城軌列車控制電路教學(xué)仿真系統(tǒng)的研究

鄭 蕊，孔繁虹

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

城軌列車控制電路教學(xué)系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)輸入的電路圖的連接關(guān)系生成邏輯文件，再利用邏輯文件自動生成邏輯回路；當(dāng)電路仿真運(yùn)行時根據(jù)設(shè)計(jì)人員或培訓(xùn)人員設(shè)置的各種工況或故障狀態(tài), 用顏色、位置、形狀等信息動態(tài)地刷新顯示列車電路中各種器件的得電及動作、導(dǎo)線的電信號流向, 并配之以聲音、文字等說明, 使列車電路原理形象、直觀地顯示出來。

根據(jù)以上思路，可以將整個電路仿真教學(xué)系統(tǒng)分為3個部分，即電路圖的繪制、仿真模型的自動生成以及電路圖動態(tài)仿真運(yùn)行。

1 電路圖的繪制

從圖形數(shù)據(jù)操作的角度，整個繪圖流程主要分為圖形的添加與輸入、圖形編輯和圖形文件存儲3個步驟。城軌列車電路圖主要由電氣元件、連接線和標(biāo)示符3種圖形符號構(gòu)成，由于其具有各自屬性和特點(diǎn)，軟件采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ謩e設(shè)計(jì)元件類、連接線類、標(biāo)注類3種結(jié)構(gòu)體，整個圖形數(shù)據(jù)的生成過程如圖1所示。

圖1 圖形數(shù)據(jù)的生成過程

1.1 繪圖界面的設(shè)計(jì)

為將電路圖繪制成計(jì)算機(jī)圖形，基于MFC設(shè)計(jì)了合適的繪圖軟件，確立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并根據(jù)元器件的圖形特征創(chuàng)建可拓展的元件庫（適用于不同型號的列車），最后生成元件控件。利用交互式繪圖技術(shù)，通過鼠標(biāo)的單擊、雙擊、拖動等簡單動作進(jìn)行繪圖，將電路圖的輸入數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為程序員可調(diào)用控制的專用格式[1]。該格式應(yīng)能反映出電路圖各類元件所具有的特點(diǎn)和參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)對元件圖形的插入、修改、縮放、移動、旋轉(zhuǎn)，連接關(guān)系的生成以及電路圖的存儲。

1.2 電路元件分類及元件庫的建立

1.2.1 列車電路元件分類

因不同類型元件各自的屬性和實(shí)現(xiàn)的功能不同，有必要把相同功能的元件放在一起以便管理操作，所以必須對繪圖所需的所有元件進(jìn)行分類。

按照仿真時有無動作顯示，我們將列車電路元件分為開關(guān)類和非開關(guān)類。開關(guān)類如普通開關(guān)、常開常閉接觸開關(guān)等；非開關(guān)類如電阻、電機(jī)、指示燈、蜂鳴器等[2]。 另外，按照控件輸入時是否需要添加元件標(biāo)注，又可分為有標(biāo)注元件和無標(biāo)注元件。

元件的分類可以通過元件類型號KindID的區(qū)間劃分得到：將KindID值從1～500號分配給有標(biāo)注元件，其中，1～200號為非開關(guān)類元件，201～500號為開關(guān)類元件；從501～1 000號分配給無標(biāo)注元件。總之，將具有相同功能或類似屬性的元件規(guī)定在一定的類型號區(qū)間進(jìn)行編號，以便操作應(yīng)用。

1.2.2 元件庫的建立

元件庫包含繪圖涉及的所有元件對象的圖形模型，包括：各元件圖形的構(gòu)造特征及其屬性，點(diǎn)、線、弧圖形數(shù)據(jù)的坐標(biāo)信息。其中，應(yīng)該注意的是，根據(jù)仿真需要，元件庫數(shù)據(jù)中還應(yīng)該包含元件在所有狀態(tài)下的物理特征，例如：對于開關(guān)元件可通過設(shè)置隱藏線并利用程序進(jìn)行線型的切換來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的閉合/斷開的動作變化。

元件庫應(yīng)包含的信息有：總元件數(shù)（n）、KindID、元件名、矩形框參數(shù)ltrb、點(diǎn)數(shù)n1及點(diǎn)的坐標(biāo)Pointi.x，Pointi.y、線數(shù)n2及每條線的線型Linei.style及其起終點(diǎn)坐標(biāo)Linei.x1，Linei.y1，Linei.x2，Linei.y2、弧數(shù)n3及每個弧的線型Arci.style和繪圖參數(shù)Arci.x1Arci.y1、Arci.x2Arci.y2、Arci.xαArci.yα、 Arci.xβArci.yβ、引腳數(shù)n4及引腳點(diǎn)的位置坐標(biāo)Jointi.x，Jointi.y 。

