探索從用戶需求出發的 地鐵運營仿真實訓系統構建

楊銘

摘 要：地鐵運營仿真實訓系統，是通過仿真微縮地鐵局部線路的相關軟硬件系統，實現行車指揮和調度、信號系統等相關專業的綜合聯調模擬訓練，或開展調車控制、信號局域網優化模式等課題科研的系統化平臺。最近幾年，由于其不影響地鐵正常運營、具有較高的實戰價值，一些地鐵公司和軌道交通院校開始對相關系統進行研究與引入。但是，由于該系統涉及專業范圍廣，且實現相同功能的原理與地鐵實際存在較大差異，會造成系統建設需求單位不能有效地把控如何進行體系設計、框架構建、過程控制、效果評價等問題。本文結合之前對地鐵仿真實訓系統的了解和研究，從通俗、簡單、更關注效果的通用性用戶需求角度，對系統內容及構建進行闡釋，希望能夠為相關需求單位提供借鑒和參考。

關鍵詞：用戶 需求 地鐵 運營仿真實訓系統

中圖分類號：F203 文獻標識碼：A 文章編號：2096-0298（2018）03（a）-014-03

1 研究意義

地鐵運營仿真實訓系統，是通過綜合運用與地鐵實際信號、通信、機電、軌道、供電、調度等系統原理迥然不同的技術、邏輯與方法，在某一局部區域模擬真實地鐵運作機理的載體。因此相關內容實際為地鐵專業范疇外的全新領域，簡單來說，就是“形似而神不似”。那么，如何有效地建設起該系統并使之符合應用需要呢？筆者在對之前建設過該系統的部分單位調研后發現，如果缺乏對該系統技術與知識的全面了解，那么與其東拼西湊、牽強附會，不如腳踏實地將用戶需求作為抓手，貫穿在系統設計、構建、控制、評價的全過程中。

另外，對于市場上各種不一的就該系統組成部分和運作機理的表述，本人認為，系統可直觀分為控制系統、硬件設施設備、軟件系統三個組成部分；而整個系統的運作機理，概括而言，就是通過控制系統，將硬件和軟件進行集成并模擬出地鐵實際運行狀態的過程。

綜上所述，本文就是從用戶需求的角度出發，對地鐵運營仿真實訓系統構建的論述，包括了系統定義及作用、建設前期需要明確和提供的信息、系統布局規劃信息、系統各組成部分及需實現功能等內容。

2 地鐵運營仿真實訓系統定義

運營仿真實訓系統是以地鐵線路為制作藍本，通過集成微縮的地鐵設備（及其載體，如沙盤）等硬件與模擬地鐵實際運行相關系統邏輯與功能的軟件，仿真地鐵運營中的各種狀態及各專業的聯動機制，作為以調度、信號專業為主的培訓、科研平臺。

3 地鐵運營仿真實訓系統作用

3.1 專業培訓、演練

地鐵運營仿真實訓系統具備調度、信號等專業系統培訓、演練作用，可令相關崗位員工以角色扮演形式，在實戰氛圍中加深對地鐵運營作業流程、調度控制等方面的認識。

3.2 科研

地鐵運營仿真實訓系統能全面展示列車在區間運動過程中，信號機和轉轍機之間的聯鎖管理，實現調車控制系統、微機聯鎖控制等內容，可為信號局域網研究、列車自動控制系統等技術研究課題提供實驗場地，有一定科研價值。

