(shí)現(xiàn)仿真聯(lián)鎖的功能和故障注入的功能。其中仿真聯(lián)鎖功能主要是實(shí)現(xiàn)各種聯(lián)鎖進(jìn)路的辦理，通過(guò)聯(lián)鎖進(jìn)路的辦理讓學(xué)員直觀的了解各種進(jìn)路下列控中心發(fā)碼原理，以及聯(lián)鎖故障情況下對(duì)列控中心的影響等等；故障注入功能則主要模擬各種現(xiàn)場(chǎng)故障，包括軌道電路意外占用、模擬有源應(yīng)答器不同位置線纜的斷線故障、防災(zāi)系統(tǒng)的接口故障模擬等，通過(guò)這些故障的設(shè)置造成列控中心設(shè)備故障，從而提高學(xué)員對(duì)列控中心設(shè)備各種故障應(yīng)急處置的學(xué)習(xí)效果。

（3）培訓(xùn)動(dòng)畫(huà)展示界面部分：該部分的主要功能是實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)過(guò)程的可視化和形象化，通過(guò)二維的動(dòng)畫(huà)、圖形、圖表以及狀態(tài)圖標(biāo)等各種方式將培訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行直觀的展示，讓信號(hào)人員能夠輕松的掌握列控中心相關(guān)原理，從而提高培訓(xùn)效果。

3 列控中心仿真培訓(xùn)系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)

列控中心仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的需求雖然相對(duì)比較明確，但為了應(yīng)對(duì)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在試用階段和正式安裝使用后不同學(xué)員以及教師可能會(huì)提出修改意見(jiàn)或者其他新的需求（比如原理展示內(nèi)容的增加和完善、不同高鐵線路的更換、不同廠家DMI和駕駛環(huán)境的變更等等），本仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中采用了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的軟件設(shè)計(jì)模式（Design Patterns）思想，從而提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

軟件設(shè)計(jì)模式是為解決軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中多種重復(fù)出現(xiàn)的經(jīng)典問(wèn)題而提出的解決方案，是面向?qū)ο缶幊探?jīng)驗(yàn)的總結(jié)，是軟件實(shí)現(xiàn)技巧中最重要的方法和原則。軟件實(shí)現(xiàn)需要應(yīng)付不斷變化的需求，項(xiàng)目開(kāi)發(fā)需要不斷的反復(fù)修改更新，解決之道就是封閉變化。

設(shè)計(jì)模式從創(chuàng)建、結(jié)構(gòu)以及行為三方面提出了封裝變化的方案。在列控中心仿真培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，主要應(yīng)用了工廠方法模式（Factory Method）、觀察者模式（Observer）以及單件模式（Singleton）。下面對(duì)這三種設(shè)計(jì)模式的具體應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3.1 工廠方法模式

工廠方法屬于創(chuàng)建型設(shè)計(jì)模式，用于封裝對(duì)象創(chuàng)建所引起的可能變化。在列控中心仿真培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中應(yīng)用比較廣泛，主要包括以下幾方面的對(duì)象創(chuàng)建：

（1）司機(jī)駕駛仿真中的模擬駕駛臺(tái)，該模塊能夠按照不同的動(dòng)車(chē)組進(jìn)行創(chuàng)建，包括各型動(dòng)車(chē)組，比如CRH1、CRH380D、CRH380CL等等；

（2）司機(jī)駕駛仿真中的仿真DMI，能夠根據(jù)不同廠家的DMI進(jìn)行創(chuàng)建，包括300T型的DMI、300S型的DMI、200C型的DMI以及200H型的DMI；

（3）操控終端中的線路創(chuàng)建部分，能夠根據(jù)不同的高鐵線路進(jìn)行創(chuàng)建，包括武廣高鐵線路、京滬高鐵線路等。

圖3所示為工廠方法模式在仿真DMI實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的應(yīng)用。

3.2 觀察者模式

觀察者模式屬于行為型設(shè)計(jì)模式，對(duì)可能變化的行為進(jìn)行抽象，通過(guò)封裝達(dá)到整個(gè)架構(gòu)的可擴(kuò)展性。觀察者模式用來(lái)定義對(duì)象間的一種一對(duì)多的依賴(lài)關(guān)系，當(dāng)一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，所有依賴(lài)它的對(duì)象都得到通知并被自動(dòng)更新。

該模式主要用于前臺(tái)界面與后臺(tái)邏輯處理的解耦依賴(lài)。對(duì)于列控中心培訓(xùn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于界面信息豐富而且后臺(tái)邏輯處理功能龐大，因此，通過(guò)觀察者模式可以很好的將這兩者分離，從而達(dá)到可擴(kuò)展的目的。整個(gè)模式的類(lèi)圖如圖4所示。

3.3 單件模式

單件模式屬于創(chuàng)建型設(shè)計(jì)模式，它是將創(chuàng)建單件對(duì)象的實(shí)現(xiàn)邏輯封裝起來(lái)。它能夠保證一個(gè)類(lèi)僅有一個(gè)實(shí)例。單件模式將那些可能重復(fù)的實(shí)現(xiàn)邏輯封裝為方法為單獨(dú)的類(lèi)。

對(duì)于列控中心原理展示部分來(lái)說(shuō)，該模塊在整個(gè)培訓(xùn)系統(tǒng)中是惟一存在的，無(wú)論其他模塊如何變化和改變，該模塊中的展示方式為固定的。因此，該模塊應(yīng)具有惟一性。無(wú)論誰(shuí)要更新該部分內(nèi)容，都調(diào)用惟一的類(lèi)進(jìn)行改變。該類(lèi)根據(jù)內(nèi)容的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行逐一顯示。

單件模式的實(shí)現(xiàn)類(lèi)如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從列控中心相關(guān)技術(shù)規(guī)范出發(fā)，提出培訓(xùn)需求，根據(jù)培訓(xùn)需求提出了仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)并制定了建設(shè)方案，并最終采用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)模式思想完成了培訓(xùn)系統(tǒng)的搭建。使用設(shè)計(jì)模式改善了軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，讓軟件能夠經(jīng)受需求不斷變化的考驗(yàn)。同時(shí)，列控中心仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的搭建豐富了電務(wù)人員培訓(xùn)手段，提高了培訓(xùn)效果，為我國(guó)高速鐵路的可持續(xù)發(fā)展提供必要的支撐。

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