城軌列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

南 洋

（長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130033）

目前，符合國(guó)家建設(shè)地鐵標(biāo)準(zhǔn)的城市，國(guó)務(wù)院已經(jīng)批準(zhǔn)了39個(gè)，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到50個(gè)左右，總規(guī)劃里程達(dá)7000km，是目前總里程的4.3倍。快速發(fā)展的軌道交通，保障其高效、安全、可靠運(yùn)營(yíng)的根本就是列車(chē)控制系統(tǒng)，而列控系統(tǒng)離不開(kāi)軌道交通信號(hào)及控制專(zhuān)業(yè)相關(guān)技術(shù)人員的努力。因此，培養(yǎng)大批具有應(yīng)用技術(shù)能力及創(chuàng)新思維的專(zhuān)業(yè)人才成為高職教育責(zé)無(wú)旁貸的重任[1]。列控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)維護(hù)人員的需求量和職業(yè)技能水平也不斷增加，高職院校需要開(kāi)發(fā)適合職業(yè)崗位技能需求的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的鞏固和對(duì)職業(yè)技能的培養(yǎng)，滿足實(shí)踐教學(xué)需求。

1 城軌列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制

城市軌道交通系統(tǒng)中，有效提高列車(chē)運(yùn)行效率并且保證列車(chē)運(yùn)行安全是系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的首要任務(wù)，而確保上述功能實(shí)現(xiàn)的方式就是城軌列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制技術(shù)（Automatic Train Control，ATC）。其以車(chē)載信號(hào)為主體信號(hào)，根據(jù)地面?zhèn)魉偷乃俣然蚓嚯x等信息，自動(dòng)控制列車(chē)的運(yùn)行，是保證列車(chē)運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)行車(chē)指揮和列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)化，提高運(yùn)輸效率，減輕運(yùn)營(yíng)人員勞動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)鍵設(shè)備，是一套完整的管理、控制、監(jiān)督系統(tǒng)[2]。

根據(jù)城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)的發(fā)展，目前我國(guó)應(yīng)用的列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)主要有基于軌道電路的列車(chē)控制系統(tǒng)（Track Circuit Based Train Control，TBTC）和基于無(wú)線通信的列車(chē)控制系統(tǒng)（Communication Based Train Control，CBTC）。TBTC系統(tǒng)技術(shù)成熟，安全可靠，但由于TBTC系統(tǒng)基于軌道電路來(lái)檢測(cè)列車(chē)位置并向列車(chē)發(fā)送控制信息，其軌道電路在性能和功能上存在缺陷和限制。CBTC是新型的城市軌道交通ATC系統(tǒng)，包括采用感應(yīng)環(huán)線和無(wú)線通信的CBTC系統(tǒng)[3]。

2 城軌列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 ATC系統(tǒng)技術(shù)革新推動(dòng)職業(yè)技能培養(yǎng)水平提高

隨著科技的不斷發(fā)展，ATC系統(tǒng)也從傳統(tǒng)的基于模擬軌道電路的ATC系統(tǒng)發(fā)展到基于數(shù)字軌道電路的ATC系統(tǒng)，再到現(xiàn)在的基于無(wú)線通信的CBTC系統(tǒng)，而未來(lái)互聯(lián)互通的CBTC系統(tǒng)將成為我國(guó)列車(chē)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

為了更好地滿足現(xiàn)代學(xué)徒制建設(shè)需要，完成企業(yè)對(duì)學(xué)徒的用工需要，城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生需要通過(guò)實(shí)踐課程的實(shí)際動(dòng)手操作，了解城軌ATC系統(tǒng)不斷變化的新技術(shù)。但是，目前我國(guó)有關(guān)列控系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)和培訓(xùn)的設(shè)備較少，各高等院校相關(guān)設(shè)備列控功能體現(xiàn)不全面，且針對(duì)性較差，使學(xué)生尚不能完全掌握相關(guān)崗位工作內(nèi)容，也無(wú)法提高他們的實(shí)踐動(dòng)手能力。因此，為跟上ATC系統(tǒng)技術(shù)革新的步伐，更好地提高學(xué)生職業(yè)技能水平，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)滿足實(shí)踐教學(xué)和培訓(xùn)需求的列控系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)已經(jīng)迫在眉睫。