但是，獲取這些坐標(biāo)信息的傳統(tǒng)方法是人工數(shù)點(diǎn)，這樣費(fèi)時費(fèi)力，基于對話框開發(fā)了一個可視化畫板，只需將元件圖形在畫板中畫出，便可得到所需的點(diǎn)、直線、圓弧的坐標(biāo)信息，再按照以上格式整理成TXT文件，通過繪圖軟件中程序的讀寫轉(zhuǎn)化為EBI文檔，可方便地對元件庫進(jìn)行更新。

2 列車邏輯控制仿真模型

輸入計(jì)算機(jī)中的電路原理圖的元件、連接線、連接點(diǎn)的位置一旦確定, 其坐標(biāo)連接關(guān)系就確定了。根據(jù)這些連接關(guān)系可生成邏輯回路，再根據(jù)回路關(guān)系與邏輯控制算法即可判斷圖中元器件的物理狀態(tài)和電狀態(tài)。根據(jù)上述原理，開發(fā)一個可以自動生成邏輯控制模型的平臺，大致思路如下：

（1）將列車電路圖轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的有向圖；

（2）利用有向圖和人工智能深度優(yōu)先搜索算法搜索兩頂點(diǎn)間的單向通路；

（3）根據(jù)通過某部件的所有單向通路，最終得到該部件的電狀態(tài)。

2.1 電路原理圖的有向圖

為實(shí)現(xiàn)從串、并聯(lián)關(guān)系到邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換,引入有向圖[3]。 只要用頂點(diǎn)V代替電路原理圖中的節(jié)點(diǎn)、用有向邊E代替支路，便可得到電路原理圖的有向圖G（V，E）。因節(jié)點(diǎn)的物理狀態(tài)無方向性，可表示為一組頂點(diǎn)的權(quán)；因支路的物理狀態(tài)取決于它的方向，每條支路都可用兩條相反的具有不同權(quán)的有向邊來表示。當(dāng)支路都用有向邊表示時，得到的才是目標(biāo)有向圖G。G是一個連通圖，可從其中得到頂點(diǎn)的集合、有向邊的集合、頂點(diǎn)和有向邊的完全關(guān)聯(lián)矩陣。

頂點(diǎn)的集合：

V={V1, V2,…, Vn}

有向邊的集合：

所有的單向通路矩陣At：

其中，矩陣At的列表示有向圖中所有的頂點(diǎn)和有向邊，矩陣At的行為單向通路PATH_i。如果單向通路PATH_i通過頂點(diǎn)或有向邊，aij=1，否則aij=0。

2.2 深度優(yōu)先算法

構(gòu)成通路的頂點(diǎn)和邊必然不重復(fù)，根據(jù)這一原則，利用有向圖的鄰接表REV，采用深度優(yōu)先算法，可搜索出兩個頂點(diǎn)（電源VS和地VG）之間的所有單向通路。在程序設(shè)計(jì)中，考慮到通路中的部件繁多、復(fù)雜，因此在通路中查找支路與節(jié)點(diǎn)的關(guān)系要比查找通路與部件的關(guān)系更為方便、省時。

深度優(yōu)先算法較易通過遞歸搜索來實(shí)現(xiàn)，可設(shè)置當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為overs[toven] ,頭節(jié)點(diǎn)為VSSLINE[12] 尾節(jié)點(diǎn)為GNDLINE[12] ,定義一個遞歸搜索函數(shù)searchtree(void),以及子函數(shù)searchv(tovern)。搜索流程如圖2所示。

圖2 搜索流程圖

2.3 通路的狀態(tài)

單向通路的頂點(diǎn)和有向邊的權(quán)表示對應(yīng)節(jié)點(diǎn)和支路在此方向上的物理狀態(tài)，因此通路上所有權(quán)的與為通路的權(quán)，即通路的物理狀態(tài)。當(dāng)構(gòu)成通路的所有邊的物理狀態(tài)都是通態(tài)時，通路的物理狀態(tài)就為通，否則為斷。

當(dāng)某條通路的物理狀態(tài)為通態(tài)時，在電源正常的情況下，該通路的電狀態(tài)為1。當(dāng)通路得電時，構(gòu)成通路的所有部件都得電，因此通過該部件所有通態(tài)的電狀態(tài)之和即為部件的電狀態(tài)。電路部件的電狀態(tài)與物理狀態(tài)有下列關(guān)系[4]：

式中：Sz, Sf 分別為電路中部件的正向和反向物理狀態(tài)向量；Ez, Ef 分別為電路中部件的正向和反向電狀態(tài)向量； E 為電路中部件的當(dāng)前電狀態(tài)向量； At 為電路的單向通路矩陣；# 、& 分別為自定義的運(yùn)算符。

