城市軌道交通計算機聯(lián)鎖實訓系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

崔惠珊，張 路，劉亞磊，李 淼

(北京交通職業(yè)技術學院，北京 102200)

1 發(fā)展現(xiàn)狀

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是以計算機技術為核心，采用通信技術、可靠性與容錯技術以及“故障-安全”技術實現(xiàn)聯(lián)鎖關系的信號系統(tǒng)。聯(lián)鎖系統(tǒng)作為涉及地鐵行車安全的設備，直接影響整個信號系統(tǒng)的安全運營和線路通行效率。隨著我國城市軌道交通的迅速發(fā)展，對聯(lián)鎖及信號系統(tǒng)技術人才的迫切需求一直無法滿足，目前各高職院校和相關信號培訓單位對聯(lián)鎖及信號專業(yè)開展教學、培訓時也不斷遇到各種難題，如正在使用中的信號設備不能動，現(xiàn)場實驗設備數(shù)量少，單一的理論教學枯燥難懂，培訓效率低下，系統(tǒng)全面地掌握操作技能的周期非常長等等。為了克服上述弊端，提高高職類學生的就業(yè)競爭能力，計劃利用現(xiàn)代仿真理論及計算機技術建立虛實結合的城市軌道交通計算機聯(lián)鎖仿真實訓系統(tǒng)，它可以對相關信號人員進行崗前培訓，熟悉對信號控制系統(tǒng)的相關操作和維護及業(yè)務能力的強化和提升。[1，2]

2 道岔信號仿真實訓系統(tǒng)設計

該實訓系統(tǒng)以全真實設備形式實現(xiàn)訓練場景。能夠直觀的通過現(xiàn)場真實實物設備給培訓員工或?qū)W員展示信號系統(tǒng)基礎設備和計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的組成及原理，可以讓培訓員工或?qū)W員動手完成各種實訓項目，如計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)使用及設備維護，手搖道岔實訓、信號機實訓、轉轍機實訓、線路檢修等信號系統(tǒng)方面的實驗、實訓課程。系統(tǒng)設計優(yōu)點如下。

1)設備的布局、組成、功能、相對位置關系與地鐵實際現(xiàn)場一致。

2)場景內(nèi)設備的外觀、比例、動作及顯示方式、邏輯關系等與地鐵真實情況相一致，并能夠隨著演練實時發(fā)生相對應的改變設備的各種狀態(tài)。

3)系統(tǒng)內(nèi)主要電氣、電子、機械系統(tǒng)的結構、關聯(lián)關系及動作時序均根據(jù)實際作業(yè)環(huán)境進行一對一的仿真。

4)系統(tǒng)內(nèi)各種設備能夠正確反應系統(tǒng)固有的控制邏輯關系，所有的操作信息能夠根據(jù)實際情況實時更新并輸出相關的仿真計算結果。[3，4]

由此，實訓仿真系統(tǒng)整體設計構成包括：一個電源屏，一架繼電器組合架，一架分線柜，一架聯(lián)鎖主機柜（二乘二取二），兩臺聯(lián)鎖操作表示機（雙機熱備），一臺計軸仿真機，一臺查詢應答器仿真機，一臺電務維修機，一套單開道岔現(xiàn)場設備。系統(tǒng)結構設置如圖1 所示。

圖1 道岔信號仿真實訓系統(tǒng)結構Fig.1 Turnout signal simulation training system structure

聯(lián)鎖操作表示機的線路設計如圖2 所示。

圖2 聯(lián)鎖操作表示機線路圖設計Fig.2 Interlocking operation indicator circuit diagram design

該實訓系統(tǒng)可以進行計算機聯(lián)鎖設備基礎認知實訓，信號機實訓，轉轍機實訓，計算機聯(lián)鎖接口電路故障處理實訓，計軸、查詢應答器仿真實訓等，具體實訓功能如下。

1）計算機聯(lián)鎖設備基礎認知實訓：通過各現(xiàn)場設備的具體設置，學習一套計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的基礎結構組成，各組成設備的工作狀態(tài)及工作原理。

2）信號機實訓：學習信號機顯示原理，開信號機后蓋（確保系統(tǒng)沒有上電以保證人生安全）學習內(nèi)部結構，學習信號點燈單元，學習點燈單元原理及配線方法，信號機點燈電路室外混線處理作業(yè)實驗；信號機點燈電路室外線纜開路處理作業(yè)實驗；信號機日常外部內(nèi)部檢查，清掃實訓等。

3）轉轍機實訓：系統(tǒng)設置一臺S700K 轉轍機（可另外單獨配備其他型號轉轍機數(shù)臺），學習轉轍機工作原理及內(nèi)部結構、動作桿、表示桿日常檢查、調(diào)整、清掃實訓。電動轉轍設備檢修作業(yè)實訓； 測試電動轉轍機各項指標實驗；道岔控制電路室外混線故障處理作業(yè)實驗；道岔控制電路電纜開路故障處理作業(yè)實驗；道岔表示電路室外混線故障處理作業(yè)實驗。

4）計算機聯(lián)鎖接口電路故障處理實訓：通過人工設置在繼電器組合架上的故障模擬盤來設置各種現(xiàn)場常見設備故障，培訓員工或?qū)W員對現(xiàn)場設備故障情況下的應急處理機制。故障可以自己設置，自己排除，也可以由教師設置要求員工或?qū)W員排除以考核其學習成果及對現(xiàn)場設備的操控能力。故障設計如表1 所示。

