基于沙盤模型的多車自動運行控制系統設計

陸定中

[摘? ? ? ? ? ?要]? 針對當前多數城市軌道交通沙盤模型僅可單車運行進行模擬演示的不足，設計開發一種基于沙盤模型的多車自動運行控制系統，參照實際軌道交通信號系工作原理，實現聯鎖邏輯控制、列車位置檢測、列車運行控制以及外部通信等功能，最終達到在沙盤模型上多車自動運行的目標。

[關? ? 鍵? ?詞]? 軌道交通;沙盤模型;聯鎖;自動運行控制

[中圖分類號]? U284? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）48-0134-02

一、引言

目前，絕大多數城市軌道交通沙盤模型是由單車人工遙控運行或自動運行進行單線或單圈演示，與城市軌道交通實際多車追蹤運行情況相差甚遠，且未對信號機、道岔、軌道電路等模型信號設備按信號控制原理進行操控并以其來把控模型列車行車安全，演示效果較為乏味單一，不利于完整呈現城市軌道交通實際運營場景。

本文研究開發一種基于沙盤模型的多車自動運行控制系統，以沙盤模型為控制對象，采用軌道交通信號系統的設計思路，通過對沙盤模型中道岔、信號機、軌道電路、列車等硬件設備的集中操控，模擬真實軌道交通的多車追蹤運營的場景。系統接收操作人員運行指令后，根據實際信號系統工作原理進行邏輯處理，與沙盤模型硬件主控制器進行局域網通信，實現對沙盤硬件設備的狀態采集和安全控制，由沙盤主控制器控制模型設備動作，最終在沙盤模型上仿真演示聯鎖邏輯控制、列車位置檢測、列車運行控制等信號控制原理和功能，在實現多列車安全自動地在沙盤模型上運行的同時，更為形象、逼真地演示城市軌道交通信號系統工作原理以及相關運營場景。

二、沙盤模型概述

在分析現有運營方案特點的基礎上，對站臺布局、折返方式、線路組合進行了設計，為沙盤系統效果圖，整個系統設置3條獨立運行的線路，其中一條為環線（B線），一條為具有折返功能的長線路（A線），還有一條為短線路（C線）。A線由上下行各一條正線組成，設站5座，均為島式站臺;B線由上下行各一條正線組成，按環線設計，設站6座;C線由上下行各一條正線組成，設站4座，均為島式站臺。

三、聯鎖邏輯控制

在實際信號系統中獨立設置了“故障—安全”的聯鎖子系統，以實現聯鎖控制功能，受限于沙盤模型安全需求不太嚴苛以及沙盤硬件設備本身的控制條件有限，直接將聯鎖邏輯控制納入多車自動運行控制系統設計中，沙盤模型不再單獨設置聯鎖子系統。根據沙盤模型的應用需求與控制特點，比照實際信號系統中聯鎖設備的實際應用情況，多車自動運行控制系統實現的聯鎖邏輯控制功能主要包括以接收進路控制命令、聯鎖關系檢查、與主控制器通信等內容。

接收操作員的人工進路指令或由系統預先定義的運行線自動觸發的進路指令，以開始實施相應的進路控制動作。當系統接收到操作人員取消進路指令時，將原排列進路取消。

聯鎖關系檢查是聯鎖邏輯功能中的核心部分，通過進路控制的方式，在符合要求的情況下開放始端信號指示列車通過并通知列控系統發送對應的行車許可命令。在初始情況下，所有進路處于未建立狀態。收到進路指令后，根據預先定義的進路表，系統將逐一檢查進路相關聯的軌道區段空閑、敵對進路未建立以及道岔位置正確等信號開放的條件是否已被滿足。對于軌道區段，軌道區段的空閑狀態由系統通過與沙盤硬件設備的通信獲得;對于敵對進路，由系統將從自身定義的進路變量獲知是否有敵對的進路已被建立;對于道岔，當系統發現與進路相關聯的道岔不處于進路規定位置且未被鎖閉時，系統將向沙盤硬件設備發出一個控制指令，使道岔移動到所需位置。當上述條件均被滿足時，進路上的道岔會被系統鎖閉，這個動作由系統內部設置道岔的鎖閉標志實現。完成鎖閉之后，系統會通過主控制器命令開放相應進路始端信號，同時生成進路通過許可發送給主控制器，以指示進路已經建立，列車可以安全通過。當系統收到從主控制器傳來的進路內方軌道區段被占用，表示列車已開始進入進路，系統將命令關閉始端信號，同時記錄列車通過進路的軌道占用出清順序。當列車出清進路內最后一個區段時若檢測到軌道占用出清順序符合列車正常運行邏輯，將移除進路內道岔的鎖閉標志解鎖進路。自此一條完整的進路控制已經全部完成，可以進入對下一條進路的控制中。若軌道占用出清順序異常，將導向安全側處置即保持道岔的鎖閉狀態，需人工確認列車整列通過解除對應的故障鎖閉狀態。

