基于Proteus的軌道交通信號與調(diào)度仿真平臺設計

周維龍，王欣，肖會芹

（湖南工業(yè)大學，湖南 株洲）

一 引言

軌道交通具有運量大、快速、安全、準時和低功耗等特點[1]，在人們生活中扮演著越來越重要的角色，截至2021年3月，我國城市軌道交通總運營里程7691.9公里。

信號系統(tǒng)是城市軌道交通機電自動化系統(tǒng)中最關鍵的部分，其核心是列車自動控制系統(tǒng) (Automatic Train Control，簡稱ATC)。軌道列車在運行過程中會發(fā)生各種各樣的狀況，軌道列車的運行現(xiàn)代化、行車指揮、運行安全都需要借助于城市軌道交通信號系統(tǒng)[2]。在目前的技術條件下，城市軌道交通信號系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了自動化控制[3]。由于信號系統(tǒng)設備的特殊性，一般實驗室難以成體系配置，導致實踐教學環(huán)節(jié)難以開展，教學效果很難保證[4]。而虛擬仿真技術借助多媒體技術、輸入輸出技術等多種手段構(gòu)建一種高度虛擬現(xiàn)實仿真的實驗教學環(huán)境，使學生體驗置身其中的感覺，能夠?qū)崿F(xiàn)互動實驗教學，最大限度地激發(fā)學生的學習興趣，改善教學效果[5]。

二 仿真平臺簡介

該仿真平臺基于應用虛擬化技術、流媒體技術、實驗過程遠程監(jiān)控技術、實驗過程錄播技術等進行電子信息工程專業(yè)VR軟件的開發(fā)，將應用程序與操作系統(tǒng)解耦，為應用程序提供一個虛擬的運行環(huán)境，學生可以進行無時間與空間制約的虛擬實驗，促進教學方法的研究和改進，促進電子信息工程進入虛擬化、科學化、數(shù)字化的時代，擺脫純粹依靠實體實驗的狀態(tài)[6-7]。平臺登錄界面如圖1所示。

圖1 城市軌道交通調(diào)度指揮模擬仿真實驗平臺登錄

三 仿真系統(tǒng)相關知識點

軌道交通信號系統(tǒng)基礎設備如：信號機、轉(zhuǎn)轍機、軌道電路、應答器等基本結(jié)構(gòu)、工作原理、現(xiàn)場應用原則；同時掌握車站、區(qū)間、聯(lián)鎖等基本概念。而基于Proteus的虛擬仿真平臺，不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。受到廣大電子系統(tǒng)開發(fā)應用的科技工作者的青睞，也是電子信息類畢業(yè)生必須掌握的仿真軟件之一[8]。在理論性很強的軌道交通信號系統(tǒng)實踐教學環(huán)節(jié)引入實踐性很強的單片機技術，結(jié)合Proteus強大的仿真能力，既可提高學生對單片機技術的應用能力，又可以提高學生對軌道交通信號系統(tǒng)相關概念的理解，實現(xiàn)“學以致用”[9-10]。實驗項目不僅實現(xiàn)軌道交通信號系統(tǒng)、單片機相關知識點有機融合，具體融合關系見表1。降低了實驗室建設成本與難度，以直觀的仿真結(jié)果幫助學生攻克知識難點，提高學生學習興趣。

表1 知識點融合關系表

四 仿真實驗設計內(nèi)容與實現(xiàn)

實驗項目結(jié)合學生特點、培養(yǎng)要求以及虛擬仿真技術掌握熟練程度，精心組織設計實驗內(nèi)容。主要內(nèi)容包括表1中的三個模塊，體現(xiàn)知識點不同層次，滿足學生對該課程各階段學習的不同要求。

（一） 模塊一的設計與實現(xiàn)

（1）場景設計

車站進站信號機通常為五燈七顯示[11]，燈位排列為：黃1綠紅黃2白，示意圖如圖2所示。圖2中，1/3、5/7號道岔均為18號道岔。燈光顯示含義如表2所示。

圖2 進站信號機控制模擬場景

表2 高速鐵路進站信號機顯示機含義一覽表

（2）系統(tǒng)功能需求

①燈光設計：按照進站信號機燈光顏色排列，用對應顏色的LED燈和排列設計進站信號機；

②燈光顯示：每個燈亮的時間為3秒；黃燈閃爍的頻率為2Hz；

③系統(tǒng)開機和復位燈光顯示：系統(tǒng)開機，5個指示燈從上而下依次點亮一次，然后全熄滅；按復位鍵進入初始狀態(tài)，燈全熄滅；

④燈光自動顯示：自動模式下，燈的工作狀態(tài)按表1燈光順序1、2…7的依次自動循環(huán)；

⑤燈光暫停：按下對應燈光控制鍵，指示燈則停止在對應的燈光序列顯示。

（3）系統(tǒng)總體方案設計

根據(jù)實驗設計內(nèi)容，設計系統(tǒng)框圖3所示。主要包括復位電路、按鍵控制電路、單片機控制電路、隔離放大電路以及指示燈電路等部分構(gòu)成[12]。

