鐵路動態仿真模型原理與應用＊

鄒少凡，陳根龍，蕭以蘇，沈雨辰，王善釗

（1.南京鐵道職業技術學院 經貿學院，江蘇 南京 210031；2.南京鐵道職業技術學院 軌道交通實訓中心，江蘇 南京 210031）

鐵路動態仿真模型原理與應用＊

鄒少凡1，陳根龍1，蕭以蘇2，沈雨辰1，王善釗1

（1.南京鐵道職業技術學院 經貿學院，江蘇 南京 210031；2.南京鐵道職業技術學院 軌道交通實訓中心，江蘇 南京 210031）

鐵路動態仿真模型大多使用電力驅動，采用機車或動車組的蝸桿自鎖實現制動。控制方式可分為數碼控制和模擬控制。鐵路動態仿真模型應用領域廣泛，包括專業實訓、商業應用、個人娛樂。對鐵路動態仿真模型沙盤的建設方案進行比較，結果表明手動控制最容易上手但容易出錯，適合鐵路愛好者個人娛樂或由教師引導，學生為主體的教學活動。數碼半自動綜合性最好，適合一般的鐵路教學任務。數碼自動控制演示效果好，但是成本高、易損壞，適合無人值守的環境。

鐵路；動態仿真模型；沙盤；控制方式

鐵路動態仿真模型是將真實的鐵路線路、機車車輛動車組及信號、供電、站舍等其他鐵路設備按照一定比例縮小，采用塑料或者金屬制作，通過電力驅動模型列車運行，通過人工或自動控制道岔、機車或動車組運行。鐵路動態仿真模型沙盤既能夠靜態展示鐵路線路、機車車輛和動車組的外觀、構造，又能按照真實鐵路運營的標準和規范進行組合，直觀、生動、形象地展示鐵路運輸的真實狀況。鐵路動態仿真模型沙盤作為沙盤中一大分支，起源于國外，僅僅作為鐵路愛好者的玩具。隨著鐵路規模的擴大和技術的發展，鐵路動態仿真模型沙盤融入了豐富的現代電子、信號、機械等技術，逐漸向聲、光、電集成的多媒體電子沙盤方向發展。在中國，各鐵路局及相關鐵路專業高等學校，為了鐵路的創新實驗、設計建設和運營管理等諸多方面，紛紛設計、購置了鐵路沙盤，取得良好的效果。

1 鐵路動態仿真模型原理和控制方式

1.1 鐵路動態仿真模型的原理

鐵路動態仿真模型體積較小，同時出于安全考慮，不便安裝除小功率電源、電動機、集成電路板以外的設備，所以無論是蒸汽機車，還是內燃機車及電力機車或動車組，均采用電力驅動，電壓低于36 V的人體安全電壓，單臺機車或動車組模型功率不超過10 W。常見的鐵路動態仿真模型按比例可分為1∶43、1∶87、1∶160三種。1∶43模型體積較大，可內置蓄電池，也可外接電源供電；而其他2種模型體積較小，無法安裝電源，只能外接電源。模型機車或動車組若使用外接電源，絕大多數采取模型軌道供電的方式。模型軌道采用導電金屬制作，一側為正極，另一側為負極，機車則通過金屬車輪獲得電力，而車軸為絕緣材料。此外，道岔心軌處則采用絕緣材料，以防短路。因此，需采用多個車軸或轉向架取電，以避免模型機車或動車組通過道岔時無法受電而失去動力。對于電力機車或電力動車組，可使用模型接觸網供電，但是其可靠性不如軌道供電。模型車無法像真實列車那樣安裝氣動制動系統，且模型車大多為塑料材質，相比真車質量大大減輕，因此模型車利用模型機車或動車組動車蝸桿傳動的自鎖性來實現制動。

