鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型原理與應(yīng)用＊

鄒少凡，陳根龍，蕭以蘇，沈雨辰，王善釗

（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 經(jīng)貿(mào)學(xué)院，江蘇 南京 210031；2.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通實(shí)訓(xùn)中心，江蘇 南京 210031）

鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型原理與應(yīng)用＊

鄒少凡1，陳根龍1，蕭以蘇2，沈雨辰1，王善釗1

（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 經(jīng)貿(mào)學(xué)院，江蘇 南京 210031；2.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通實(shí)訓(xùn)中心，江蘇 南京 210031）

鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型大多使用電力驅(qū)動(dòng)，采用機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組的蝸桿自鎖實(shí)現(xiàn)制動(dòng)?？刂品绞娇煞譃閿?shù)碼控制和模擬控制。鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)、商業(yè)應(yīng)用、個(gè)人娛樂(lè)。對(duì)鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型沙盤(pán)的建設(shè)方案進(jìn)行比較，結(jié)果表明手動(dòng)控制最容易上手但容易出錯(cuò)，適合鐵路愛(ài)好者個(gè)人娛樂(lè)或由教師引導(dǎo)，學(xué)生為主體的教學(xué)活動(dòng)。數(shù)碼半自動(dòng)綜合性最好，適合一般的鐵路教學(xué)任務(wù)。數(shù)碼自動(dòng)控制演示效果好，但是成本高、易損壞，適合無(wú)人值守的環(huán)境。

鐵路；動(dòng)態(tài)仿真模型；沙盤(pán)；控制方式

鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型是將真實(shí)的鐵路線路、機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)車(chē)組及信號(hào)、供電、站舍等其他鐵路設(shè)備按照一定比例縮小，采用塑料或者金屬制作，通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)模型列車(chē)運(yùn)行，通過(guò)人工或自動(dòng)控制道岔、機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組運(yùn)行。鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型沙盤(pán)既能夠靜態(tài)展示鐵路線路、機(jī)車(chē)車(chē)輛和動(dòng)車(chē)組的外觀、構(gòu)造，又能按照真實(shí)鐵路運(yùn)營(yíng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行組合，直觀、生動(dòng)、形象地展示鐵路運(yùn)輸?shù)恼鎸?shí)狀況。鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型沙盤(pán)作為沙盤(pán)中一大分支，起源于國(guó)外，僅僅作為鐵路愛(ài)好者的玩具。隨著鐵路規(guī)模的擴(kuò)大和技術(shù)的發(fā)展，鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型沙盤(pán)融入了豐富的現(xiàn)代電子、信號(hào)、機(jī)械等技術(shù)，逐漸向聲、光、電集成的多媒體電子沙盤(pán)方向發(fā)展。在中國(guó)，各鐵路局及相關(guān)鐵路專(zhuān)業(yè)高等學(xué)校，為了鐵路的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理等諸多方面，紛紛設(shè)計(jì)、購(gòu)置了鐵路沙盤(pán)，取得良好的效果。

1 鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型原理和控制方式

1.1 鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型的原理

鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型體積較小，同時(shí)出于安全考慮，不便安裝除小功率電源、電動(dòng)機(jī)、集成電路板以外的設(shè)備，所以無(wú)論是蒸汽機(jī)車(chē)，還是內(nèi)燃機(jī)車(chē)及電力機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組，均采用電力驅(qū)動(dòng)，電壓低于36 V的人體安全電壓，單臺(tái)機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組模型功率不超過(guò)10 W。常見(jiàn)的鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型按比例可分為1∶43、1∶87、1∶160三種。1∶43模型體積較大，可內(nèi)置蓄電池，也可外接電源供電；而其他2種模型體積較小，無(wú)法安裝電源，只能外接電源。模型機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組若使用外接電源，絕大多數(shù)采取模型軌道供電的方式。模型軌道采用導(dǎo)電金屬制作，一側(cè)為正極，另一側(cè)為負(fù)極，機(jī)車(chē)則通過(guò)金屬車(chē)輪獲得電力，而車(chē)軸為絕緣材料。此外，道岔心軌處則采用絕緣材料，以防短路。因此，需采用多個(gè)車(chē)軸或轉(zhuǎn)向架取電，以避免模型機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組通過(guò)道岔時(shí)無(wú)法受電而失去動(dòng)力。對(duì)于電力機(jī)車(chē)或電力動(dòng)車(chē)組，可使用模型接觸網(wǎng)供電，但是其可靠性不如軌道供電。模型車(chē)無(wú)法像真實(shí)列車(chē)那樣安裝氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，且模型車(chē)大多為塑料材質(zhì)，相比真車(chē)質(zhì)量大大減輕，因此模型車(chē)?yán)媚Ｐ蜋C(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組動(dòng)車(chē)蝸桿傳動(dòng)的自鎖性來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

