高速鐵路列控中心仿真培訓系統的構建研究

楊克儉

摘要：列控中心設備（TCC）是高速鐵路列控系統的核心設備之一，構建列控中心仿真培訓系統可以豐富電務培訓手段并提高培訓效果。本文從列控中心相關技術規范出發，提出培訓需求，根據培訓需求提出了仿真培訓系統的建設目標并制定了建設方案，并最終采用計算機領域的設計模式思想完成了培訓系統的搭建。該仿真培訓系統具有良好的可擴展性和可維護性，可以適應系統試用和正常應用后各種需求的改變和增加，提高了系統的靈活性。

關鍵詞：列控中心（TCC） 仿真培訓系統 設計模式

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0004-02

目前，除京津城際鐵路外，我國高速鐵路幾乎全部采用具有自主知識產權的CTCS-3級或者CTCS-2級列車運行控制系統（以下簡稱：列控系統）。隨著高鐵建設里程的逐漸延伸，包括車載ATP設備和列控中心TCC設備等在內的各種列控設備在各個路局的使用量在不斷增多，這就要求更多的高鐵電務維護人員能夠維修和維護這些設備，并能夠分析和解決日常遇到的各種故障情況。但目前高鐵培訓大多數以書面講授或者簡單的操作維護為主，培訓效果不是很好，電務人員碰到一些緊急情況時，由于缺乏對設備原理的深入理解，現場應急處置有時無法到位。因此，本文研究并完成了高速鐵路列控中心仿真培訓系統的搭建，通過該系統能夠提高電務人員實際動手操作的能力，大大提升培訓效果。

1 列控中心培訓需求

列控中心設備是高速鐵路CTCS-2級列控系統、CTCS-3級列控系統以及CTCS-3級列控系統后備系統的一種關鍵設備。列控中心一方面通過直接控制地面軌道電路設備和有源應答器設備實時向列車發送行車許可相關信息，從而實現列車在車站和區間的安全運行；另外一方面，列控中心通過聯鎖設備將車站和區間的軌道電路狀態信息實時發送給無線閉塞中心（RBC）設備，然后再由無線閉塞中心設備通過GSM-R網絡將行車許可信息發送給車載設備。

列控中心與外部設備接口總體結構如圖1所示。

通過對列控中心技術規范、列控中心相關接口規范以及高速鐵路崗位培訓教材的梳理，提出列控中心設備如下幾方面需要培訓的內容：

（1）列控中心外部接口連接關系以及接口協議；

（2）區間和車站臨時限速的設置原理；

（3）有源應答器正常和故障情況下發送報文控制原則；

（4）ZPW-2000軌道電路編發碼控制原理；

（5）區間運行方向控制及閉塞原理；

（6）區間軌道電路正常及故障情況下狀態邏輯判斷原理；

（7）與防災系統接口功能實現原理。

2 列控中心仿真培訓系統建設方案

為了能夠更好的實現列控中心培訓需求和增加學員的動手操作機會，在構建列控中心仿真培訓系統過程中提出以下幾方面的目標：

（1）列控中心的培訓應將列控中心設備置于列控整體系統中進行培訓，不能單獨進行說教式的培訓；

（2）在列控中心仿真培訓系統中，培訓人員應能模擬實際現場進行各種操作，通過各種操作學習列控中心相關原理。這些操作主要包括聯鎖進路的辦理、司機駕駛的模擬（包括DMI設備的操作和動車組各種手柄的操作等）；

（3）列控中心的培訓應能實現可視化和形象化，通過多媒體手段豐富培訓效果；

（4）仿真培訓系統應能支持模擬實際現場的運營方式進行培訓；

（5）仿真培訓系統應具備正常運行條件的設置和故障注入功能，模擬真實現場的一些故障情況，包括軌道電路各種工況下的意外占用、有源應答器不同位置斷線故障等。

針對上述提出的五點仿真培訓系統建設目標，結合列控中心設備正常運行所需的各種外部環境，特提出如下設計方案：

圖2所示列控中心仿真培訓系統主要由三部分組成，分別為司機駕駛仿真部分、操控終端部分以及培訓動畫展示界面部分；每一部分的主要功能為：

（1）司機駕駛仿真部分：主要功能是通過仿真實現司機在真實現場的各種操作功能，包括DMI操作和動車組各種開關按鈕的操作。通過動車組的各種開關按鈕實現列車的牽引和制動功能，實現對列車的操控；仿真DMI能夠模擬真實車載設備的運行情況，通過DMI的操作和顯示，讓培訓人員了解列控中心在各種工況下對列控車載設備運行的影響，從而更好的掌握列控中心的功能。

