機(jī)車(chē)信號(hào)仿真教學(xué)系統(tǒng)升級(jí)研究

薄宜勇，賈英澤，羅惟洲，徐子軒

機(jī)車(chē)信號(hào)是設(shè)于機(jī)車(chē)駕駛室內(nèi)的車(chē)載設(shè)備,通過(guò)安裝在機(jī)車(chē)上的感應(yīng)線(xiàn)圈連續(xù)接收鋼軌上傳遞的移頻信息,經(jīng)過(guò)調(diào)諧、解碼、放大后,控制車(chē)載電路,把地面信號(hào)的顯示狀態(tài)復(fù)示到機(jī)車(chē)信號(hào)燈上,并輸出運(yùn)行指令到顯示裝置,以此作為控制機(jī)車(chē)運(yùn)行的基本條件。機(jī)車(chē)信號(hào)設(shè)備具有保證行車(chē)安全,提高運(yùn)輸效率及改善司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度等作用,在我國(guó)鐵路已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

1 機(jī)車(chē)信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀

既有的機(jī)車(chē)信號(hào)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要由一體化機(jī)車(chē)信號(hào)車(chē)載設(shè)備、信號(hào)頻率模擬發(fā)送箱和傳輸通道3部分組成。一體化機(jī)車(chē)信號(hào)主機(jī)含有人機(jī)界面顯示單元、8顯示信號(hào)機(jī)、安全信息綜合監(jiān)測(cè)裝置（TAX2）、軌道信息接收單元等設(shè)備；信號(hào)頻率模擬發(fā)送箱由信號(hào)低頻、載頻發(fā)生器,LED控制面板設(shè)備組成；傳輸通道是鋪設(shè)的一段軌道電路。在培訓(xùn)系統(tǒng)上,操作人員可手動(dòng)操縱一體化車(chē)載設(shè)備上的司控器、大小閘來(lái)控制壓力及柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的發(fā)送,并在模擬壓力表和LKJ顯示器上顯示相應(yīng)的數(shù)值,同時(shí)機(jī)車(chē)信號(hào)接收軌道上傳來(lái)的低頻信號(hào)信息,經(jīng)濾波、解碼放大后,點(diǎn)亮8顯示機(jī)車(chē)信號(hào)顯示器,并產(chǎn)生列車(chē)速度控制曲線(xiàn),監(jiān)督和控制機(jī)車(chē)安全運(yùn)行。機(jī)車(chē)信號(hào)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 機(jī)車(chē)信號(hào)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)框圖

目前,利用既有的機(jī)車(chē)信號(hào)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在實(shí)際教學(xué)中主要存在以下問(wèn)題,影響到教學(xué)的質(zhì)量和效果。

1）在學(xué)院,多數(shù)學(xué)員都是初次接觸鐵路信號(hào)相關(guān)知識(shí),而機(jī)車(chē)信號(hào)并不是單一的系統(tǒng),它與地面車(chē)站信號(hào)、區(qū)間信號(hào)、值班員辦理進(jìn)路、前方列車(chē)運(yùn)行等多種因素有關(guān)。若單獨(dú)講解機(jī)車(chē)信號(hào)設(shè)備而沒(méi)有地面信號(hào)設(shè)備做參照,學(xué)員們就很難理解機(jī)車(chē)信號(hào)顯示與地面信號(hào)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,以及低頻信息在本區(qū)間和相鄰區(qū)間的排列方式,列車(chē)接近、進(jìn)站、出站地面顯示情況等。

2）既有的頻率發(fā)生器設(shè)計(jì)有自動(dòng)、手動(dòng)2種運(yùn)行方式。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí),發(fā)碼器按照既有設(shè)定的順序產(chǎn)生發(fā)碼頻率,信號(hào)在不同制式、不同載頻、不同低頻中跳動(dòng),教師無(wú)法進(jìn)行有序的教學(xué)演示；當(dāng)切換到手動(dòng)狀態(tài)時(shí),通過(guò)按壓面板上的12個(gè)按鍵,雖可手動(dòng)選擇不同的載頻、低頻,但由于按鈕多、功能復(fù)雜,且需要多次重復(fù)按壓,使用極不方便,也同樣影響教學(xué)效果。