部件的物理狀態(tài)與電狀態(tài)的控制關(guān)系便構(gòu)成了列車控制電路的邏輯仿真模型。

3 列車電路仿真教學(xué)系統(tǒng)

電路仿真運(yùn)行時，讀取仿真的電路圖數(shù)據(jù)，并按照實(shí)際情況對電路圖中所有元件進(jìn)行狀態(tài)初始化，將設(shè)置的控制變量傳輸給該電路，經(jīng)過邏輯控制分析計(jì)算后得到各元件的電狀態(tài)。此時，電路圖做出相應(yīng)的動作，如回路得電變紅色、開關(guān)閉合或斷開、電機(jī)或電器運(yùn)轉(zhuǎn)等，使學(xué)員在計(jì)算機(jī)上可生動直觀地了解到司機(jī)控制器上相應(yīng)操作對應(yīng)的列車內(nèi)部電路的動作。

3.1 電路仿真教學(xué)系統(tǒng)界面

根據(jù)列車電路的實(shí)際情況，開發(fā)出一個電路仿真教學(xué)界面，該界面又包含司機(jī)室控制面板和繼電器柜面板，分別如圖3和圖4所示。

圖3 司機(jī)控制器面板

圖4 繼電器柜面板

在界面左側(cè)視圖中，存放了所要進(jìn)行仿真教學(xué)的電路圖數(shù)據(jù)文件，點(diǎn)擊相應(yīng)文件可實(shí)現(xiàn)電路圖切換。點(diǎn)擊控制面板，設(shè)置控制變量，可改變電路的狀態(tài)。另外，點(diǎn)擊繼電器柜按鈕，彈出繼電器設(shè)置對話框，可以設(shè)置繼電器故障，實(shí)現(xiàn)故障教學(xué)。

3.2 電路教學(xué)的實(shí)時仿真

城軌列車的控制電路非常復(fù)雜，可根據(jù)其各自實(shí)現(xiàn)的功能分成很多獨(dú)立的模塊，如駕駛模塊、緊急制動模塊、照明模塊、門控制模塊等。在列車電路教學(xué)時，通常可將需講解的單個或多個電路模塊及其相關(guān)的電路圖集中放入文件中，利用這些圖形數(shù)據(jù)生成邏輯回路文件。仿真程序讀取回路文件后，依據(jù)邏輯控制算法得到各元件狀態(tài)并動態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)電路的實(shí)時仿真。

以上海地鐵3號線門控制電路為例，對門控制電路動態(tài)仿真進(jìn)行簡單介紹。上海地鐵3號線的門控制電路在喚醒狀態(tài)下執(zhí)行關(guān)門操作時的電路圖如圖5所示，可根據(jù)開關(guān)的開合以及線顏色的改變，了解門控制電路的控制機(jī)理。

圖5 喚醒狀態(tài)下的列車關(guān)門電路

門控系統(tǒng)通過電子門控單元接受到的內(nèi)部和外部信息來操縱，電子門控單元從列車門控制回路接受開門列車線、關(guān)門列車線和零速列車線指令，從門入口區(qū)域接受門關(guān)好、門鎖好、隔離開關(guān)、緊急解鎖開關(guān)狀態(tài)，并根據(jù)得到的信號進(jìn)行開門、關(guān)門、指示燈顯示、蜂鳴器等操作。

當(dāng)需要關(guān)閉左側(cè)車門時，按下左側(cè)關(guān)門按鈕DCPB1_A或者DCPB2_A。此時，左側(cè)開門接觸器DOK_A失電，接觸開關(guān)DOK_A斷開，解開自鎖，左側(cè)關(guān)門接觸器DCK_A得電，執(zhí)行關(guān)門操作。

4 結(jié)束語

該電路教學(xué)系統(tǒng)能夠便捷地輸入不同型號城軌列車的控制電路原理圖，快速自動生成仿真所需的邏輯仿真模型，且能直觀地反映列車電路內(nèi)部變化狀態(tài)，取代了傳統(tǒng)人工讀取電路控制關(guān)系再編寫成計(jì)算機(jī)邏輯的繁瑣易錯的開發(fā)過程，省時省力且具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和可移植性。不僅能夠用于列車電路原理教學(xué)，而且可以用于電路設(shè)計(jì)和電路邏輯驗(yàn)證等仿真。

[1] 鄭 云．AutoCAD計(jì)算機(jī)繪圖軟件二次開發(fā)技術(shù)與實(shí)例[M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 華 平，唐春林.城市軌道交通車輛電氣控制[M] .北京：學(xué)苑出版社，1993．

[3] 蔡自興.人工智能及其應(yīng)用[M] . 4版北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[4] 錢雪軍.機(jī)車控制電路邏輯控制模型分析與自動生成[J] . 鐵道學(xué)報，1995（2）：37- 42.