（2）操控終端部分：該部分的主要功能是實現仿真聯鎖的功能和故障注入的功能。其中仿真聯鎖功能主要是實現各種聯鎖進路的辦理，通過聯鎖進路的辦理讓學員直觀的了解各種進路下列控中心發碼原理，以及聯鎖故障情況下對列控中心的影響等等；故障注入功能則主要模擬各種現場故障，包括軌道電路意外占用、模擬有源應答器不同位置線纜的斷線故障、防災系統的接口故障模擬等，通過這些故障的設置造成列控中心設備故障，從而提高學員對列控中心設備各種故障應急處置的學習效果。

（3）培訓動畫展示界面部分：該部分的主要功能是實現培訓過程的可視化和形象化，通過二維的動畫、圖形、圖表以及狀態圖標等各種方式將培訓內容進行直觀的展示，讓信號人員能夠輕松的掌握列控中心相關原理，從而提高培訓效果。

3 列控中心仿真培訓系統方案實現

列控中心仿真培訓系統的需求雖然相對比較明確，但為了應對仿真培訓系統在試用階段和正式安裝使用后不同學員以及教師可能會提出修改意見或者其他新的需求（比如原理展示內容的增加和完善、不同高鐵線路的更換、不同廠家DMI和駕駛環境的變更等等），本仿真培訓系統在實現過程中采用了計算機領域的軟件設計模式（Design Patterns）思想，從而提高了系統的可擴展性和可維護性。

軟件設計模式是為解決軟件開發領域中多種重復出現的經典問題而提出的解決方案，是面向對象編程經驗的總結，是軟件實現技巧中最重要的方法和原則。軟件實現需要應付不斷變化的需求，項目開發需要不斷的反復修改更新，解決之道就是封閉變化。

設計模式從創建、結構以及行為三方面提出了封裝變化的方案。在列控中心仿真培訓系統實現過程中，主要應用了工廠方法模式（Factory Method）、觀察者模式（Observer）以及單件模式（Singleton）。下面對這三種設計模式的具體應用進行詳細說明。

3.1 工廠方法模式

工廠方法屬于創建型設計模式，用于封裝對象創建所引起的可能變化。在列控中心仿真培訓系統實現過程中應用比較廣泛，主要包括以下幾方面的對象創建：

（1）司機駕駛仿真中的模擬駕駛臺，該模塊能夠按照不同的動車組進行創建，包括各型動車組，比如CRH1、CRH380D、CRH380CL等等；

（2）司機駕駛仿真中的仿真DMI，能夠根據不同廠家的DMI進行創建，包括300T型的DMI、300S型的DMI、200C型的DMI以及200H型的DMI；

（3）操控終端中的線路創建部分，能夠根據不同的高鐵線路進行創建，包括武廣高鐵線路、京滬高鐵線路等。

圖3所示為工廠方法模式在仿真DMI實現過程中的應用。

3.2 觀察者模式

觀察者模式屬于行為型設計模式，對可能變化的行為進行抽象，通過封裝達到整個架構的可擴展性。觀察者模式用來定義對象間的一種一對多的依賴關系，當一個對象的狀態發生改變時，所有依賴它的對象都得到通知并被自動更新。

該模式主要用于前臺界面與后臺邏輯處理的解耦依賴。對于列控中心培訓系統來說，由于界面信息豐富而且后臺邏輯處理功能龐大，因此，通過觀察者模式可以很好的將這兩者分離，從而達到可擴展的目的。整個模式的類圖如圖4所示。

3.3 單件模式

單件模式屬于創建型設計模式，它是將創建單件對象的實現邏輯封裝起來。它能夠保證一個類僅有一個實例。單件模式將那些可能重復的實現邏輯封裝為方法為單獨的類。

對于列控中心原理展示部分來說，該模塊在整個培訓系統中是惟一存在的，無論其他模塊如何變化和改變，該模塊中的展示方式為固定的。因此，該模塊應具有惟一性。無論誰要更新該部分內容，都調用惟一的類進行改變。該類根據內容的優先級進行逐一顯示。

單件模式的實現類如圖5所示。

4 結語

本文從列控中心相關技術規范出發，提出培訓需求，根據培訓需求提出了仿真培訓系統的建設目標并制定了建設方案，并最終采用計算機領域的設計模式思想完成了培訓系統的搭建。使用設計模式改善了軟件的設計和實現，讓軟件能夠經受需求不斷變化的考驗。同時，列控中心仿真培訓系統的搭建豐富了電務人員培訓手段，提高了培訓效果，為我國高速鐵路的可持續發展提供必要的支撐。

參考文獻

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