四、列車位置檢測

在沙盤模型中，在軌道區段邊界處布置點式軌旁傳感器作為計軸點并通過反饋總線連接至主控制器，點式軌旁傳感器類似于光電門傳感器，被嵌套在鋼軌下方，鋼軌從傳感器的門式缺口中經過。當列車輪軸經過時依據門式缺口遮擋的變化輸出輪軸脈沖信號并被傳送至主控制器，主控制器根據收到的輪軸脈沖信號結合傳感器布置和對應軌道區段的關系計算各區段內輪軸數量。當區段內輪軸數量為零時，即判斷軌道區段處于空閑狀態，否則即判斷其處于占用狀態。

多車自動運行控制系統通過與主控制器的實時通信，獲取軌道區段占用出清狀態來檢測列車實際運行位置，并作為聯鎖邏輯控制、列車運行控制等安全邏輯處理的控制依據。

五、列車運行控制

根據沙盤硬件設計規格和工作原理，模型列車由主控制器根據多車自動運行控制系統的請求，通過沙盤上布置軌道電路發送啟動指令和停車指令。軌道電路是以線路的兩根鋼軌作為導體，兩端設置絕緣節并各接入發送端設備和接收端設備構成的電路。軌道電路的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，主要通過軌道繼電器接收到軌道電路電流的吸起落下情況來獲得軌道區段的占用出清狀態。在沙盤模型硬件設計方案中，列車位置檢測由計軸設備承擔，軌道電路僅作為主控制器向列車發送行車控制命令的通信媒介。

當模型列車被置于鋼軌上時在未接收到其他指令時保持靜止狀態，一旦列車從軌道電路接收到啟動指令模型列車即開始啟動，啟動指令無需持續發送，此后列車將保持恒速運行，直至從軌道電路接收停車指令以直接實施制動直至在本區段內停車，確保不越過區段邊界后方的危險點。

根據模型列車的控制邏輯，結合沙盤模型運行的安全需求，多車自動運行控制系統在經過安全邏輯處理后，利用與主控制器的無線局域網通信以特定協議要求向特定軌道區段發送啟動或停車指令，并由其處理后發送給位于該區段的模型列車來實現由多車自動運行控制系統對沙盤上模型列車的安全運行控制。

當多車自動運行控制系統根據操作人員的指令排列或占用進路接近區段后自動觸發相應進路并經過聯鎖邏輯運算后，若所有信號開放條件滿足后控制對應防護信號機點亮允許信號，同時會要求向相應進路的接近軌道區段發送列車啟動命令并撤銷相關聯區段之前用于防護的制動指令，指示在進路外方等候的列車可以啟動并安全進入進路內方運行，與此相應的多車自動運行控制系統會要求向進路終端最后一個軌道區段保持發送停車命令，列車在運行至進路末端區段接收到停車命令即會立即停車，不再繼續運行，從而確保列車運行安全。列車運行過程中經過的區段，在列車占用并出清后，重新恢復發送停車指令。

六、與主控制器通信

不同于實際信號系統聯鎖設備利用自身輸入輸出接口控制軌旁信號機、轉轍機等硬件設備，沙盤模型中的列車、信號機、轉轍機以及軌道電路等設備集中由主控制器操控，但其不具備聯鎖運算功能，這對沙盤上的列車運行安全是極大的控制風險，因此，基于沙盤模型的多車自動運行控制系統是作為沙盤硬件設備的上位控制系統，并不具備自身直接控制硬件設備或獲取硬件設備狀態的能力，需要通過與其建立安全可靠的雙向通信。

當由于進路控制等因素沙盤模型設備需要動作時，需經過多車自動運行控制系統的嚴格聯鎖邏輯檢查運算后才能向主控制器下發控制命令以驅動沙盤模型上的硬件設備安全動作，達到相應的進路控制要求，或在進路已正常建立的條件下通過軌道電路向列車發送啟動或停車指令，確保模型列車運行安全。此外，多車自動運行控制系統還通過與主控制器通信以實時獲得沙盤模型設備，例如軌道區段占用情況等設備實際狀態。

七、結語

本文詳細闡述了多車自動運行控制系統中聯鎖邏輯控制、列車位置檢測、列車運行控制等信號控制功能以及與沙盤主控制器進行雙向通信的基本需求和實現方式，為后續實現沙盤模型對軌道交通運營的全場景仿真設計積累了寶貴經驗。采用多車自動運行控制系統設計方案的沙盤模型經過設計開發、實驗室測試、現場安裝調試等相關工作后已經投入實際運用，取得了較好的演示效果。

參考文獻：

[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，2015（6）：39-40.

[2]何文卿.6502電氣集中電路[M].北京：中國鐵道出版社，2016.

[3]徐金祥，沖蕾.城市軌道交通信號基礎[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

◎編輯 鄭曉燕