為此,迫切需要對(duì)既有的機(jī)車(chē)信號(hào)實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造,即在不改變現(xiàn)有設(shè)備功能的前提下,通過(guò)增加相應(yīng)的軟硬件設(shè)施,擴(kuò)展新的技術(shù)功能。

2 功能需求

2.1 鐵路運(yùn)行全過(guò)程的仿真系統(tǒng)

利用軟件編制出一個(gè)具有復(fù)線(xiàn)區(qū)間線(xiàn)路的聯(lián)鎖車(chē)站,區(qū)間為雙線(xiàn)雙向無(wú)絕緣移頻自動(dòng)閉塞制式,增加區(qū)間軌道電路及區(qū)間信號(hào)機(jī)顯示,并將車(chē)站上、下行線(xiàn)路區(qū)間連接形成閉環(huán)。在聯(lián)鎖車(chē)站仿真界面上,可以設(shè)置列車(chē)信息,模擬列車(chē)運(yùn)行［1］。系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)通信接口與機(jī)車(chē)信號(hào)仿真設(shè)備連接,實(shí)現(xiàn)既有機(jī)車(chē)信號(hào)設(shè)備有機(jī)地融入到車(chē)站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)。車(chē)站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)需具備以下功能［2-3］。

1）在聯(lián)鎖界面上辦理接發(fā)車(chē)、引導(dǎo)以及調(diào)車(chē)作業(yè),實(shí)現(xiàn)列車(chē)通過(guò)正常解鎖及人工故障解鎖能辦理道岔單鎖、封閉操作。

2）區(qū)間設(shè)有軌道電路區(qū)段和區(qū)間信號(hào)機(jī),并可在站內(nèi)正線(xiàn)及區(qū)間所有軌道區(qū)段,實(shí)現(xiàn)18信息低頻編碼的碼序值顯示。

3）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉塞方向電路功能,排列發(fā)車(chē)進(jìn)路時(shí)自動(dòng)改變線(xiàn)路運(yùn)行方向,當(dāng)出現(xiàn)“雙接”或區(qū)間軌道故障時(shí),可以采取輔助辦理方式改變運(yùn)行方向。

4）能夠與機(jī)車(chē)信號(hào)發(fā)碼器連接,由發(fā)碼器發(fā)送機(jī)車(chē)占用區(qū)段的低頻編碼值。

5）具有設(shè)置站內(nèi)信號(hào)機(jī)斷絲、道岔斷表示、軌道電路故障占用等仿真功能；同時(shí)可以設(shè)置區(qū)間信號(hào)機(jī)斷絲、區(qū)間軌道電路占用、方向電路雙接故障等功能。

6）在仿真界面的線(xiàn)路上可以設(shè)置列車(chē)信息,操作人員可控制列車(chē)自動(dòng)或手動(dòng)運(yùn)行。

2.2 機(jī)車(chē)信號(hào)頻率發(fā)生器改造升級(jí)

機(jī)車(chē)信號(hào)頻率發(fā)生器主要由控制面板電路和頻率發(fā)生器組成?？刂泼姘遑?fù)責(zé)選擇功能、設(shè)置頻率；頻率發(fā)生器負(fù)責(zé)產(chǎn)生移頻信息,并發(fā)送到鋼軌上?？刂泼姘迳嫌?2個(gè)按鍵和2個(gè)LED顯示條,將手動(dòng)操作改造為與聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)連接,根據(jù)列車(chē)在線(xiàn)路的位置自動(dòng)選擇設(shè)置頻率。同時(shí)將控制面板軟件化,即實(shí)現(xiàn)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊的方式,在電腦仿真界面上手動(dòng)控制發(fā)送頻率信息,并能接收車(chē)站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)的編碼信息,控制頻率發(fā)生器設(shè)置頻率。

2.3 車(chē)站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)與頻率發(fā)生器接口

車(chē)站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)與頻率發(fā)生器采用串口或網(wǎng)絡(luò)（UDP）2種常用的通信方式,通信穩(wěn)定,易于日常維護(hù)管理。具體連接方式見(jiàn)圖2。

