基于計算機系統仿真的電力機車模擬駕駛裝置研究

[摘 要]傳統的機車乘務員費時長，效率低，已經難以滿足日益增長的鐵路發展需求。基于計算機系統仿真原理的電力機車模擬駕駛裝置的設計和開發，已成為解決機車乘務員培訓工作的更經濟、安全、高效的方式。本文介紹了HXD3B型電力機車模擬駕駛裝置的系統仿真設計方案和建設電力機車模擬駕駛實訓室所需的軟硬件環境，為機車乘務員培訓工作的改革創新提供了一種新的思路和方法。

[關鍵詞]電力機車 模擬駕駛 系統仿真

中圖分類號：U46 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）10-0391-01

一、研究背景

隨著中國鐵路的大跨步發展，電力機車的更新換代日益迅速。幾年前還風行祖國大江南北的韶山系列電力機車，現已被無情地淘汰出鐵路運輸的主流車型范疇，被具有更先進的技術的和諧系列電力機車取代。這種迅猛的鐵路現場技術更新給傳統的機車乘務員培訓工作帶來了嚴峻的挑戰，特別是對各職業院校的鐵道機車專業的建設和發展更是打擊沉重。因為鐵路專業設備的特殊性，實訓室的建設需要學校給予大量的資金支持和政策傾斜。但往往是一種車型的相關設備剛剛配置齊全，鐵路現場卻已經更新換代更新型的機車，讓所有的工作努力都白白浪費了。這種投入多，產出少的狀況讓各職業院校對鐵道機車專業建設心有余而力不足。

計算機技術的進步使模擬仿真技術發展迅速，電氣控制技術的發展令屏幕上開車更加逼真，能更為有效地訓練機車乘務員在列車運行過程的各個環節正確及時有效地操作機車。而且，由于沒有電器柜實物，所有電器設備采用數學模型仿真實現，改變傳統電路中靠采集獲得節點狀態的方式，系統命令和設備的反應都靠計算機進行模擬，完全不需要造價高昂的設備支持，大大節省了實訓室建設的資金投入。同時，系統的維護也更為簡單方便。在鐵道機車專業的課程實施方面與傳統的真實設備的區別不大，投入產出比更加合理，是更為經濟，更有效率的培訓方式。

二、設計思路

計算機硬件部分由數據采集及外圍驅動電路，模擬氣壓表組成。軟件部分由列車牽引計算程序，電路仿真程序。首先，各個單片機將采集到的數據通過串行接口傳入工控機。工控機通過交換機將數據傳至教員機。教員機把列車編組數據與傳入的設備狀態數據賦值到仿真程序中得到電牽引力，將之代入牽引計算中，得到機車當前的運行狀態，將速度值傳輸到圖形工作站。圖形工作站得到速度后，根據計算獲得當前的公里標，調用該公里標下的三維建模數據，同時將圖形渲染輸出，控制機車信號機顯示相應的色燈信號。通過這種方式，將數據采集、控制、計算、圖像實時渲染等數字化處理技術，組成軟硬一體的機車模擬駕駛系統。

三、軟硬件環境

針對以上設計思路，在選配系統硬件時，我們更注重元器件的通用性和標準性，采用主流電氣控制設備。包括：司機操縱臺體、扳鍵開關組、司機控制器、CCB-II制動控制器、CCB-II屏、TCMS顯示屏、LKJ2000監控屏、CIR無線列調、八顯示機車信號、開關、按鈕、指示燈、儀表、投影機、金屬弧形投影幕、專業投影倉、專業級仿真圖形融合機、CGI前向視景圖形工作站、電路圖仿真計算機、列車運行仿真計算機、5.1聲道功放揚聲器組、多媒體故障處理觸摸一體機、I/O采控計算機、學員桌椅、學員計算機、液晶顯示器、桌面司控器、耳機、教員桌椅、教員計算機、通用監控顯示器、RS485串口通訊卡、語音通訊設備、工業級交換機、機柜、電源設備線纜及配件、專用工具等。