圖3 進站信號機顯示控制系統(tǒng)總體方框圖

（4）系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

由圖2進站機信號燈示意圖可以知，本實驗指示燈共5個，發(fā)出7種不同組合指示信號，具體對應關系如表1所示。為確保指示燈的輸出功率，與實際應用更接近，在指示燈與單片機輸出端口間外加三極管。其中與P1.2相連的為Q3，與P1.3相連的為Q4，與P1.4相連的為Q5，與P1.5相連的為Q6，與P1.6相連的為Q7。當單片機輸出端口輸出為高電平時，相應的三極管導通，從而點亮指示燈，實現(xiàn)對進站列車的控制，仿真結(jié)果如圖4所示。由表2可得出，此時黃燈（D4）綠燈(D2)亮，對應著狀態(tài)6，即準許列車按規(guī)定速度越過該信號機，經(jīng)道岔直向位置進入站內(nèi)，表示下一架信號機已經(jīng)開放一個黃燈。

圖4 信號機控制系統(tǒng)仿真結(jié)果之一

（二） 模塊二的設計與實現(xiàn)

（1）場景設計

在A車站和B車站之間分為8個閉塞分區(qū)。由北京方面往深圳方面稱為下行，由深圳方面往北京方面稱為上行。以8個按鈕模擬放置在軌道上不同位置的8個光電傳感器模擬應答器，從北京方面往深圳方面順序依次為BUTTON1，BUTTON2，BUTTON3，BUTTON4，BUTTON5，BUTTON6，BUTTON7，BUTTON8，每個光電傳感器對應一個閉塞 分 區(qū)Block1、Block2、Block3、Block4、Block5、Block6、Block7、Block8[13]。系統(tǒng)模擬圖如圖5所示。

圖5 列車運行方向與列車定位模擬圖

（2）系統(tǒng)功能需求

①列車位置識別

當BUTTON1、BUTTON2、…BUTTON8的某個按鈕按下，表明該區(qū)段有車運行，系統(tǒng)可顯示列車運行的相應位置。

②列車運行方向識別

若按從BUTTON1、BUTTON2、…BUTTON8的順序按下按鈕，則說明列車的運行方向為北京方面往深圳方面，即為下行行車。

若按從BUTTON8、BUTTON7、…BUTTON1的順序按下按鈕，則說明列車的運行方向為深圳方面往北京方面，即為上行行車。

③列車運行信息的顯示

當列車從北京方面向深圳方面運行時，LCD顯示屏會顯示“From BJ to SZ”字樣，同時，LED點陣箭頭從下向上移動。

若列車從深圳方面向北京方面運行，則LCD顯示屏會顯示“From SZ to BJ”字樣，同時，LED點陣LED點陣箭頭從上向下移動。

若列車在區(qū)間某位置，LCD顯示屏顯示“Runing at Blocki”。

當列車位于Block8：運行方向為從北京方面向深圳方面時，LCD顯示屏顯示“Arriving at B Station”；運行方向為從深圳方面向北京方面時，LCD顯示屏顯示“Leaving at B Station”。

當列車位于Block1：運行方向為從深圳方面向北京方面時，LCD顯示屏顯示“Arriving at A Station”；運行方向為從北京方面向深圳方面時，LCD顯示屏顯示“Leaving From A Station”。

（3） 系統(tǒng)總體設計方案

根據(jù)實驗設計內(nèi)容，設計系統(tǒng)框圖如圖6所示?？砂ü怆妭髌髂K、點陣動電路、LCD液晶顯示、單片機控制模塊等部分[14]。

圖6 系統(tǒng)總體設計框圖

系統(tǒng)硬件電路主要包括單片機最少系統(tǒng)模塊、8*8LED點陣顯示模塊[15]、LM016l顯示模塊、74HC595點陣驅(qū)動模塊及按鍵控制模塊等五大模塊。仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可知，當前列車停止在K1的位置。

圖7 系統(tǒng)仿真結(jié)果之一

五 結(jié)語

該技術在虛擬仿真實驗教學中的應用具有如下特點：（1）實驗軟件不再受時空局限，充分共享，應用虛擬化技術使得學習者不再局限在物理環(huán)境的實驗室機房內(nèi)，也沒有時間限制，學習者可以隨時（例如課余時間）在宿舍、圖書館等利用各種信息設備終端進入系統(tǒng)練習相關的實驗項目。（2）實驗軟件免安裝，部分實驗軟件都需要在機器上安裝該軟件(即C/S結(jié)構(gòu))，有些軟件安裝配置過程較復雜，對學生們要求較高，也占用了大量學習時間。而應用虛擬化技術則只需要管理員在服務器上一次安裝配置應用程序，既高效又方便管理。（3）不受用戶設備（例如電腦）的限制，應用虛擬化技術支持各種設備的訪問，實現(xiàn)多終端接入，新興的各種終端例如iPad等都可以進入實驗軟件進行實驗操作，帶來了極大的機動性、靈活性。