4 建設地鐵運營仿真實訓系統需要確定的前期信息

4.1 確定仿真制作對象

即制作藍本，如某城市某地鐵的某段/某區域線路。

4.2 仿真制作對象概況

即需進行仿真制作對象的基本物理屬性、主要特征、核心參數等內容。

4.2.1 線路

包括起點、終點、總長度、區間長度、布局方向、途經的重要坐標和建筑物、道岔（含正線、車場折返線）總數及位置、信號機總數及位置等信息。

4.2.2 車站

包括車站總數、地面車站及地下車站數、聯鎖站及分布等。

4.2.3 車輛段及控制中心

車輛段及控制中心位置、車輛段線路布局、車輛段主要建筑形態及分布等，其中的 道岔和信號機等設備在線路部分一并考慮。

4.2.4 列車

包括外觀、型號、車廂長度、每列編組數等。

4.3 系統環境

即系統需制作、安裝的場地等信息。

4.3.1 系統設置地點

即系統安裝的地點。包括了地點的空間開放程度、建筑結構及布局等內容。

4.3.2 現場條件

包括了設置地點的電源電壓和允許波動范圍、總電量、溫度區間、濕度平均值和極值、可承受壓力及重量、數據及通信接口情況等。

4.3.3 消防

即需參照或執行的消防要求與標準。

4.3.4 其他環境內容

（1）環境基礎建設。為保證系統安裝，對設置地點中的地板、燈光照明、空調、電線鋪設及電源接口、辦公桌椅等原有設備設施的盤點及調整、配置策略。

（2）綜合環境。應考慮設置地點所在區域的一般環境因素（如高溫、潮濕等），以對材質進行選擇。同時，應考慮到例如蟲蛀、鼠患等潛在問題。

5 地鐵運營仿真實訓系統布局規劃及相應要求

5.1 系統布局及造型

系統布局就是在綜合考慮系統各組成設備后，在空間中進行排列組合而呈現的狀態。這種布局與造型，還須考慮到檢修維護及人員進出動線等因素。

5.2 系統的規格尺寸

5.2.1 系統主體

包括系統離地距離、系統的平面寬度、正線、車輛段及折返線部分長度、寬度、面積及布局，地鐵線路及站點微縮在系統上比例與間距等。

規格尺寸設置應注意保證列車模型能完成可能需要的上坡、過彎等動作。

5.2.2 控制設備

即服務器數量、模擬控制中心及投影數據輸入功能所需電腦數。其中模擬控制中心需明確各計算機需實現的功能與控制范圍。在進行電腦設備規劃時，還需考慮到教師機（用于設置相應故障、指引故障排查、檢查故障處理等）與學生機（根據教師機指令，在系統局部實施相應操作和演練）的布局、配置。

5.2.3 配套設備

主要包括投影儀、投影幕/顯示屏等在天花及墻面的安裝與布置等相關內容。

6 用戶在構建地鐵運營仿真實訓系統時需關注的需求

6.1 地鐵運營仿真實訓系統控制系統需求

6.1.1 系統控制的總體策略

分級、分層控制。

6.1.2 系統控制機制

按照不同功能的控制要求設立各自相對獨立的處理器，利用適當的通信手段將分布的功能控制器連接起來，實現既集中又分散的集成控制系統。

6.1.3 局域網系統

一般而言采用星形結構。在相應服務器共同作用前提下，通過軟硬件的集成控制模式，基本實現與地鐵控制系統功能相匹配的架構體系。

（1）模擬控制中心。組成包括：數據庫服務器及通信服務器，列車遠程控制終端計算機，投影系統調監控制計算機，中心控制計算機（實現列車調度、運行圖編制/調整與發布、故障設置等功能），教師機（作為調度運行、操作權限授予與監控、故障模擬與演示示范等功能的總控平臺）。模擬控制中心監控屏幕采用投影機投影等形式實現，可完整顯示線路運行狀況及切換局部界面。

（2）車站（含聯鎖站）及車輛段。呈現控制中心與車站（尤其是聯鎖站）控制授權機制及LOW系統功能清單；展示車輛段操控列車、實現調度和故障模擬機制。

（3）系統拓撲圖。需明晰系統拓撲圖結構的最低配置要求。

6.1.4 計算機聯鎖仿真系統

該系統是以計算機為主要技術手段模擬車站聯鎖的信號設備。計算機聯鎖應具備大信息處理和聯網能力，能滿足仿真實訓系統中車站（車輛段）和運輸作業的需要。需明確以何線路采用何種系統為版本，建立計算機聯鎖仿真系統，總線采用工業何種總線開發通信協議。計算機聯鎖系統應至少滿足以下5個原則。