5）計軸、查詢應答器仿真實訓

計軸、查詢應答器仿真實訓可以清楚的看到單開道岔線路中計軸器，查詢應答器的工作狀態(tài)，進行設備狀態(tài)的判定，故障處理。其界面設計如圖3 所示。

圖3 計軸、查詢應答器仿真界面Fig.3 Axle counter and acquisition balise simulation interface

3 某線路計算機聯(lián)鎖實訓系統(tǒng)設計

在以上實物信號道岔仿真系統(tǒng)設計基礎上，仍然缺少對線路整體聯(lián)鎖區(qū)的認知，由此需要設計一套完整線路聯(lián)鎖區(qū)的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。該系統(tǒng)由純軟件編程完成，整體網(wǎng)絡需要包含學員臺若干套及教師機1 套，每套學員臺可單機進行操作實現(xiàn)完整聯(lián)鎖操作和邏輯處理，也可連入中心ATS 網(wǎng)絡進行聯(lián)機運行。每套系統(tǒng)有獨立后臺數(shù)據(jù)系統(tǒng)，教員臺可以對學員臺進行故障注入操作(包含道岔、信號機、計軸區(qū)段)，可通過后臺數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)實時產(chǎn)生行車數(shù)據(jù)在線運行，同時可實現(xiàn)如進路辦理與取消等操作。[5，6]

表1 故障設置Tab.1 Failure setting

系統(tǒng)整體設計由三大子系統(tǒng)組成：聯(lián)鎖子系統(tǒng)，IO 控制單元子系統(tǒng)，現(xiàn)地工作站子系統(tǒng)。

1） 聯(lián)鎖子系統(tǒng)

聯(lián)鎖機應用軟件運行于計算機平臺之上，通過與IO 控制單元通信，能夠完成對信號機、道岔、軌道電路及計軸等軌旁設備的狀態(tài)采集和驅(qū)動，通過與其他子系統(tǒng)通信獲得地面、車載的相應信息?？梢詫崿F(xiàn)進路控制功能，信號機控制功能，道岔控制功能，站臺控制功能，軌旁設備狀態(tài)采集和驅(qū)動功能，數(shù)據(jù)通信和通信狀態(tài)監(jiān)控功能。集成在聯(lián)鎖下位機程序中完成。

2）IO 控制單元子系統(tǒng)

IO 控制單元子系統(tǒng)作為聯(lián)鎖系統(tǒng)的執(zhí)行表示層，需要接收聯(lián)鎖主機子系統(tǒng)的驅(qū)動命令，判斷驅(qū)動命令是否正確，正確后則驅(qū)動繼電器動作；采集繼電器節(jié)點狀態(tài)，并反饋給聯(lián)鎖主機子系統(tǒng)。同時對于分布式聯(lián)鎖系統(tǒng)，一個聯(lián)鎖主機子系統(tǒng)會連接多個IO 控制單元子系統(tǒng)。

界面設計如圖4 所示。左側為現(xiàn)場設備仿真界面，右側為聯(lián)鎖接口電路組合架仿真軟件界面。左側采用類似站場圖的模式模擬信號軌旁設備，如軌道區(qū)段、信號機、轉轍機、站臺安全門、緊急停車按鈕、防淹門設備。均可以在相應圖標上通過左鍵設置器狀態(tài)，在道岔處點擊左鍵即可以設置各個繼電器狀態(tài)即現(xiàn)場設備狀態(tài)。同樣，在軟件右側的組合架仿真界面也可以勾選相應設備設備的繼電器狀態(tài)來設置現(xiàn)場設備狀態(tài)。效果與在左側設置一致。

3）現(xiàn)地工作站子系統(tǒng)

作為聯(lián)鎖系統(tǒng)中的上位機，負責與聯(lián)鎖下位機之間進行信號設備的控制命令和顯示狀態(tài)的交互，在有單元控制臺的地方，現(xiàn)地工作站還負責單元控制臺與聯(lián)鎖機之間的命令和站場狀態(tài)的數(shù)據(jù)中轉?，F(xiàn)地工作站子系統(tǒng)能夠提供人機界面，顯示完整的聯(lián)鎖設備集中區(qū)站場及相關信息的畫面，提供命令工具條以供操作下發(fā)命令。現(xiàn)地工作站子系統(tǒng)界面包括某線路所有聯(lián)鎖區(qū)。其中根據(jù)實際線路情況設計某聯(lián)鎖區(qū)仿真界面如圖5 所示。

其中各聯(lián)鎖區(qū)功能設計如表2 所示。

4 總結

本文設計一套比較完整的城市軌道交通計算機聯(lián)鎖仿真實訓系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括兩大部分組成，一是實物道岔信號仿真系統(tǒng)，可以模擬城市軌道交通線路所有信號設備工作情況，同時進行完整的操作訓練。二是在此基礎上配備一套完整的某線路所有聯(lián)鎖區(qū)的實訓系統(tǒng)，加強對不同聯(lián)鎖區(qū)線路的認知，故障的處理等。兩套系統(tǒng)的結合能夠徹底解決目前信號專業(yè)人員技能的基礎訓練，同時該實訓系統(tǒng)的設計可以為中高職院校信號專業(yè)實訓建設提供一種非常好的解決方案。

圖4 現(xiàn)場設備仿真界面Fig.4 Field equipment simulation interface

圖5 現(xiàn)地工作站仿真界面 Fig.5 Field workstation simulation interface

表2 現(xiàn)地工作站功能按鈕設計Tab.2 Field workstation function button design