1.2 鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型的控制方式

1.2.1 按模型車(chē)控制類(lèi)型來(lái)劃分

按模型車(chē)控制類(lèi)型來(lái)劃分，控制方式可分為模擬控制和數(shù)碼控制。

1.2.1.1 模擬控制（DC，Direct Current）

模擬控制原理很簡(jiǎn)單，就是調(diào)整模型軌道的輸出電壓，使得機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組的牽引電機(jī)輸出功率發(fā)生變化，以達(dá)到加減速的效果。模擬控制歷史悠久，價(jià)格便宜，但是伴隨機(jī)車(chē)數(shù)量的增加，問(wèn)題隨之而來(lái)，那就是如果軌道上有2臺(tái)或者多臺(tái)機(jī)車(chē)，一旦送電，所有的機(jī)車(chē)都會(huì)行駛，而且不同機(jī)車(chē)存在速度差，很容易造成模型列車(chē)追尾，同時(shí)會(huì)讓辦理客貨運(yùn)、模擬控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)。另外，模擬控制電壓電流穩(wěn)定性差，容易給模型車(chē)的電氣系統(tǒng)帶來(lái)?yè)p害。

為了解決上述問(wèn)題，數(shù)碼控制就誕生了。

1.2.1.2 數(shù)碼控制（DCC，Digital Command Control）

數(shù)碼控制的原理是，給模型軌道輸出恒定的電壓，以保證模型車(chē)順利運(yùn)行，再通過(guò)數(shù)碼控制器向欲控制的車(chē)下達(dá)命令信號(hào)并加載在軌道上，擺放在軌道上的機(jī)車(chē)內(nèi)數(shù)碼芯片通過(guò)車(chē)輪接收電信號(hào)，從而動(dòng)作。也就是說(shuō)，對(duì)于數(shù)碼控制的沙盤(pán)，軌道同時(shí)存在驅(qū)動(dòng)模型車(chē)運(yùn)行的牽引電流和指揮模型車(chē)運(yùn)行的信號(hào)電流。數(shù)碼芯片又分為普通數(shù)碼芯片和數(shù)碼音效芯片。

1.2.2 按沙盤(pán)整體控制類(lèi)型來(lái)劃分

按沙盤(pán)整體控制類(lèi)型來(lái)劃分，控制方式可分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。

1.2.2.1 手動(dòng)控制

手動(dòng)控制的沙盤(pán)是操作者通過(guò)控制器自由控制模型列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，摳動(dòng)模型道岔手柄開(kāi)關(guān)扳動(dòng)。手動(dòng)控制靈活性較高，可因材施教，針對(duì)性較強(qiáng)，但是對(duì)操作者的要求較高，操作者需要熟練、全面掌握鐵路系統(tǒng)的知識(shí)。同時(shí)，由于手動(dòng)控制沙盤(pán)與真實(shí)鐵路有所區(qū)別，當(dāng)手動(dòng)控制出現(xiàn)意外時(shí)，要能將模型自主還原。

1.2.2.2 自動(dòng)控制

自動(dòng)控制的沙盤(pán)由計(jì)算機(jī)程序按照順序?qū)δＰ土熊?chē)和道岔進(jìn)行控制，整個(gè)過(guò)程可無(wú)人值守，自動(dòng)循環(huán)，安全有序地進(jìn)行，但是購(gòu)買(mǎi)自動(dòng)控制系統(tǒng)的成本高，適用于參觀者人數(shù)較多且來(lái)源復(fù)雜的情況。