軟件采用與專業設計鐵路機車模擬駕駛裝置的公司合作開發。具有如下功能：完成真實模擬機車在各種環境下的運行狀況、機車動力性能、真實操控感、視聽環境、牽引制動特性；能培訓受訓司機進行機車正常駕駛的操作方法、操作規程與操作步驟；能夠設置模擬常見的機車故障、突發事件，培訓受訓司機按實際處理方法、處理規程進行排除處理；具有獨立教員系統能夠進行綜合管理、組織教學和考核。

系統設計、研發、制造、集成等過程應采用的規范和適用標準：UIC 國際鐵路聯盟標準；IEC 國際電工委員會標準；ISO 國際標準組織標準；GB 中華人民共和國國家標準；TB 中華人民共和國鐵道部標準。

系統特性：

（1）穩定性：系統采用成熟技術及相關工藝，主要設備應采用工業級產品。系統主要設備與部件的平均無故障時間大于20，000小時；系統整體平均無故障時間大于10，000小時；系統主機兩次故障平均時間大于3000小時。

（2）易用性

所有操作系統均采用中文Windows XP及以上版本，所有交互系統提供中文圖形界面，符合常規窗口式系統的操作模式。系統具有合理的使用成本，有利于長期、有效地利用該系統進行人員培訓與考核。

（3）可維護性

系統設備具有良好的可維護性，方便維護人員完成日常維護。

（4）可擴展性

系統采用模塊化設計，預留升級擴展接口利于后期升級擴展。

四、系統功能

系統可以進行事故、突發事件的模擬，可在課程中預先設置突發事件或由教員根據需要設置突發事件，視景系統能即時作出響應。按照用戶提出事件現象、處理過程進行仿真制作，以達到提高司機應急處置能力的目的。系統構建全三維虛擬化實訓環境，可以進行列車檢查、非正常情況處理相關的操作，可以放置響墩、火炬、短路銅線、鐵鞋、復軌器；可使用檢點錘、鉗子、手持對講機、綠旗、黃旗、紅旗等工具；可以手動清除線路上的障礙物。三維列車上的車鉤、制動軟管、折角塞門和截斷塞門均可以操作，可進行連接、斷開、拆卸、更換等作業，實現事故車輛與列車分離。可以在限定時間內按照作業規范進行非正常下行車組織演練，包含標準化的車機聯控、設置防護、操作監控裝置等非正常處置步驟，系統能夠實時監控、記錄（包含監控裝置的操作）演練過程的每一步操作，并對比標準答案自動評定成績。

模擬駕駛器具備HXD3B型大功率機車的機車性能及運行環境仿真功能，能夠真實地模擬HXD3B大功率機車在各種運行環境與工況下的運行狀況、操縱特性、牽引/制動特性以及其它特性，可滿足受訓人員進行列車操縱模擬，實現機車制動機試驗、起車、運行調速、進站停車以及運行中非正常情況處置等操縱技能的演練培訓。

模擬駕駛器能夠完整的模擬HXD3B大功率機車的控制邏輯，提供可視化的電路圖界面，實時顯示受訓人員模擬控制條件下的控制電路狀態變化。操縱臺上的所有操作、顯示設備、開關、聲音和發光報警系統按實際情況進行控制和響應，顯示系統與真實機車相應設備具有相同的界面、按鈕及功能。

機車的牽引、制動系統按實際情況控制和響應，故障報警顯示、燈光和聲音報警系統配備與實際相一致，并按照實際情況進行控制和響應，可實現基于硬件的故障模擬，也可實現基于軟件及軟、硬件結合的故障與突發事件的模擬，能夠模擬運行線路與機車運行過程中相關的各類故障、突發事件。包括車輛內部電器、制動機、電機等各類故障，行人掉道、天氣突變、障礙物等突發事件。教員可通過教員控制臺同時設置單個故障和多個故障。系統采用硬件實做與軟件模擬相結合的方式進行故障排除的模擬。可采用硬件實物操作排除的機車故障將使用硬件實做的方式實現，無法采用硬件實物操作排除的機車故障以三維動畫多媒體軟件的方式模擬實現。

作者簡介

李德儉（1975-），男，遼寧軌道交通職業學院鐵道工程系，講師。