2.2 城軌列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)自主開(kāi)發(fā)，性價(jià)比高

目前，我國(guó)列控系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格昂貴，動(dòng)輒上千萬(wàn)元一套，而且國(guó)外公司列控系統(tǒng)核心技術(shù)受知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，處于保密狀態(tài)。對(duì)于高職院校而言，價(jià)格如此昂貴，如果作為學(xué)生實(shí)踐教學(xué)設(shè)備，一次性投入過(guò)大，性價(jià)比較低。而通過(guò)自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)列控實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，可以大大節(jié)省資金，同時(shí)可以通過(guò)仿真教學(xué)來(lái)為高職院校學(xué)生和企業(yè)員工提供技術(shù)培訓(xùn)，除了實(shí)現(xiàn)教學(xué)應(yīng)用外還具有一定的社會(huì)服務(wù)功能。

2.3 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)對(duì)接企業(yè)需求，針對(duì)性強(qiáng)

傳統(tǒng)城市軌道交通通信系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備主要以沙盤(pán)演示及通信、信號(hào)設(shè)備實(shí)物操作為主，普遍通用化設(shè)計(jì)且功能展示以結(jié)果為主，缺少針對(duì)性。基于企業(yè)實(shí)際需求的設(shè)計(jì)理念來(lái)進(jìn)行列控實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，可以充分吸收已有相關(guān)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼顧實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性及可操作性。在滿足行業(yè)、企業(yè)對(duì)信號(hào)段、通信段工作人員的職業(yè)技能需求基礎(chǔ)上，與理論課程相適應(yīng)、與學(xué)生層次相適應(yīng)、與崗位技能相適應(yīng)，力求通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)踐操作和過(guò)程演示，讓學(xué)生通過(guò)觀察現(xiàn)象及動(dòng)手實(shí)際操作實(shí)現(xiàn)對(duì)理論知識(shí)的鞏固，從而實(shí)現(xiàn)“學(xué)徒”的職業(yè)技能培養(yǎng)。

3 城軌列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)長(zhǎng)春軌道交通集團(tuán)有限公司所提出的職業(yè)技能需求，該實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)可用于實(shí)現(xiàn)輔助專(zhuān)業(yè)多門(mén)理實(shí)一體課程及專(zhuān)修實(shí)踐課程中相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程及實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)踐教學(xué)。

城軌列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)主要由信號(hào)仿真教學(xué)模塊和通信真教學(xué)模塊兩部分組成，如圖1所示。兩套系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際教學(xué)需要單獨(dú)啟動(dòng)某一系統(tǒng)，或者可以兩者聯(lián)合啟動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)要求。該實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)采用虛實(shí)結(jié)合的方式，通過(guò)真實(shí)設(shè)備和虛擬仿真相結(jié)合，更加立體地呈現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)相關(guān)功能。

圖1 列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)

3.1 信號(hào)仿真教學(xué)模塊

城市軌道交通列控系統(tǒng)中，不論是TBTC系統(tǒng)還是CBTC系統(tǒng)，其信號(hào)系統(tǒng)都肩負(fù)著保護(hù)運(yùn)行列車(chē)的運(yùn)行安全，提高列車(chē)運(yùn)行效率的重要使命。對(duì)于信號(hào)段工作人員來(lái)說(shuō)，需要掌握其主要基礎(chǔ)設(shè)備的日常維護(hù)與檢修、聯(lián)鎖系統(tǒng)的日常維護(hù)及車(chē)載設(shè)備的調(diào)試與維護(hù)等工作內(nèi)容，并具備相關(guān)實(shí)際操作技能。