2 鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 高等院校和鐵路企業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)

鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型沙盤(pán)能全面、直觀地動(dòng)態(tài)模擬營(yíng)業(yè)鐵路中列車(chē)運(yùn)行過(guò)程和狀態(tài)，以及鐵路各個(gè)工種之間的關(guān)系，使得培訓(xùn)者足不出戶(hù)就能全面、細(xì)致地了解鐵路的各個(gè)方面。目前，很多鐵路院校和一些鐵路企業(yè)培訓(xùn)基地，研制、建設(shè)鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型沙盤(pán)，用于鐵路調(diào)度、行車(chē)、信號(hào)等工種的培訓(xùn)任務(wù)[1-2]。例如，鄭州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院的鐵路文化協(xié)會(huì)利用鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型沙盤(pán)，讓學(xué)生了解了鐵路上不同的編組，模擬了現(xiàn)實(shí)的行車(chē)狀況；北京交通大學(xué)運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)中心[3]和福建鐵路機(jī)電學(xué)校[4]分別制作了京津城際線和杭深線福州—廈門(mén)段的動(dòng)態(tài)仿真模型沙盤(pán)，用于模擬鐵路線路各種運(yùn)營(yíng)與調(diào)度功能。兗州煤業(yè)股份有限公司鐵路運(yùn)輸處也建設(shè)了自己礦區(qū)鐵路的動(dòng)態(tài)仿真模型沙盤(pán)，用于車(chē)務(wù)、電務(wù)、機(jī)務(wù)等工種的培訓(xùn)任務(wù)[5]。

2.2 鐵路愛(ài)好者休閑娛樂(lè)

很多鐵路愛(ài)好者自行購(gòu)買(mǎi)鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型，在自家搭建模型沙盤(pán)。三五好友聚在一起，拿出各自收藏的模型車(chē)編組成完整的列車(chē)，模擬鐵路運(yùn)營(yíng)。一般情況下，鐵路愛(ài)好者更愿意購(gòu)買(mǎi)、收藏編組客車(chē)，這是因?yàn)榭蛙?chē)涂裝鮮艷，編組豐富且對(duì)于大眾而言，客車(chē)是鐵路接觸較多的場(chǎng)所之一。

Bruce Williams Zaccagnino和妻子在美國(guó)新澤西州弗萊明頓花了44年建造了世界上最大的鐵路模型博物館，占地10 667 m2（16畝），100多輛火車(chē)、400座橋、3 000棟樓、50 000棵樹(shù)及50 000條街道，模型軌道長(zhǎng)度達(dá)到12.8 km，被吉尼斯世界紀(jì)錄認(rèn)定為“世界最大規(guī)模的鐵道模型”。國(guó)內(nèi)也有不少地區(qū)性鐵路模型愛(ài)好者組織經(jīng)常安排鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型沙盤(pán)運(yùn)行。

2.3 餐廳、酒吧招攬顧客

現(xiàn)在許多餐廳、酒吧以及其他休閑娛樂(lè)場(chǎng)所使用鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型吸引顧客，提高收入。有的餐廳使用鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型，當(dāng)作傳送帶運(yùn)送食品飲料，更多的則是搭建場(chǎng)景，讓模型列車(chē)環(huán)狀運(yùn)行，以延長(zhǎng)顧客尤其是未成年顧客在店鋪的逗留時(shí)間，吸引其消費(fèi)。日本東京中央?yún)^(qū)銀座的銀座全景酒吧，吧臺(tái)內(nèi)嵌小型鐵軌，愛(ài)好者可一邊看火車(chē)模型蜿蜒行駛，一邊暢飲啤酒、紅酒等飲品。店內(nèi)巨大的玻璃展示柜里還陳列著700多個(gè)待售的火車(chē)模型。齊齊哈爾一家自助餐廳使用鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型沙盤(pán)運(yùn)送食品。

