基于重載列車(chē)多機(jī)同步操縱控制系統(tǒng)的機(jī)車(chē)仿真系統(tǒng)研究

袁 韜

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

基于重載列車(chē)多機(jī)同步操縱控制系統(tǒng)的機(jī)車(chē)仿真系統(tǒng)研究

袁 韜

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

介紹基于重載列車(chē)多機(jī)同步操縱控制系統(tǒng)設(shè)備而開(kāi)發(fā)的機(jī)車(chē)仿真系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)原則，在硬件上介紹仿真系統(tǒng)自身硬件和與多機(jī)同步控制系統(tǒng)相連的接口硬件，在軟件上介紹仿真軟件設(shè)計(jì)思路，并對(duì)仿真軟件進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

重載列車(chē)；多機(jī)同步操縱控制；機(jī)車(chē)仿真；列車(chē)仿真

以往機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)新模式的功能驗(yàn)證與試驗(yàn)，大部分都是在專(zhuān)用的試驗(yàn)線路或者利用運(yùn)營(yíng)線路的空閑時(shí)段進(jìn)行，這樣存在許多問(wèn)題：（1）受到現(xiàn)場(chǎng)條件的制約，系統(tǒng)相關(guān)功能的調(diào)試與修改過(guò)程比較復(fù)雜，缺乏靈活性，且試驗(yàn)規(guī)模通常都比較大；（2）功能檢驗(yàn)不徹底，因?yàn)橄到y(tǒng)的某些功能屬破壞性試驗(yàn)的范疇，不可能現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，進(jìn)而影響了試驗(yàn)的真實(shí)性，對(duì)某些重要的功能只能得出理論上的論證而存在安全隱患。而為了更好地對(duì)重載列車(chē)多機(jī)同步操縱控制系統(tǒng)中控制模式的研究，分析和掌握重載列車(chē)縱向動(dòng)力的傳播和分布規(guī)律，找到適合重載線路的控制參數(shù)和操縱方式，建立計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，作為研究重載列車(chē)多機(jī)同步操縱控制模式的工具是必不可少的。

經(jīng)過(guò)深入的方法調(diào)研和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了具有實(shí)用價(jià)值的重載列車(chē)多機(jī)聯(lián)控仿真系統(tǒng)，模擬出重載列車(chē)在控制設(shè)備操控下的運(yùn)行狀態(tài)，并以較少的人力和物力進(jìn)行了盡可能多的方案比較。重載列車(chē)多機(jī)同步操縱控制系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)分為機(jī)車(chē)仿真系統(tǒng)和列車(chē)仿真系統(tǒng)兩部分，機(jī)車(chē)仿真系統(tǒng)主要是用于模擬單臺(tái)機(jī)車(chē)的操作控制以及各種設(shè)備的狀態(tài)變化（機(jī)車(chē)狀態(tài)信息、機(jī)車(chē)擋位信息、機(jī)車(chē)速度等）；列車(chē)仿真系統(tǒng)主要用于模擬多臺(tái)機(jī)車(chē)編組完成后，列車(chē)編組中多臺(tái)機(jī)車(chē)共同牽引時(shí)，各機(jī)車(chē)間協(xié)調(diào)操縱時(shí)整列組合車(chē)列的運(yùn)行狀態(tài)以及編組中各個(gè)機(jī)車(chē)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)（車(chē)鉤力、速度、加速度、牽引重量等）。

本文僅討論機(jī)車(chē)仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究，而列車(chē)仿真系統(tǒng)不在本文討論范圍，不予涉及。

1 機(jī)車(chē)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

仿真的過(guò)程也是實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，還是系統(tǒng)地收集和積累信息的過(guò)程。通過(guò)系統(tǒng)仿真，能啟發(fā)新的思想或產(chǎn)生新的策略，還能暴露出原系統(tǒng)中隱藏著的一些問(wèn)題，以便及時(shí)解決。

本機(jī)車(chē)仿真系統(tǒng)通過(guò)特定的硬件和軟件，在計(jì)算機(jī)上模擬出機(jī)車(chē)的各種運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和操作的過(guò)程：（1）司控器操作；（2）制動(dòng)系統(tǒng)（包括空氣制動(dòng)和電阻制動(dòng)）；（3）實(shí)時(shí)速度；（4）牽引力（調(diào)速手柄級(jí)位電壓）；（5）鑰匙、電弓、主斷和輔機(jī)等的狀態(tài)輸出；（6）多機(jī)同步操縱控制設(shè)備的操作。

2 仿真系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的連接方式

2.1 單純軟件仿真

在不通過(guò)接口外圍硬件的情況下，只是單純的軟件仿真方式模擬系統(tǒng)邏輯運(yùn)算功能，即仿真系統(tǒng)與多機(jī)同步操縱控制系統(tǒng)組成的閉環(huán)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為邏輯運(yùn)算功能閉環(huán)）中不包括連接硬件。