第一，需明確應滿足哪些國內/國際標準的有關技術要求。

第二，必須工作可靠并符合“故障—安全”原則。

第三，與其他設備進行通信，應遵循規定的通信協議。

第四，能與其他信號系統結合，并與其他信息管理系統交換數據。

第五，控制、展示方式簡便。

6.1.5 列車控制系統

系統一般會采用列車和控制中心雙向通信的控制模式，按照NMRA制定的DCC協議標準，可兼容多數列車模型芯片。列車控制系統應能模擬實現列車按計劃運行圖行駛，包括列車狀態顯示、通信、列車狀態保存、遙控控制、ATC（ATS、ATP、ATO）等模式控制仿真等功能。

（1）原理與要求。將控制信號通過數字軌道傳輸至列車中的控制芯片，始終保持列車與控制中心雙向通信，并以目標距離控制模式操控列車。

（2）需包括的內容。列車控制系統技術要求：采用的總控設備（如單片機），工業串口通信接受命令來源，控制命令轉換信號的原理及機制，信號的讀取、解碼、分析、執行，列車模型運行的位置與系統沙盤區域占用識別，模擬電氣設備控制。

列車控制系統控制設備要求：包含模擬控制中心總控設備接口協議、波特率、通信模式等，模擬控制中心載體驅動設備、列車模型總控設備、列車無線發送接收設備、列車模型位置信號讀取設備、信號放大設備的運作機制、有效距離，輸入信號及電壓、輸出信號、最大輸出電流、支持功能、支持通信協議、功能及電機輸出口最大輸出電流、相應狀態顯示等內容。

6.2 地鐵運營仿真實訓系統硬件（設施設備）需求

設施設備等硬件包含列車運行沙盤盤體、軌道線路、道床、列車、車站及車輛段建筑、接觸網、道岔與電動轉轍機、信號設備、模擬控制中心、學生機、投影機與投影幕、裝飾設置、其他配套設備設施等。其中，軌道線路、道床、列車、車站及車輛段建筑、接觸網、道岔與電動轉轍機、信號設備、模擬控制中心等，其實都是對實際設施設備進行微縮的模型，在陳述中不再另行標注。

在設計、制作、安裝中，總體需遵循安全、環保、人本的原則，設備應具有消防、安全合格證書、說明書等證明，安裝工藝應符合消防驗收標準及相應作業要求。總體上還需注意以下四點要求。

第一，軟硬件配套一致：如模擬控制中心操作平臺與系統軟件接口統一安裝。

第二，端口及相關設備配備齊全：根據實際需要，配置必要網絡端口，并采用相應交換機、電源模塊盒、語音網絡端口等。

第三，設備操作簡易：所用設施設備應易用，故障定位簡便，易維護。

第四，相關資料完備，應提供布線設計、施工圖紙以及竣工圖紙。6.2.1 沙盤盤體

沙盤盤體是作為系統硬件部分中包括軌道線路、道床、列車、車站及車輛段建筑、接觸網、道岔與電動轉轍機、信號設備、模擬控制中心等的載體；同時盤底布置相應的數據、電源線路等，支持盤面硬件的運行。

（1）沙盤臺面部分。需要關注采用的材質、骨架的垂直方向支撐構建（如方形鋼管尺寸）、橫向方向支撐構件（型號、標準）、盤面受重亢余度和承重數、防火標準及其他相關要求，如防蟲蛀、防潮、防鼠害、防漏電等。

（2）沙盤底層及裙邊。涉及底層部分密閉性要求、油漆噴涂處理標準、預留設備維修口、整體美觀要求等；裙邊材料及防火要求、裝飾板材質、工藝、保持良好狀態的年限要求。

（3）沙盤臺面圍邊。圍邊材質、表面處理、護欄外觀裝飾的布置及材質。

6.2.2 軌道線路

包括了制作藍本、供電方式和帶電電壓（若列車模型供電方式為軌道供電）、依據標準、軌道類型、運行狀態及連續運行時長、外觀、安裝要求、各部分（正線、車輛段及折返線）微縮比例等內容。