2.4 鐵路博物館展示

目前，國(guó)外一些鐵路博物館搭建鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型沙盤(pán)，向觀眾展示鐵路運(yùn)行，并嘗試還原自己國(guó)家鐵路的真實(shí)背景，以達(dá)到宣傳鐵路文化的目的。

美國(guó)加利福尼亞州圣地亞哥鐵路模型博物館是世界上最大的室內(nèi)鐵路模型博物館，從1935年至今的鐵路模型位于其中，讓游客可以一目了然地了解鐵路的發(fā)展史和鐵路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，加深對(duì)鐵路的了解。博物館從1982年對(duì)外開(kāi)放以來(lái)，已有超過(guò)300萬(wàn)游客參觀。

3 鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型建設(shè)方案比較

目前，市面上鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型沙盤(pán)建設(shè)方案有手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制和自動(dòng)控制3種。

手動(dòng)控制：使用模擬或簡(jiǎn)易的數(shù)碼控制器人工控制列車(chē)的前進(jìn)、后退，排列進(jìn)路則采用手工扳動(dòng)模型道岔的形式。

半自動(dòng)控制：將專(zhuān)門(mén)的數(shù)碼控制器與計(jì)算機(jī)連接，由操作者在計(jì)算機(jī)模擬的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖或者其他控制界面排列進(jìn)路，而模型列車(chē)則可以自動(dòng)運(yùn)行，也可以由其他操作者控制。

自動(dòng)控制：由計(jì)算機(jī)連接專(zhuān)門(mén)的數(shù)碼控制器，由管理者事先將模型沙盤(pán)運(yùn)行圖輸入到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制沙盤(pán)上所有的模型列車(chē)和道岔，做到無(wú)人控制，無(wú)人值守運(yùn)行。3種控制方式的對(duì)比情況如表1所示。

綜上所述，手動(dòng)控制是最容易上手也是性?xún)r(jià)比最高的，但是人工手動(dòng)控制出錯(cuò)率高，適合鐵路愛(ài)好者個(gè)人娛樂(lè)或由教師引導(dǎo)，學(xué)生為主體的教學(xué)活動(dòng)。數(shù)碼半自動(dòng)綜合性最好，可以根據(jù)喜好進(jìn)行手動(dòng)操作和自動(dòng)操作，適合一般的鐵路教學(xué)任務(wù)。數(shù)碼自動(dòng)控制是利用軟件對(duì)模型進(jìn)行全自動(dòng)控制，沙盤(pán)搭建難度大，且模型與真實(shí)的鐵路設(shè)備存在一定差異，導(dǎo)致?lián)p壞概率高，后期維護(hù)成本較高，適合在博物館與餐廳、酒吧等場(chǎng)所等無(wú)人值守環(huán)境下使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)在，鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型不僅是高等學(xué)院和企業(yè)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)用具，還用來(lái)休閑娛樂(lè)及博物館展示。未來(lái)，鐵路動(dòng)態(tài)仿真模型沙盤(pán)將被更好地應(yīng)用于鐵路人才的培養(yǎng)和鐵路文化傳播，從而進(jìn)一步促進(jìn)鐵路設(shè)施的建設(shè)與發(fā)展。

［1］李紹斌，蔣大明.鐵路運(yùn)輸沙盤(pán)綜合演練聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)鐵路，2005（6）：39-40.

［2］李國(guó)虎.鐵路沙盤(pán)道岔控制電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（4）：29-30.

［3］周妍，周磊山.高速鐵路行車(chē)調(diào)度指揮一體化仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2012，34（6）：1-5.

［4］李錦.CTC鐵道運(yùn)輸教學(xué)沙盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.福建廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（4）：80-83.

［5］李靜，徐先榮.模擬沙盤(pán)系統(tǒng)在礦區(qū)鐵路的培訓(xùn)應(yīng)用［J］.中小企業(yè)管理與科技，2015（12）：282.

U292.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.02.040

2095－6835（2018）02－0040－03

＊［基金來(lái)源］2017年南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目

陳根龍（1963—），男，講師。

劉曉芳〕