圖2 車(chē)站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)與頻率發(fā)生器接口

2.4 軟硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境

在Windows平臺(tái)下,軟件開(kāi)發(fā)采用面向?qū)ο蟮腃#語(yǔ)言,通過(guò)提供大量的開(kāi)發(fā)控件,輔助開(kāi)發(fā)人員建立復(fù)雜應(yīng)用；硬件采用單片機(jī)電路板。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 車(chē)站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)

車(chē)站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖為基礎(chǔ),運(yùn)用軟件工程開(kāi)發(fā)模式,進(jìn)行模塊化、分層化設(shè)計(jì)［3］,從而保證系統(tǒng)具有廣泛的適用性和可維護(hù)性。根據(jù)對(duì)車(chē)站仿真系統(tǒng)的需求,系統(tǒng)可分為以下3個(gè)功能模塊。

1）車(chē)站聯(lián)鎖邏輯模塊,實(shí)現(xiàn)進(jìn)路選擇、鎖閉、開(kāi)放信號(hào)、解鎖等進(jìn)路控制的全部過(guò)程。按照最新《鐵路車(chē)站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件》（TB/T 3027-2015）的內(nèi)容要求,參考6502電氣集中電路控制邏輯特點(diǎn)［4］,可以把軟件細(xì)分為進(jìn)路建立模塊、道岔模塊、信號(hào)模塊、區(qū)段模塊、人工及故障解鎖模塊等子模塊［5］。在有操作命令時(shí),調(diào)用對(duì)應(yīng)子模塊進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算,并且進(jìn)行聯(lián)鎖進(jìn)路處理。聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算流程圖和聯(lián)鎖進(jìn)路處理流程圖分別如圖3,圖4所示。

圖3 聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算流程圖

圖4 聯(lián)鎖進(jìn)路處理流程圖

2）操作顯示界面模塊,主要實(shí)現(xiàn)顯示站場(chǎng)圖形和下達(dá)操作命令功能。遵循模塊化設(shè)計(jì)方法,操作顯示軟件劃分為：站內(nèi)站場(chǎng)/區(qū)間顯示、人工操作命令處理、自動(dòng)模擬列車(chē)運(yùn)行、與其他模塊通信等子功能模塊［5］,見(jiàn)圖5。軟件首先初始化站場(chǎng)圖形；再根據(jù)操作人員的命令,進(jìn)行編碼后發(fā)送到聯(lián)鎖邏輯模塊；最后根據(jù)接收聯(lián)鎖的狀態(tài)信息,處理后不斷刷新整個(gè)站場(chǎng)界面。為了使界面顯示具有通用性,其包含的信號(hào)機(jī)、道岔、軌道區(qū)段、文字、按鈕圖形以及操作方式都按照國(guó)家鐵路局《車(chē)站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖操作顯示技術(shù)規(guī)范》的要求［5-6］進(jìn)行規(guī)范性設(shè)計(jì)。

圖5 操作顯示模塊結(jié)構(gòu)

3）故障設(shè)置模塊,見(jiàn)圖6。為了仿真軟件更貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)需要有模擬信號(hào)設(shè)備故障的功能。具體分為信號(hào)、道岔、軌道、區(qū)間4大類(lèi),包括信號(hào)機(jī)斷絲及恢復(fù)、道岔斷表示及恢復(fù)、軌道電路故障、軌道停電、區(qū)間方向“雙接”設(shè)置等［7］。

圖6 故障設(shè)置功能模塊

3.2 頻率發(fā)生器改造設(shè)計(jì)

升級(jí)后的頻率發(fā)生器面板見(jiàn)圖7?？刂撇糠珠_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)分為面板仿真界面軟件和智能控制電路板2部分。

圖7 頻率發(fā)生器面板

仿真軟件界面完全仿真控制器面板,并增加了按鈕動(dòng)作的記錄功能。該軟件接收聯(lián)鎖操作顯示軟件的碼序命令,同時(shí)也可用鼠標(biāo)手動(dòng)操作。智能控制電路板卡基于STM 32主控芯片的控制器開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的采集和輸出?？刂破靼ㄍㄐ拍K、繼電器I/O模塊、組態(tài)邏輯運(yùn)算模塊等。智能控制電路板與仿真界面軟件采取RS-232串口通信方式。