6.2.3 列車

即動力來源與供電方式、模型制作藍本與外觀、微縮比例、編組數、車輪材質及性能要求、標準依據、通信模塊、控制方式與精度要求、音效、接口類型與控制協議、總線協議與傳輸協議、操作系統、列車總數、同時在正線運行列車數、速度級別、工作電壓及電流等指標。

6.2.4 車站及車輛段建筑

（1）車站。包括要制作的車站數、各車站的形態（混合式、側式、島式）、微縮比例、制作建筑結構及設備模型內容、材質與外觀要求、燈光聯動效果、軌道/軌旁設備（如道岔、信號機等）聯動設置、維修與保潔要求、裝飾性內容制作要求。

（2）車輛段。即需制作的區域及建筑、燈光聯動效果、材質與外觀要求、微縮比例、拆卸及組裝的方式、維修與保潔要求等。

6.2.5 接觸網

接觸網不供電，可選擇以演示實際運行情況。

6.2.6 道岔與電動轉轍機

應注意布局位置（即線路微縮后的相對位置）與地址設置、微縮比例、制作數量、驅動機制、外觀要求、操作方法與聯動狀態、位置信息傳輸機制、制作材質、電壓變化范圍、控制與聯動等。

6.2.7 信號設備

一般以信號燈形態出現。包括按照專業規范形成的布局位置（即線路微縮后的相對位置）、制作數量、運作原理、拆裝要求、材質要求、外觀要求、安裝方式、接口類型、總線和控制協議、操作系統、工作電壓與電流等內容。

其中的運作原理，一般而言，包括了以不同分界點按進路式逐段開通、信號機與列車進出站動作聯動、道岔與信號機邏輯聯動、進出折返線列車與信號機聯動四個部分，也可根據實際調整。

6.2.8 控制中心及學生機

設備（如電腦）組成及功能分工、設備數量、各設備控制分別控制的系統設備與區域布局、安裝的位置與要求、硬件配置要求、候選品牌及型號、需配置的配件（如支架等）、需注意安全事宜等。

6.2.9 投影機與投影幕（或采取其他顯示形式）

應關注設備數量、安裝位置、安裝工藝、候選品牌或核心部件的規格參數要求、投影的功能與效果等內容。

6.2.10 裝飾設置

包括系統沙盤臺面部分的綠化草地布置、微縮實體控制中心、（除車輛段建筑外）其他標志性建筑等內容。可圍繞采用材質、展示風格、展示效果、展示形式等要求來考慮。

6.2.11 配套設施設備與其他

主要有電線與電源，其他弱電設備，數據傳輸線，燈具，元器件，設備接口的品牌、材質、規格，作業人員資質要求，作業標準，排列美觀性等內容。

6.3 軟件系統和功能需求

軟件系統包含仿真控制與調度模擬兩部分功能，能實現正線正常和后備模式的功能模擬及車輛段的聯鎖控制模擬，具體包含運行組織編制子系統、控制中心模擬子系統、ATP/ATO模擬子系統、LOW車站模擬子系統、列車駕駛模擬子系統、通信子系統、教學與故障模擬子系統等。

6.3.1 仿真控制與調度模擬

（1）仿真控制。仿真控制應實現的功能和要求，包括應能通過控制系統與沙盤聯動、能實現列車運行操作、具備可靠抗干擾技術和措施、符合行業有關技術標準和安全認證、硬件和軟件結構模塊化及標準化、具有對聯鎖設備監測功能等。

（2）調度系統。調度系統控制功能包括了三個方面。

第一，運行過程中，應能動態顯示計劃運行圖和實跡運行圖等功能。

第二，能夠實現列車行車調度。

第三，能夠模擬故障并監控、檢查相應的故障排查有效性。

6.3.2 運行組織編制子系統

運行組織編制子系統包括基礎數據管理、運行圖自動編制、運行圖調整、分號圖的編制及運行圖的分解等內容，主要解決列車班次計劃的優化，采用高低密度結合，分析不同客流條件下運輸組織方案的優化問題；可實現論證期運輸組織效果分析、實施期運輸組織計劃編制的用途。

