高铁计算机联锁仿真培训系统的设计与实现

高铁计算机联锁仿真培训系统的设计与实现
宋苏民;旷文珍;苏琛
【摘要】目前国内车站信号控制系统普遍采用计算机联锁系统,现场计算机联锁系统处于全天候工作状态,难以用于新职人员设备操作演示和实践学习.传统教学培训方式死板,缺乏与现场实际设备结合;现有计算机联锁培训系统缺乏联锁试验方法和针对高铁特殊联锁功能的培训.针对此问题,提出了一种通过软件模拟方式实现高铁计算机联锁仿真培训方案,从现场实际需求和系统功能需求方面对系统功能模块进行了细分,提出了系统软件设计方案,并采用基于.net架构的Microsoft Visual Studio 2005 系统开发平台进行软件开发实现.现场使用情况表明,该系统具备完整的联锁操作功能,集成丰富的培训内容和培训操作演练,具有良好的交互性,且系统具有成本低、易维护、集成度高、扩展性强等优点,对一线职工的培训效果好.%At present,the computer interlocking system is widely used in the domestic control system of railway station signal.The practical computer interlocking system in working condition cannot complete the demonstration of equipment operation and the practice learning of new staffs.The traditional training and teaching mode is rigid and lacks combining with the actual equipment.The existing computer interlocking training system lacks interlocking test methods and special interlocking function training for high-speed railway.In order to solve this problem,a simulation training program of computer interlocking system is proposed by software simulation.System function modules have been carefully subdivided from the aspects of actual requirements and system functional requirements,and the software design scheme of the system is put
forward.Finally,Microsoft Visual Studio 2005 system development platform based on framework is used to realize the software.The practical use shows that the system has the complete interlocking operation function,rich training content and training operation as well as good interactivity.It also has the characteristics of low cost,easy maintenance,high integration and strong extensibility,and has good training effect on line workers.
【期刊名称】《兰州交通大学学报》
【年(卷),期】2017(036)001
【总页数】6页(P90-95)
【关键词】计算机联锁;车站信号控制;软件模拟;培训系统
【作者】宋苏民;旷文珍;苏琛
【作者单位】兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室,甘肃兰州730070;兰州交通大学自动化与电气工程学院,甘肃兰州 730070;兰州安信铁路科技有限公司,甘肃兰州 730070
【正文语种】中文
【中图分类】TN919.5
近年来高速铁路建设全面铺开，截止2015年底，我国高速铁路运营里程达1.9万公里，居世界第一[1-2]。

计算机联锁系统是高速铁路信号系统的重要组成部分，是实现车站运行指挥、安全防护功能的重要控制系统[3-5]，其正确操作与维护是保证车站调度作业安全高效的关键。

由于现场系统处于全天候持续运行状态，且与
各接口密切联系，因此难以用于新职人员设备操作演示和实践学习。

随着计算机联锁系统的普及，新建线路和客运专线相继开通，新建车站系统投入运行，需要大量的新职人员上岗，因此，车务操作和电务维修人员的现场实践操作技能培训需求迫切。

基于此，国内科研院所相继开发出了相应的仿真培训系统。

北京交通大学轨道交通信号与控制实验室开发的JT-JDS型计算机联锁沙盘模拟仿真系统[6]可直观反映列车运行和进路控制过程，但成本较高，随着站场改扩建其改动
费用较大，没有得到广泛推广。

长沙新快速教学设备有限公司研制的车站计算机联锁仿真教学实训系统是在模拟沙盘的基础上，仿真计算机联锁系统和6502控制台，其培训功能不全面，仅适合在校学生培训使用。

文献[7]提出了一种融合3D动画
技术的，直观、实用、站型多样化、维护成本低廉的计算机联锁车务仿真系统，但主要针对普速铁路，培训功能仅有上位机操作和站间接发车作业，缺乏联锁知识基础、考试等培训环节。

因此，急需一套低成本、集成度高、运行条件简单且能最大限度满足职工操作培训要求的高铁计算机联锁仿真培训系统。

基于高铁计算机联锁系统的基本架构和功能，设计了计算机联锁仿真培训系统的总体结构，如图1所示。

室外设备仿真模块模拟现场的信号设备状态，并根据联锁逻辑运算模块的驱动命令实时改变信号机、道岔、轨道区段的状态。

联锁逻辑运算模块根据采集到的现场设备状态信息，对接收的人机交互界面下发的操作命令进行联锁逻辑运算。

人机交互界面负责命令的交互、站场图和培训内容的显示以及操作演示。

根据用户需求调研结果，结合我国高速铁路车务应急值守人员岗位作业指导要求和对车务应急值守人员培训考核要求[8]，将系统主要功能划分为联锁仿真功能、培
训功能和室外设备仿真功能。