為培養(yǎng)城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生相關(guān)職業(yè)能力，通過(guò)信號(hào)仿真教學(xué)模塊的基本控制功能可以集中展示各信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備的聯(lián)鎖關(guān)系，并可以單獨(dú)展示各自的工作過(guò)程，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備性能測(cè)試的操作。此外，此實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)還可對(duì)列控系統(tǒng)的功能進(jìn)行仿真。

例如，信號(hào)仿真教學(xué)系統(tǒng)具備的主要功能設(shè)計(jì)有：通過(guò)信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備的不同狀態(tài)表示進(jìn)路位置及開(kāi)通狀態(tài)；通過(guò)接收信號(hào)控制命令驅(qū)動(dòng)相關(guān)信號(hào)設(shè)備動(dòng)作，如信號(hào)機(jī)、道岔的控制等，學(xué)生可以了解信號(hào)系統(tǒng)控制命令執(zhí)行過(guò)程；可設(shè)置進(jìn)路故障，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)分路不良、“紅光帶”誤顯示等故障進(jìn)行分析處理；能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)設(shè)備相關(guān)電氣性能測(cè)試，提高學(xué)生對(duì)地鐵現(xiàn)場(chǎng)日常巡檢工作流程的熟練度；能夠通過(guò)信號(hào)仿真平臺(tái)進(jìn)行ATO系統(tǒng)的模擬和ATS系統(tǒng)的模擬等。

3.2 通信教學(xué)模塊

城市軌道交通通信系統(tǒng)是指揮列車(chē)運(yùn)行、公務(wù)聯(lián)絡(luò)和傳遞各種信息的重要手段，是保證列車(chē)安全、快速、高效運(yùn)行不可缺少的綜合通信系統(tǒng)[4]。通信系統(tǒng)是列車(chē)自動(dòng)控制的基礎(chǔ)設(shè)備，一方面負(fù)責(zé)傳輸各種控制指令和行車(chē)信息，另一方面實(shí)現(xiàn)全線各個(gè)系統(tǒng)的通信與聯(lián)動(dòng)工作，因此數(shù)據(jù)互通是信號(hào)模塊與通信模塊設(shè)計(jì)的首要要求。對(duì)于通信段工作人員來(lái)說(shuō)，除了需要掌握車(chē)-地通信傳輸系統(tǒng)（包括有線通信和無(wú)線通信）的基本工作原理及工作過(guò)程以外，還應(yīng)該掌握專(zhuān)用通信設(shè)備的日常維護(hù)及常見(jiàn)故障處理方法，并具備相關(guān)實(shí)際操作技能。

為培養(yǎng)城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生相關(guān)職業(yè)能力，通信系統(tǒng)仿真平臺(tái)主要展現(xiàn)傳輸系統(tǒng)的工作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)有線通信和無(wú)線通信，通過(guò)仿真平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)性能測(cè)試。此外，此平臺(tái)還可通過(guò)添加擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)其他通信子系統(tǒng)功能展現(xiàn)，如PA系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)等。

例如，通信仿真教學(xué)系統(tǒng)具備的主要功能設(shè)計(jì)有：能夠通過(guò)有線通信和無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)車(chē)地雙向通信，可通過(guò)平臺(tái)修改行車(chē)信息從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的控制；能夠通過(guò)傳輸系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)其他通信子系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)功能展示等。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通系統(tǒng)快速發(fā)展的背景下，列控系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，系統(tǒng)維護(hù)人員的需求量不斷增加，其職業(yè)技能水平要求也不斷提高。設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)城軌列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制教學(xué)系統(tǒng)，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的鞏固和對(duì)職業(yè)技能的培養(yǎng)，滿足實(shí)踐教學(xué)需求。該系統(tǒng)可適用于城市軌道通信信號(hào)技術(shù)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)工作，可對(duì)信號(hào)工、通信工進(jìn)行專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)。