該系統應具有可以快速調整和重新編制全部路網運行圖、指定區段的運行圖、節假日分號運行圖并對運行圖進行分解等功能。通過自動或人機交互的方式，生成列車運行圖。要求簡單、直觀、便捷地實現以下內容。

（1）構建路網。根據現有的路網結構及其邏輯關系、車站和區間平面圖，通過可視化編輯工具生成數字化路網結構。

（2）運行圖要素數據輸入。通過可視化工具，根據路網結構系統生成的路網，錄入所需運行圖要素數值并推算出各站、各區間、各線路的連接情況和相互連接關系，為運行圖鋪畫提供數據基礎。

（3）列車運行圖編制。在運行圖各要素和資料的基礎上設定運行圖結構、定義運行圖上運行的列車、輸入時刻表和完成運行圖編制。具體包括實時鋪畫列車運行圖、調入已經編制完成的運行圖、多人協同鋪畫運行圖等。

（4）基本運行圖的下發和實施。

6.3.3 控制中心模擬子系統

其要求可包括以下內容。

（1）操作界面應真實模擬制作藍本駕駛系統界面。

（2）現實中的列車自動控制系統功能均應予以實現。

（3）明確系統構成及列車運行的自動管理和監控功能，如根據聯鎖表、計劃運行圖及列車位置生成輸出進路控制命令，列車識別跟蹤、傳遞和顯示，對區間、道岔、信號機和列車監視，具備自動/人工運行切換、時刻表編制和管理、系統狀態顯示、列車運行及信號設備的監視和報警、實現/取消緊急停車、扣車/終止扣車等功能。

6.3.4 ATP/ATO模擬子系統

（1）ATP系統要求。模擬實際情形，實現包括提供列車速度保護、確保列車進路正確及列車的運行安全、防止列車超速運行、實現與相關系統的接口等目標。

（2）ATO系統要求。模擬實際情形，保證列車自動駕駛（如啟動、牽引、巡航、惰行）和制動的控制、精確停車、列車調整、列車識別等。

6.3.5 LOW車站模擬子系統

應在對制作藍本LOW操作界面進行仿真的前提下，實現中央故障或授權操作時LOW本地操作模式，進行進路、自動閉塞、道岔等控制，實現軌道空閑處理，對設備故障或重要信息給出提示。

6.3.6 列車駕駛模擬子系統

系統可對列車模型實施管理，顯示列車狀態，并運用Windows系統界面，對每臺列車實施手動操作控制，能正確顯示相對應列車在沙盤上的具體位置、列車車次號及車輛編組號，能實現列車反方向及雙向運行，能滿足精度定點停車等。

6.3.7 通信子系統

應注重對系統數據交換、將生成的數據存入后臺數據庫、保存系統初始及運行產生數據、承載各系統間數據轉換、接收并發布列車控制命令等功能實現。

6.3.8 教學與故障模擬子系統

教學與故障模擬子系統，應包括教師機監控系統、車站信號聯鎖站教學與故障演練、車輛段信號聯鎖站模擬教學與故障演練、行車組織演練、多崗位（調度、車站、司機等）聯合演練等一系列功能。

7 結語

本文通過從用戶需求出發，對地鐵運營仿真實訓系統中的控制系統、軟件系統、硬件系統建設需求及注意事項的盤點與羅列，在一定程度上，可啟發讀者形成系統建設的總體思路與框架，為相關實踐提供參考和借鑒。

參考文獻

[1] 胡華彬.高速鐵路列車調度指揮仿真實訓系統研究[EB/OL].維普網，2016.

[2] 王瑤.高速鐵路列車調度指揮仿真實訓系統研究[EB/OL].知網，2009.

[3] 成都鐵路運輸學校.成都鐵路運輸學校實驗室設備等采購項目[EB/OL].百度文庫，2011.