采用這種方法可以使用TCP/IP方式或RS232方式將仿真終端與多機(jī)同步操縱控制系統(tǒng)相連。

單純軟件仿真方式使得仿真大閉環(huán)中不包括控制系統(tǒng)的硬件部分，所以仿真過(guò)程只能實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件（主要是邏輯控制方法部分）的調(diào)試，而無(wú)法檢測(cè)對(duì)組成多機(jī)同步操縱控制系統(tǒng)硬件的實(shí)際控制情況。

2.2 采用接口硬件

在仿真系統(tǒng)終端和控制系統(tǒng)之間采用連接硬件，并將控制系統(tǒng)全部納入系統(tǒng)控制功能閉環(huán)當(dāng)中。此種方式可以在整個(gè)仿真過(guò)程中檢測(cè)控制系統(tǒng)硬件的動(dòng)作情況，從而更全面地對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和監(jiān)測(cè)。仿真系統(tǒng)終端和控制系統(tǒng)接口硬件連接方式見(jiàn)圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)終端和控制系統(tǒng)連接圖

3 機(jī)車(chē)仿真的系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 系統(tǒng)硬件

機(jī)車(chē)仿真系統(tǒng)的硬件包括仿真系統(tǒng)自身構(gòu)成硬件以及仿真系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的接口硬件連接部分。

3.1.1 自身構(gòu)成硬件

在保證仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)性情況下，采用一臺(tái)仿真終端機(jī)（工控機(jī)）模擬一臺(tái)機(jī)車(chē)的方法；模擬各個(gè)牽引機(jī)車(chē)的實(shí)際走行情況，并具有顯示和記錄功能；同時(shí)將機(jī)車(chē)狀態(tài)信息傳送給多機(jī)同步操縱控制設(shè)備。

3.1.2 與控制系統(tǒng)的連接硬件

該部分硬件可根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際要求（包括控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)的類(lèi)型、位數(shù)和電壓范圍）進(jìn)行選擇。主要包括：脈沖量計(jì)數(shù)、模擬量、開(kāi)關(guān)量I/O、信號(hào)模擬轉(zhuǎn)換。

（1）脈沖量由脈沖量板實(shí)現(xiàn)：具有12通道16 bit定時(shí)/計(jì)數(shù)器，4路中斷源，12通道獨(dú)立的16 bit定時(shí)/計(jì)數(shù)器，16 個(gè)用于脈沖輸入和輸出的通道，工作電壓5 VDC，工作溫度：0～60 ℃。（2）模擬量由模擬量板實(shí)現(xiàn)：具有8通道單端模擬量輸入，一個(gè)12 bit分辨率的模擬量輸出通道，16個(gè)數(shù)字量輸入通道，16個(gè)數(shù)字量輸出通道，最大采樣速率為30 kbit/s，工作電壓5 VDC，工作溫度：0～60 ℃。（3）開(kāi)關(guān)量由開(kāi)關(guān)量I/O板實(shí)現(xiàn)：32 通道光電隔離數(shù)字量輸入，32 通道光電隔離集電極開(kāi)路輸出，邏輯高電平（DC）：5 V～30 V，邏輯低電平（DC）： 0 V～ 1 V，工作電壓5 VDC，工作溫度：0～60 ℃。（4）信號(hào)模擬由信號(hào)模擬盒實(shí)現(xiàn)：對(duì)應(yīng)顯示開(kāi)關(guān)量I/O板的32路開(kāi)關(guān)量開(kāi)入/開(kāi)出狀態(tài)。

3.2 系統(tǒng)軟件

3.2.1 軟件設(shè)計(jì)思路

（1）在不影響仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的前提下，盡可能地使仿真結(jié)果貼近重載列車(chē)運(yùn)行的實(shí)際工況；（2）提供、顯示和記錄盡可能多的可供技術(shù)人員參考的數(shù)據(jù)；（3）在仿真參數(shù)的設(shè)定上采取更大的靈活性，以方便對(duì)各種方案進(jìn)行比選；（4）提供對(duì)異常情況的模擬和報(bào)警功能；（5）界面簡(jiǎn)潔直觀，使用方便。

機(jī)車(chē)仿真系統(tǒng)的終端機(jī)通過(guò)接口硬件與控制系統(tǒng)相連，通過(guò)接口接收控制系統(tǒng)的指令，按照所給指令和列車(chē)仿真系統(tǒng)給出的整列車(chē)的各個(gè)受力單元的牽引力和車(chē)鉤力狀態(tài)信息對(duì)各個(gè)機(jī)車(chē)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、顯示和記錄；并將必要的狀態(tài)信息或控制信號(hào)通過(guò)接口傳回給控制系統(tǒng)，即仿真終端機(jī)程序與控制程序組成一個(gè)控制閉環(huán)，如圖2所示。

圖2 機(jī)車(chē)仿真系統(tǒng)與列車(chē)仿真系統(tǒng)關(guān)系圖

3.2.2 軟件簡(jiǎn)要說(shuō)明

本文介紹的是韶山SS3B型電力機(jī)車(chē)的仿真軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件模擬機(jī)車(chē)的控制操作和狀態(tài)參數(shù)，以達(dá)到驗(yàn)證多機(jī)同步操縱控制設(shè)備的功能。

