城市軌道交通計算機聯(lián)鎖實訓系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

崔惠珊，張 路，劉亞磊，李 淼

(北京交通職業(yè)技術學院，北京 102200)

1 發(fā)展現(xiàn)狀

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是以計算機技術為核心，采用通信技術、可靠性與容錯技術以及“故障-安全”技術實現(xiàn)聯(lián)鎖關系的信號系統(tǒng)。聯(lián)鎖系統(tǒng)作為涉及地鐵行車安全的設備，直接影響整個信號系統(tǒng)的安全運營和線路通行效率。隨著我國城市軌道交通的迅速發(fā)展，對聯(lián)鎖及信號系統(tǒng)技術人才的迫切需求一直無法滿足，目前各高職院校和相關信號培訓單位對聯(lián)鎖及信號專業(yè)開展教學、培訓時也不斷遇到各種難題，如正在使用中的信號設備不能動，現(xiàn)場實驗設備數(shù)量少，單一的理論教學枯燥難懂，培訓效率低下，系統(tǒng)全面地掌握操作技能的周期非常長等等。為了克服上述弊端，提高高職類學生的就業(yè)競爭能力，計劃利用現(xiàn)代仿真理論及計算機技術建立虛實結合的城市軌道交通計算機聯(lián)鎖仿真實訓系統(tǒng)，它可以對相關信號人員進行崗前培訓，熟悉對信號控制系統(tǒng)的相關操作和維護及業(yè)務能力的強化和提升。[1，2]

2 道岔信號仿真實訓系統(tǒng)設計

該實訓系統(tǒng)以全真實設備形式實現(xiàn)訓練場景。能夠直觀的通過現(xiàn)場真實實物設備給培訓員工或?qū)W員展示信號系統(tǒng)基礎設備和計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的組成及原理，可以讓培訓員工或?qū)W員動手完成各種實訓項目，如計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)使用及設備維護，手搖道岔實訓、信號機實訓、轉(zhuǎn)轍機實訓、線路檢修等信號系統(tǒng)方面的實驗、實訓課程。系統(tǒng)設計優(yōu)點如下。

1)設備的布局、組成、功能、相對位置關系與地鐵實際現(xiàn)場一致。

2)場景內(nèi)設備的外觀、比例、動作及顯示方式、邏輯關系等與地鐵真實情況相一致，并能夠隨著演練實時發(fā)生相對應的改變設備的各種狀態(tài)。

3)系統(tǒng)內(nèi)主要電氣、電子、機械系統(tǒng)的結構、關聯(lián)關系及動作時序均根據(jù)實際作業(yè)環(huán)境進行一對一的仿真。

4)系統(tǒng)內(nèi)各種設備能夠正確反應系統(tǒng)固有的控制邏輯關系，所有的操作信息能夠根據(jù)實際情況實時更新并輸出相關的仿真計算結果。[3，4]

由此，實訓仿真系統(tǒng)整體設計構成包括：一個電源屏，一架繼電器組合架，一架分線柜，一架聯(lián)鎖主機柜（二乘二取二），兩臺聯(lián)鎖操作表示機（雙機熱備），一臺計軸仿真機，一臺查詢應答器仿真機，一臺電務維修機，一套單開道岔現(xiàn)場設備。系統(tǒng)結構設置如圖1 所示。

圖1 道岔信號仿真實訓系統(tǒng)結構Fig.1 Turnout signal simulation training system structure

聯(lián)鎖操作表示機的線路設計如圖2 所示。

圖2 聯(lián)鎖操作表示機線路圖設計Fig.2 Interlocking operation indicator circuit diagram design

該實訓系統(tǒng)可以進行計算機聯(lián)鎖設備基礎認知實訓，信號機實訓，轉(zhuǎn)轍機實訓，計算機聯(lián)鎖接口電路故障處理實訓，計軸、查詢應答器仿真實訓等，具體實訓功能如下。

1）計算機聯(lián)鎖設備基礎認知實訓：通過各現(xiàn)場設備的具體設置，學習一套計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的基礎結構組成，各組成設備的工作狀態(tài)及工作原理。

2）信號機實訓：學習信號機顯示原理，開信號機后蓋（確保系統(tǒng)沒有上電以保證人生安全）學習內(nèi)部結構，學習信號點燈單元，學習點燈單元原理及配線方法，信號機點燈電路室外混線處理作業(yè)實驗；信號機點燈電路室外線纜開路處理作業(yè)實驗；信號機日常外部內(nèi)部檢查，清掃實訓等。

3）轉(zhuǎn)轍機實訓：系統(tǒng)設置一臺S700K 轉(zhuǎn)轍機（可另外單獨配備其他型號轉(zhuǎn)轍機數(shù)臺），學習轉(zhuǎn)轍機工作原理及內(nèi)部結構、動作桿、表示桿日常檢查、調(diào)整、清掃實訓。電動轉(zhuǎn)轍設備檢修作業(yè)實訓； 測試電動轉(zhuǎn)轍機各項指標實驗；道岔控制電路室外混線故障處理作業(yè)實驗；道岔控制電路電纜開路故障處理作業(yè)實驗；道岔表示電路室外混線故障處理作業(yè)實驗。

4）計算機聯(lián)鎖接口電路故障處理實訓：通過人工設置在繼電器組合架上的故障模擬盤來設置各種現(xiàn)場常見設備故障，培訓員工或?qū)W員對現(xiàn)場設備故障情況下的應急處理機制。故障可以自己設置，自己排除，也可以由教師設置要求員工或?qū)W員排除以考核其學習成果及對現(xiàn)場設備的操控能力。故障設計如表1 所示。