1.2 鐵路動態仿真模型的控制方式

1.2.1 按模型車控制類型來劃分

按模型車控制類型來劃分，控制方式可分為模擬控制和數碼控制。

1.2.1.1 模擬控制（DC，Direct Current）

模擬控制原理很簡單，就是調整模型軌道的輸出電壓，使得機車或動車組的牽引電機輸出功率發生變化，以達到加減速的效果。模擬控制歷史悠久，價格便宜，但是伴隨機車數量的增加，問題隨之而來，那就是如果軌道上有2臺或者多臺機車，一旦送電，所有的機車都會行駛，而且不同機車存在速度差，很容易造成模型列車追尾，同時會讓辦理客貨運、模擬控制無法實現。另外，模擬控制電壓電流穩定性差，容易給模型車的電氣系統帶來損害。

為了解決上述問題，數碼控制就誕生了。

1.2.1.2 數碼控制（DCC，Digital Command Control）

數碼控制的原理是，給模型軌道輸出恒定的電壓，以保證模型車順利運行，再通過數碼控制器向欲控制的車下達命令信號并加載在軌道上，擺放在軌道上的機車內數碼芯片通過車輪接收電信號，從而動作。也就是說，對于數碼控制的沙盤，軌道同時存在驅動模型車運行的牽引電流和指揮模型車運行的信號電流。數碼芯片又分為普通數碼芯片和數碼音效芯片。

1.2.2 按沙盤整體控制類型來劃分

按沙盤整體控制類型來劃分，控制方式可分為手動控制和自動控制。

1.2.2.1 手動控制

手動控制的沙盤是操作者通過控制器自由控制模型列車的運行狀態，摳動模型道岔手柄開關扳動。手動控制靈活性較高，可因材施教，針對性較強，但是對操作者的要求較高，操作者需要熟練、全面掌握鐵路系統的知識。同時，由于手動控制沙盤與真實鐵路有所區別，當手動控制出現意外時，要能將模型自主還原。

1.2.2.2 自動控制

自動控制的沙盤由計算機程序按照順序對模型列車和道岔進行控制，整個過程可無人值守，自動循環，安全有序地進行，但是購買自動控制系統的成本高，適用于參觀者人數較多且來源復雜的情況。

2 鐵路動態仿真模型應用領域

2.1 高等院校和鐵路企業實訓教學

鐵路動態仿真模型沙盤能全面、直觀地動態模擬營業鐵路中列車運行過程和狀態，以及鐵路各個工種之間的關系，使得培訓者足不出戶就能全面、細致地了解鐵路的各個方面。目前，很多鐵路院校和一些鐵路企業培訓基地，研制、建設鐵路動態仿真模型沙盤，用于鐵路調度、行車、信號等工種的培訓任務[1-2]。例如，鄭州鐵道職業技術學院的鐵路文化協會利用鐵路動態仿真模型沙盤，讓學生了解了鐵路上不同的編組，模擬了現實的行車狀況；北京交通大學運輸實驗中心[3]和福建鐵路機電學校[4]分別制作了京津城際線和杭深線福州—廈門段的動態仿真模型沙盤，用于模擬鐵路線路各種運營與調度功能。兗州煤業股份有限公司鐵路運輸處也建設了自己礦區鐵路的動態仿真模型沙盤，用于車務、電務、機務等工種的培訓任務[5]。

2.2 鐵路愛好者休閑娛樂

很多鐵路愛好者自行購買鐵路動態仿真模型，在自家搭建模型沙盤。三五好友聚在一起，拿出各自收藏的模型車編組成完整的列車，模擬鐵路運營。一般情況下，鐵路愛好者更愿意購買、收藏編組客車，這是因為客車涂裝鮮艷，編組豐富且對于大眾而言，客車是鐵路接觸較多的場所之一。

Bruce Williams Zaccagnino和妻子在美國新澤西州弗萊明頓花了44年建造了世界上最大的鐵路模型博物館，占地10 667 m2（16畝），100多輛火車、400座橋、3 000棟樓、50 000棵樹及50 000條街道，模型軌道長度達到12.8 km，被吉尼斯世界紀錄認定為“世界最大規模的鐵道模型”。國內也有不少地區性鐵路模型愛好者組織經常安排鐵路動態仿真模型沙盤運行。