仿真軟件的編程工具是Microsoft Visual Basic 6.0，軟件運(yùn)行的操作系統(tǒng)平臺(tái)是Windows 2000。

運(yùn)行機(jī)車(chē)仿真軟件后，最先出現(xiàn)一個(gè)界面，上面有4個(gè)按鈕，用于選擇機(jī)車(chē)的類(lèi)型（SS3B、SS4改）和位置（本務(wù)機(jī)、補(bǔ)機(jī)），當(dāng)點(diǎn)擊任意一個(gè)按鈕后，出現(xiàn)的界面如圖3所示，本界面是機(jī)車(chē)仿真軟件運(yùn)行時(shí)的主顯示界面。

圖3 機(jī)車(chē)仿真軟件界面

其中，界面的右下角有4個(gè)按鈕，分別是“仿真開(kāi)始”、“切為后車(chē)”、“暫停”和“連接”。

點(diǎn)擊“仿真開(kāi)始”按鈕，則仿真程序開(kāi)始運(yùn)行，開(kāi)始接收和發(fā)送操作指令；點(diǎn)擊“切為后車(chē)”按鈕，則機(jī)車(chē)仿真程序切換為后車(chē)狀態(tài)，同時(shí)按鈕變?yōu)椤扒袨轭^車(chē)”，再次點(diǎn)擊，則機(jī)車(chē)仿真程序切換為頭車(chē)狀態(tài)；點(diǎn)擊“暫停”按鈕，則仿真程序處于暫停狀態(tài)；點(diǎn)擊“連接”按鈕，則開(kāi)始通過(guò)網(wǎng)口連接列車(chē)仿真程序。

主界面的右側(cè)有16個(gè)按鈕，分別用于操作鑰匙、主斷、劈相機(jī)、通風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、制動(dòng)風(fēng)機(jī)、勵(lì)磁使能、前受電弓、后受電弓、磁場(chǎng)削弱的啟動(dòng)和關(guān)閉。當(dāng)某一個(gè)設(shè)備是處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，它右側(cè)的小方框是綠色的，反之，處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，則右邊的小方框是紅色的。

主界面的左側(cè)標(biāo)有“狀態(tài)檢測(cè)”狀態(tài)欄里，是機(jī)車(chē)仿真設(shè)備從多機(jī)設(shè)備回采的機(jī)車(chē)狀態(tài)信息，用于顯示鑰匙、主斷、劈相機(jī)、通風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、制動(dòng)風(fēng)機(jī)、勵(lì)磁使能、前受電弓、后受電弓、磁場(chǎng)削弱的開(kāi)啟和關(guān)閉的狀態(tài)，以及機(jī)車(chē)的檔位（前進(jìn)、后退）、級(jí)位（314、352），制動(dòng)狀態(tài)（緊急制動(dòng)、電阻制動(dòng)）。

中間的小方框?yàn)榫G色時(shí)，表示該設(shè)備是處于運(yùn)行狀態(tài)，反之，處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，中間的小方框是紅色的，而小方框右側(cè)的文字是該設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)文字說(shuō)明。

主界面的中間靠上部分有兩個(gè)表盤(pán)，左側(cè)的是速度表，右側(cè)的是列車(chē)管壓力表，分別顯示機(jī)車(chē)的速度和制動(dòng)狀態(tài)。

主界面的靠下部分是一個(gè)動(dòng)態(tài)速度曲線，用來(lái)顯示機(jī)車(chē)的實(shí)時(shí)速度曲線，圖上左側(cè)縱坐標(biāo)0～100表示速度值（km/h）。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了重載列車(chē)多機(jī)同步操縱控制系統(tǒng)的機(jī)車(chē)仿真系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)原則和方法，并給出了仿真程序的簡(jiǎn)要說(shuō)明。實(shí)踐證明，本仿真系統(tǒng)能夠很好地滿(mǎn)足重載列車(chē)多機(jī)同步操縱控制系統(tǒng)設(shè)備的調(diào)試要求，簡(jiǎn)化多機(jī)設(shè)備的調(diào)試過(guò)程，降低調(diào)試難度，為重載列車(chē)多機(jī)同步操縱控制系統(tǒng)設(shè)備的科研開(kāi)發(fā)提供了保障。

[1]陸 偉，馬 欽.高速列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的應(yīng)用[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2002，26（6）：36-38.

責(zé)任編輯 方 圓

Locomotive Simulation System based on Multi-motor Synchronous Control System for heavy haul train

YUAN Tao
( Beijing National Railway Research & Design Institute of Signal & Communication Ltd., Beijing 100073, China )

This paper introduced the design principle of the hardware and software of Locomotive Simulation System based on the Multi-motor Synchronous Control System for heavy haul train, the interface which connected the Simulation System to the Multi-motor Synchronous Control System, the design of simulation software, explained the simulation software brief l y.

heavy haul train; multi-motor synchronous control; locomotive simulation; train simulation

U264.911∶T39

A

1005-8451（2015）08-0009-03

2014-12-24

袁 韜，工程師。