微型軌道交通科普展示系統設計與實現

李立明＊ 鄭凌鶯

（1．上海工程技術大學城市軌道交通學院，上海201620；2．上海工程技術大學科研處，上海201620）

0 引言

截至2020年年底，全球已開通運營城市軌道交通系統共計有77個國家和地區，總里程超過33 346 km，其中我國內地已有上海、北京、廣州等45座城市開通城市軌道交通系統運營總程達7 978.19 km，其中上海以834.20 km運營里程居世界第一[1，2]。“十四五”期間，軌道交通將繼續在全國多個城市迎來發展機遇，軌道交通將由出行的公共交通工具，轉變成匯聚生活要素、傳播城市文化品牌的服務載體平臺。對軌道交通相關技術的掌握與應用，將成為引領區域經濟發展、推動社會進步的新動能。而公民的良好科學素質養成與推動科技創新與進步相輔相成，同時科學素質也是廣大公民應具備的最基本的對科學技術的一種理解能力，公民的科學素質是國際科技進步、提高創新能力和國際競爭力的重要基石[3-5]。城市軌道交通科普是推動城市軌道交通事業發展、提高公民良好科學素質的重要手段，是傳播軌道交通科技的重要載體，對提高公民科學素質、認識城市軌道交通科學技術，推進經濟、科技與社會的和諧發展具有重要的現實意義。

軌道交通類的科普資源，如圖像掛冊、動畫/漫畫作品、鐵路博物館、科普知識講座等，雖然類型較多，但數量少，而其中多數資源主要是描述鐵路/高鐵的發展進程及相關安全知識；綜合類的鐵路博物館有北京鐵道博物館、上海鐵路博物館、沈陽鐵路博物館等，且數量較少；而城市軌道交通（地鐵）的博物館只有上海地鐵博物館1家，難以滿足社會公眾對城市軌道交通科普知識的需求[6，7]。目前分布于一些高等院校的城市軌道科普基地主要采用基于沙盤模擬展示軌道交通運行場景，而軌道交通沙盤存在投入大、占地面積大、維護工作量大、不易移動等缺點，由于價格高導致參觀者只能觀看“多車行車表演”，注重場景的再現而忽略了軌道交通各子系統的科普功能展示，同時在科普過程中缺少一種寓教于樂的互動式體驗。因此亟須開發一種并有別于傳統固定式軌道交通模擬沙盤，融合了趣味性與功能性的可移動式微型軌道交通科普系統。基于該系統可以實現移動式軌道交通科普展示，從而突破傳統軌道交通模擬沙盤空間的局限性，實現科學性與教育性、綜合性和趣味性的結合，引導大眾對軌道交通技術的理解。

1 城市軌道交通系統簡介

與傳統鐵路不同，城市軌道交通系統是指服務于城市客運，以軌道運輸為主要技術特征的交通方式，具有運量大、速度快、安全準時、節能環保等優點[8]，常被稱為“綠色交通”。城市軌道交通制式結構呈現多樣性，常見的有地鐵、輕軌、中低速磁浮交通等系統。同時城市軌道交通又是涉及多專業、多工種的復雜系統。為保證安全行車，在集中調度、統一指揮原則下，土建、車輛、通信、信號、綜合監控、機電設備及消防系統多專業、多工種密切配合工作，進行時效性極強的有序聯動[9]。

在所有系統中信號系統是關系到整個軌道交通運營安全的核心，也是與乘客安全關系最為密切的。本系統以科普軌道交通信號系統知識為核心，向公眾普及日常乘車可接觸到的一些比如信號機、站臺信標、道岔等軌旁設備知識，同時輻射區間閉塞（區間停車）、站臺對位停車、折返作業、線路組成、軌道交通車輛等軌道交通基礎知識，使越來越多的人了解軌道交通，鼓勵越來越多的人綠色出行，為“一帶一路”建設培養人才。