5）計軸、查詢應答器仿真實訓

計軸、查詢應答器仿真實訓可以清楚的看到單開道岔線路中計軸器，查詢應答器的工作狀態(tài)，進行設備狀態(tài)的判定，故障處理。其界面設計如圖3 所示。

圖3 計軸、查詢應答器仿真界面Fig.3 Axle counter and acquisition balise simulation interface

3 某線路計算機聯(lián)鎖實訓系統(tǒng)設計

在以上實物信號道岔仿真系統(tǒng)設計基礎上，仍然缺少對線路整體聯(lián)鎖區(qū)的認知，由此需要設計一套完整線路聯(lián)鎖區(qū)的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。該系統(tǒng)由純軟件編程完成，整體網(wǎng)絡需要包含學員臺若干套及教師機1 套，每套學員臺可單機進行操作實現(xiàn)完整聯(lián)鎖操作和邏輯處理，也可連入中心ATS 網(wǎng)絡進行聯(lián)機運行。每套系統(tǒng)有獨立后臺數(shù)據(jù)系統(tǒng)，教員臺可以對學員臺進行故障注入操作(包含道岔、信號機、計軸區(qū)段)，可通過后臺數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)實時產(chǎn)生行車數(shù)據(jù)在線運行，同時可實現(xiàn)如進路辦理與取消等操作。[5，6]

表1 故障設置Tab.1 Failure setting

系統(tǒng)整體設計由三大子系統(tǒng)組成：聯(lián)鎖子系統(tǒng)，IO 控制單元子系統(tǒng)，現(xiàn)地工作站子系統(tǒng)。

1） 聯(lián)鎖子系統(tǒng)

聯(lián)鎖機應用軟件運行于計算機平臺之上，通過與IO 控制單元通信，能夠完成對信號機、道岔、軌道電路及計軸等軌旁設備的狀態(tài)采集和驅(qū)動，通過與其他子系統(tǒng)通信獲得地面、車載的相應信息。可以實現(xiàn)進路控制功能，信號機控制功能，道岔控制功能，站臺控制功能，軌旁設備狀態(tài)采集和驅(qū)動功能，數(shù)據(jù)通信和通信狀態(tài)監(jiān)控功能。集成在聯(lián)鎖下位機程序中完成。

2）IO 控制單元子系統(tǒng)

IO 控制單元子系統(tǒng)作為聯(lián)鎖系統(tǒng)的執(zhí)行表示層，需要接收聯(lián)鎖主機子系統(tǒng)的驅(qū)動命令，判斷驅(qū)動命令是否正確，正確后則驅(qū)動繼電器動作；采集繼電器節(jié)點狀態(tài)，并反饋給聯(lián)鎖主機子系統(tǒng)。同時對于分布式聯(lián)鎖系統(tǒng)，一個聯(lián)鎖主機子系統(tǒng)會連接多個IO 控制單元子系統(tǒng)。

界面設計如圖4 所示。左側(cè)為現(xiàn)場設備仿真界面，右側(cè)為聯(lián)鎖接口電路組合架仿真軟件界面。左側(cè)采用類似站場圖的模式模擬信號軌旁設備，如軌道區(qū)段、信號機、轉(zhuǎn)轍機、站臺安全門、緊急停車按鈕、防淹門設備。均可以在相應圖標上通過左鍵設置器狀態(tài)，在道岔處點擊左鍵即可以設置各個繼電器狀態(tài)即現(xiàn)場設備狀態(tài)。同樣，在軟件右側(cè)的組合架仿真界面也可以勾選相應設備設備的繼電器狀態(tài)來設置現(xiàn)場設備狀態(tài)。效果與在左側(cè)設置一致。

3）現(xiàn)地工作站子系統(tǒng)

作為聯(lián)鎖系統(tǒng)中的上位機，負責與聯(lián)鎖下位機之間進行信號設備的控制命令和顯示狀態(tài)的交互，在有單元控制臺的地方，現(xiàn)地工作站還負責單元控制臺與聯(lián)鎖機之間的命令和站場狀態(tài)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。現(xiàn)地工作站子系統(tǒng)能夠提供人機界面，顯示完整的聯(lián)鎖設備集中區(qū)站場及相關信息的畫面，提供命令工具條以供操作下發(fā)命令。現(xiàn)地工作站子系統(tǒng)界面包括某線路所有聯(lián)鎖區(qū)。其中根據(jù)實際線路情況設計某聯(lián)鎖區(qū)仿真界面如圖5 所示。

其中各聯(lián)鎖區(qū)功能設計如表2 所示。

4 總結

本文設計一套比較完整的城市軌道交通計算機聯(lián)鎖仿真實訓系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括兩大部分組成，一是實物道岔信號仿真系統(tǒng)，可以模擬城市軌道交通線路所有信號設備工作情況，同時進行完整的操作訓練。二是在此基礎上配備一套完整的某線路所有聯(lián)鎖區(qū)的實訓系統(tǒng)，加強對不同聯(lián)鎖區(qū)線路的認知，故障的處理等。兩套系統(tǒng)的結合能夠徹底解決目前信號專業(yè)人員技能的基礎訓練，同時該實訓系統(tǒng)的設計可以為中高職院校信號專業(yè)實訓建設提供一種非常好的解決方案。

圖4 現(xiàn)場設備仿真界面Fig.4 Field equipment simulation interface

圖5 現(xiàn)地工作站仿真界面 Fig.5 Field workstation simulation interface

表2 現(xiàn)地工作站功能按鈕設計Tab.2 Field workstation function button design