1)联锁仿真功能
联锁仿真功能主要包括人机交互操作功能、一般联锁功能、特殊联锁功能以及联锁
逻辑功能。

人机交互操作功能模拟实际站场图，通过不同图形组件模拟显示各种信号设备状态，提供操作功能。

一般联锁功能适用于普速铁路，在人机界面上实现站场所有设备的基本操作，以实现用户和站场界面的数据交互，包括：道岔单操、进路办理、信号机点灯、区段故障解锁、上电解锁等。

特殊联锁功能仅针对于高速铁路，主要实现列车过走防护、进站信号机黄闪黄显示、发车引导、进路一次解锁和接车限制等功能。

联锁逻辑功能主要是根据站场进路表和联锁执行标准完整实现站场联锁功能，包括选排进路、进路选择、道岔转换、进路锁闭、开放信号以及进路解锁等。

2)培训功能
培训功能主要包括基础操作培训功能、特殊操作培训功能和考试功能。

基础操作培训功能是高铁计算机仿真培训系统的核心功能，软件选择进入培训模式后用户可选择不同的培训项目进行学习，观看文字和界面演示。

基础操作培训根据实际的站场设定培训内容，能对站场布局及组成元素、基本联锁概念、基本联锁功能及一般故障情况操作培训进行文字讲解和同步的站场演示。

特殊操作培训功能是针对高铁特殊联锁功能和复杂场景的实训。

考试功能分为选择题考试、操作题考试及考试管理功能，目的是配合日常基层站段职教培训或培训与考核新入职人员。

3)现场仿真功能
现场仿真功能包括信号设备状态模拟功能和模拟行车功能。

信号设备状态模拟功能可仿真信号设备的状态并根据联锁下发的命令实现设备状态的实时变化，其主要对信号机、道岔和轨道区段状态进行模拟。

模拟行车功能通过纯软件的方式代替列车在车站行车过程，当进路排列成功且信号开放后可以启动模拟行车，以小火车图标作为指示，从接近区段开始，模拟列车依次占用和出清进路内的轨道区段。

根据系统功能需求，对系统结构进行了模块划分。

通过对高铁计算机联锁仿真培训系统的功能分析，将系统分为车站联锁仿真模块、室外设备仿真模块和通信模块三
部分，其中车站联锁仿真模块又分为人机交互模块、联锁控制功能模块和培训考试模块；室外设备仿真模块分为现场设备仿真模块、模拟行车功能模块以及故障设置功能模块。

系统软件结构如图2所示。

在高铁计算机联锁仿真培训系统的开发过程中，采用面向对象分析方法和模块化程序设计相结合的方式[9]，将数据与应用软件程序尽量分离，以提高系统程序的可复用性及系统升级或扩展时的效率。

系统采用基于.net架构的Microsoft Visual Studio 2005系统开发平台，利用C语言编程实现各个功能模块。

系统主要模块包括人机交互模块、通信模块、联锁控制功能模块、培训考试模块、模拟行车功能模块以及故障设置功能模块，各个功能模块之间通过通信接口实现数据交互。

以下就这6个重要的功能模块的设计与实现作详细介绍。

2.1 人机交互界面的设计与实现
人机界面主要是根据站场数据文件显示站场界面，集成了铁道科学研究院TYJL-ADX型、北京全路通信信号研究设计院DS6-60型、北京交通大学微联公司
EI32-JD型和卡斯柯公司iLOCK型四家主流型号界面，支持站场显示风格和操作方式的随时切换且能够保持站场信号设备状态和进路状态的一致性。

站场界面的绘制包含信号机的绘制、道岔的绘制、区段的绘制、按钮的绘制以及表示灯的绘制，通过全局变量ZcJmSelect值来选择响应站场显示界面，并在响应类的绘制函数中添加ZcJmSelect的判断，来选择当前界面需要显示的界面风格和操作方式。