2 系統方案設計與實現

為實現科普講解的靈活性、便攜式要求，同時涵蓋到軌道交通信號系統中軌旁關鍵設備如信號機、轉轍機、信標等，該系統采用國際標準N比例（1:160）模型設計軌道交通線路結構，使其具備基本的軌道交通運營結構要素，體現信號機狀態變化、道岔定位/反位操作、進路排列、調車作業、列車折返作業等多種運行工況，具體實施方案如下：

（1）具有基本的軌道交通運行演示功能（可交互式操作），如車庫調車、正線行車、到站停車等，具有一定的ATC的功能，構成軌道交通行車調度的科普知識點要素。

（2）線路形式可滿足不同形式的調車作業，需包含多種渡線結構元素（如交叉渡線、單渡線等），可滿足站前折返、站后折返作業，構成線路結構的科普知識點要素。

（3）軌旁設備結合線路結構設置信號機、道岔、信標等，同時采用軌道供電，可模擬實現軌道電路區間占用、區間空閑狀態，信號機、道岔與進路實現聯鎖關系，根據操作實現道岔定反位的操作以及信號機（紅燈、綠燈）狀態的顯示，構成軌道交通信號系統的科普知識點要素。

（4）車輛采用國際標準N比例進行設計，含有車輛轉向機結構、車底通信模擬天線、車頭信號機以及車地通信顯示屏等，構成車輛系統的科普知識點要素。

整個微型軌道交通系統科普展示系統，如圖1所示，包括2個虛擬站、1條存車線（車庫）、1段轉換軌、3組道岔區域以及多段軌道電路區域，主要仿真軌旁設備包括軌道電路、轉轍機、信號機、道岔、有源/無源應答器信號設備，同時包含一節含“車載控制器”的列車如圖2所示，整合系統構成了一個微型的多要素的軌道交通系統。

圖1 系統線路結構示意圖

圖2 微型軌道交通科普展示系統及知識點矩陣

3 軌道電路互動式科普體驗項目

軌道電路是軌道交通信號系統的重要基礎設備，其性能直接影響行車安全和運輸效率。如圖3所示，軌道電路是以軌道的兩根鋼軌作為導線（導體），在其兩端設置絕緣節，同時各接入發送端設備和接收端設備構成的電路。其中發送端設備由軌道電源、限流電阻和變壓器等組成；接收端設備由軌道繼電器、限流電阻和變壓器等組成[10，11]。當軌道上無車駛入時，軌道繼電器得電吸起，信號機顯示綠色，表示軌道空閑；當軌道上有車占用時，軌道繼電器失電落下，信號機顯示紅色，表示軌道占用。

圖3 軌道電路科普知識點講解示意

利用該科普系統，結合萬用表，采用互動式測量軌道繼電器的得電、失電電壓。如圖4所示，當2BG軌道區段無車占用時萬用表顯示電壓為4.94 V，繼電器得電，信號機顯示綠色；當2BG軌道區段有車占用時萬用表顯示電壓為0.086 V，繼電器失電，信號機顯示紅色。通過這種互動式的科普講解，讓參與者自手動手，身臨其境、寓教于樂中達到了傳播知識的效果。

圖4 軌道電路原理演示

4 總結與展望

微型軌道交通科普展示系統，集成了軌道交通技術的多種元素，集專業性與科普性為一體，既能體現專業知識又能在互動式科普講解過程提高觀眾參與度，達到傳遞知識的目的。本系統有以下特點：

（1）將龐大的軌道交通系統微型化（1:160）、可移動化，打破了軌道交通系統科普傳播的空間限制，使軌道交通科普傳播變得更加靈活，更加貼近公眾。

（2）將軌道交通專業知識直觀化、具體化、形象化、娛樂化，便于公眾接受與理解。

（3）擺脫了以往科普設備功能演示的定式化，本系統可針對不同的受眾對象設計不同的科普內容，開放出不同的參與度權限，靈活性更強，觀眾的參與度也更高。