仿真界面軟件與聯(lián)鎖操作軟件采用UDP網(wǎng)絡(luò)通信方式,操作表示主機(jī)每隔500 ms向編碼器界面軟件發(fā)送編碼信息。通信內(nèi)容格式見(jiàn)表1。

表1 操作表示主機(jī)與編碼器界面軟件通信內(nèi)容格式

4 功能應(yīng)用

1）發(fā)碼功能演示。聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)運(yùn)行界面見(jiàn)圖8,在進(jìn)站信號(hào)機(jī)顯示黃閃黃（USU）信號(hào)時(shí),演示機(jī)車(chē)信號(hào)接收雙黃閃碼的情況,可在聯(lián)鎖仿真界面上辦理一條彎進(jìn)直出（經(jīng)過(guò)大號(hào)碼道岔側(cè)向）的列車(chē)進(jìn)路,在S進(jìn)站信號(hào)機(jī)外方S3JG區(qū)段設(shè)置機(jī)車(chē)占用,此時(shí)該區(qū)段發(fā)送低頻19.1（UUS）碼,同時(shí)自動(dòng)控制機(jī)車(chē)信號(hào)顯示一個(gè)雙半黃色閃光［8］。

圖8 聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)運(yùn)行界面

2）聯(lián)鎖操作功能演示。在IAG設(shè)置故障,模擬進(jìn)站內(nèi)方區(qū)段第一區(qū)段發(fā)生故障后,再開(kāi)放引導(dǎo)信號(hào),此時(shí)需要在15 s內(nèi)重復(fù)按壓引導(dǎo)信號(hào),否則信號(hào)會(huì)關(guān)閉。

3）區(qū)間信號(hào)故障紅燈轉(zhuǎn)移功能演示。設(shè)置區(qū)間通過(guò)信號(hào)故障不能點(diǎn)亮,其后方通過(guò)信號(hào)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)為紅燈狀態(tài),相應(yīng)碼序也跟隨變化。

4）區(qū)間改方操作演示。辦理改方操作有正常改方和輔助改方2種情況。正常改方時(shí),需本區(qū)間無(wú)車(chē)且對(duì)方車(chē)站沒(méi)有辦理向該口的發(fā)車(chē)進(jìn)路。例如向X口反向發(fā)車(chē),檢查區(qū)間燈空閑,先按壓允許改方,再排列SⅡ至X的列車(chē)進(jìn)路,區(qū)間就自動(dòng)轉(zhuǎn)換發(fā)車(chē)方向。輔助改方辦理時(shí),先設(shè)置區(qū)間某區(qū)段故障或“雙接”故障,然后對(duì)兩站進(jìn)行輔助辦理操作完成區(qū)間改方［9］。

此外,通過(guò)聯(lián)鎖仿真系統(tǒng),還可以進(jìn)行調(diào)車(chē)進(jìn)路辦理,進(jìn)路總?cè)私?、故障解鎖、道岔單操單鎖、引導(dǎo)總鎖閉等基礎(chǔ)操作［10］,實(shí)現(xiàn)接發(fā)車(chē)培訓(xùn)及非正常作業(yè)情況時(shí)的演練功能；同時(shí),聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)與機(jī)車(chē)信號(hào)仿真系統(tǒng)密切融合,形成聯(lián)動(dòng),為教師和學(xué)員創(chuàng)造出一個(gè)虛實(shí)結(jié)合、多場(chǎng)景的機(jī)車(chē)信號(hào)專(zhuān)業(yè)知識(shí)教學(xué)、實(shí)踐的環(huán)境。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)改造的機(jī)車(chē)信號(hào)仿真系統(tǒng),在充分了解既有設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)情況下,運(yùn)用合理成熟的軟硬件開(kāi)發(fā)技術(shù),借鑒同類(lèi)型系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),使用成熟的開(kāi)發(fā)平臺(tái)和應(yīng)用環(huán)境,使系統(tǒng)在功能和技術(shù)上保持先進(jìn)性,為院校教學(xué)資源的優(yōu)化配置、培養(yǎng)高素質(zhì)和有創(chuàng)新精神的人才提供有力保證。通過(guò)在南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院的實(shí)際測(cè)試應(yīng)用結(jié)果表明,該系統(tǒng)達(dá)到既定的設(shè)計(jì)目標(biāo),取得了良好的教學(xué)效果。