系统的通信模块主要实现上位机和室外模拟机之间信息传输接口，室外模拟机通过通信模块实时将信号设备状态传输给上位机，上位机借助通信模块向室外信号设备下发操作命令。

系统采用如今使用较为广泛的TCP/IP互联协议族[10-11]，这种通信方式具有很强的灵活性和通用性。

通信接口实现过程分为UDP客户端和UDP 服务器端IP和端口绑定、数据打包、数据发送以及数据解析4个阶段。

系统在保证实现普速铁路联锁功能的基础上，增加了针对高速铁路特殊联锁功能的
处理。

接车限制(股道停稳计时)功能是为高铁接入CTCS-3级列车运行控制系统而新增的联锁功能。

基于计算机联锁系统与列控系统互联互通的必要性，联锁控制功能应具有列车停稳计时功能，当列车完全进入股道后开始40 s停稳倒计时。

联锁停稳计时期间应保持向无线闭塞中心(RBC)提供原进路信号授权(SA)[12]，并禁止向该股道再次排列进路。

发车进路和通过进路无接车限制功能，在处理接车限制功能时，应先判断进路方向(JLFX)是否是接车方向。

通过进路的判断可通过列车进路末端出站信号机的显示来检查。

程序不断检查列车行驶情况，列车在出清进路最后一个道岔区段时，启动40 s股道停稳计时。

接车限制功能流程如图3所示。

列车停稳计时期间禁止向该股道排任何进路。

在计时期间，股道处于占用状态，不能办理接车进路；将股道两端出站信号机的按钮持续置为使用状态，则不能办理发车进路或调车进路。

系统可对指定信号设备进行各种类型的故障设置，设置成功后信号设备的状态不再响应联锁控制指令的改变，能够在设定故障的条件下实训车务操作人员的应急处理和非正常作业技能。

现场故障仿真包括电源屏、采集/驱动板和通信板等室内设备故障仿真以及道岔、信号机和轨道电路等室外设备故障仿真。

根据现场实际的道岔故障情况，把道岔故障分为：道岔定位表示故障、道岔反位表示故障、挤岔故障以及道岔启动电路故障四种，道岔故障设置流程如图4所示。

模拟行车功能即对现场列车运行过程进行仿真，上位机办理列车(调车)进路，当信号机开放后，点击“模拟行车”菜单，站场平面上根据用户选定的列车(调车)进路开始沿着进路方向依次占用并出清进路区段，进路区段依次解锁，模拟现场行车过程。

模拟行车功能在模拟机上实现，采用进路数据导入模式实现进路搜索功能。

创建进路结构体数组存储进路信息，根据用户点击的始端信号机和终端信号机在进路数组
中搜索匹配的进路，获取进路编号。

进路结构体设计如下：
typedef struct
{
unsigned int m_SDXHJ; //始端信号机
unsigned int m_ZDXHJ; //终端信号机
unsigned int m_QDNum; //进路区段数目
unsigned int m_QDArray[30]; //进路区段数组
} JLStr //进路信息结构体
进路区段数组m_QDArray[30]按顺序存放进路区段的设备编号，当获取的编号与区段数组存放的设备编号匹配成功后，按照进路表数组中的区段顺序逐次占用和出清区段。

模拟行车流程图和模拟行车界面如图5～6所示。

培训功能针对不同的用户集成了各种培训素材：针对在校学生，在人机界面上集成丰富的联锁信号知识并配以示例指示和讲解；针对车务人员进行全面的车站操作培训，包括基本操作流程演示和非正常状况下的接发车操作演示；针对电务人员进行一般故障排查和联锁试验方法步骤的讲解和示例演示。

采用单纯文字和文字+站场同步演示两种培训方式，通过建立基础培训类来实现对站场布局及组成元素、基本联锁概念、基本联锁功能的文字讲解和同步站场演示功能，培训界面如图7所示。

为使培训内容具有选择性，在开发过程中采用TXT文
档导入模式对培训内容进行添加。

考试功能的主要目的是考核培训人员的培训效果，可以通过客观题考察基本概念培训效果、通过操作题考察基本操作培训效果。

利用VC++程序开发工具和SQL Server 2000数据库实现考试试题的存储、考试成绩
的在线判定和成绩的管理。

高铁计算机联锁仿真培训系统在武汉铁路局何刘站实际安装使用，何刘站是非客货营业的四等车站，作为中间车站，普通客车、货车以及高铁列车都经过。

何刘站计
算机联锁系统采用通号设计院的DS6-60型计算机联锁系统。

经过现场实际调研，高铁计算机联锁仿真培训系统按照何刘站现场的计算机联锁人机操作界面的显示和操作方式，定制了何刘站专属的高铁计算机联锁培训系统并投入使用，现场培训软件界面如图8所示。

根据现场培训人员使用情况和反馈意见，对系统进行了优化，增加了复杂场景实训功能，提高了现场职工的操作技能和操作规范。

完整的计算机联锁系统规模大、成本高昂，很难在实验室搭建一个功能完整且具有一定规模车站的联锁仿真平台供现场人员进行操作演练。

本文提出了一种纯软件模拟方式实现计算机联锁仿真培训的方案，该系统具有成本低、易维护、集成度高、运行条件简单、易推广等优点，为新入职工和相关专业在校学生的教学培训提供很好的平台，受到极大青睐。