2.3 餐廳、酒吧招攬顧客

現在許多餐廳、酒吧以及其他休閑娛樂場所使用鐵路動態仿真模型吸引顧客，提高收入。有的餐廳使用鐵路動態仿真模型，當作傳送帶運送食品飲料，更多的則是搭建場景，讓模型列車環狀運行，以延長顧客尤其是未成年顧客在店鋪的逗留時間，吸引其消費。日本東京中央區銀座的銀座全景酒吧，吧臺內嵌小型鐵軌，愛好者可一邊看火車模型蜿蜒行駛，一邊暢飲啤酒、紅酒等飲品。店內巨大的玻璃展示柜里還陳列著700多個待售的火車模型。齊齊哈爾一家自助餐廳使用鐵路動態仿真模型沙盤運送食品。

2.4 鐵路博物館展示

目前，國外一些鐵路博物館搭建鐵路動態仿真模型沙盤，向觀眾展示鐵路運行，并嘗試還原自己國家鐵路的真實背景，以達到宣傳鐵路文化的目的。

美國加利福尼亞州圣地亞哥鐵路模型博物館是世界上最大的室內鐵路模型博物館，從1935年至今的鐵路模型位于其中，讓游客可以一目了然地了解鐵路的發展史和鐵路系統的結構，加深對鐵路的了解。博物館從1982年對外開放以來，已有超過300萬游客參觀。

3 鐵路動態仿真模型建設方案比較

目前，市面上鐵路動態仿真模型沙盤建設方案有手動控制、半自動控制和自動控制3種。

手動控制：使用模擬或簡易的數碼控制器人工控制列車的前進、后退，排列進路則采用手工扳動模型道岔的形式。

半自動控制：將專門的數碼控制器與計算機連接，由操作者在計算機模擬的計算機聯鎖或者其他控制界面排列進路，而模型列車則可以自動運行，也可以由其他操作者控制。

自動控制：由計算機連接專門的數碼控制器，由管理者事先將模型沙盤運行圖輸入到計算機，由計算機自動控制沙盤上所有的模型列車和道岔，做到無人控制，無人值守運行。3種控制方式的對比情況如表1所示。

綜上所述，手動控制是最容易上手也是性價比最高的，但是人工手動控制出錯率高，適合鐵路愛好者個人娛樂或由教師引導，學生為主體的教學活動。數碼半自動綜合性最好，可以根據喜好進行手動操作和自動操作，適合一般的鐵路教學任務。數碼自動控制是利用軟件對模型進行全自動控制，沙盤搭建難度大，且模型與真實的鐵路設備存在一定差異，導致損壞概率高，后期維護成本較高，適合在博物館與餐廳、酒吧等場所等無人值守環境下使用。

4 結束語

現在，鐵路動態仿真模型不僅是高等學院和企業實訓的教學用具，還用來休閑娛樂及博物館展示。未來，鐵路動態仿真模型沙盤將被更好地應用于鐵路人才的培養和鐵路文化傳播，從而進一步促進鐵路設施的建設與發展。

［1］李紹斌，蔣大明.鐵路運輸沙盤綜合演練聯鎖系統的設計和實現［J］.中國鐵路，2005（6）：39-40.

［2］李國虎.鐵路沙盤道岔控制電路的設計與實現［J］.南京工業職業技術學院學報，2004（4）：29-30.

［3］周妍，周磊山.高速鐵路行車調度指揮一體化仿真實驗平臺設計與研究［J］.鐵道學報，2012，34（6）：1-5.

［4］李錦.CTC鐵道運輸教學沙盤系統設計研究［J］.福建廣播電視大學學報，2013（4）：80-83.

［5］李靜，徐先榮.模擬沙盤系統在礦區鐵路的培訓應用［J］.中小企業管理與科技，2015（12）：282.

U292.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.02.040

2095－6835（2018）02－0040－03

＊［基金來源］2017年南京鐵道職業技術學院大學生創新實踐項目

陳根龍（1963—），男，講師。

劉曉芳〕