機車信號仿真教學系統升級研究

薄宜勇，賈英澤，羅惟洲，徐子軒

機車信號是設于機車駕駛室內的車載設備,通過安裝在機車上的感應線圈連續接收鋼軌上傳遞的移頻信息,經過調諧、解碼、放大后,控制車載電路,把地面信號的顯示狀態復示到機車信號燈上,并輸出運行指令到顯示裝置,以此作為控制機車運行的基本條件。機車信號設備具有保證行車安全,提高運輸效率及改善司機的勞動強度等作用,在我國鐵路已經得到廣泛應用。

1 機車信號培訓系統的現狀

既有的機車信號仿真培訓系統主要由一體化機車信號車載設備、信號頻率模擬發送箱和傳輸通道3部分組成。一體化機車信號主機含有人機界面顯示單元、8顯示信號機、安全信息綜合監測裝置（TAX2）、軌道信息接收單元等設備；信號頻率模擬發送箱由信號低頻、載頻發生器,LED控制面板設備組成；傳輸通道是鋪設的一段軌道電路。在培訓系統上,操作人員可手動操縱一體化車載設備上的司控器、大小閘來控制壓力及柴油機轉速的發送,并在模擬壓力表和LKJ顯示器上顯示相應的數值,同時機車信號接收軌道上傳來的低頻信號信息,經濾波、解碼放大后,點亮8顯示機車信號顯示器,并產生列車速度控制曲線,監督和控制機車安全運行。機車信號仿真培訓系統框圖見圖1。

圖1 機車信號仿真培訓系統框圖

目前,利用既有的機車信號仿真培訓系統在實際教學中主要存在以下問題,影響到教學的質量和效果。

1）在學院,多數學員都是初次接觸鐵路信號相關知識,而機車信號并不是單一的系統,它與地面車站信號、區間信號、值班員辦理進路、前方列車運行等多種因素有關。若單獨講解機車信號設備而沒有地面信號設備做參照,學員們就很難理解機車信號顯示與地面信號的關聯關系,以及低頻信息在本區間和相鄰區間的排列方式,列車接近、進站、出站地面顯示情況等。

2）既有的頻率發生器設計有自動、手動2種運行方式。在自動狀態時,發碼器按照既有設定的順序產生發碼頻率,信號在不同制式、不同載頻、不同低頻中跳動,教師無法進行有序的教學演示；當切換到手動狀態時,通過按壓面板上的12個按鍵,雖可手動選擇不同的載頻、低頻,但由于按鈕多、功能復雜,且需要多次重復按壓,使用極不方便,也同樣影響教學效果。

為此,迫切需要對既有的機車信號實訓設備進行升級改造,即在不改變現有設備功能的前提下,通過增加相應的軟硬件設施,擴展新的技術功能。

2 功能需求

2.1 鐵路運行全過程的仿真系統

利用軟件編制出一個具有復線區間線路的聯鎖車站,區間為雙線雙向無絕緣移頻自動閉塞制式,增加區間軌道電路及區間信號機顯示,并將車站上、下行線路區間連接形成閉環。在聯鎖車站仿真界面上,可以設置列車信息,模擬列車運行［1］。系統通過以太網通信接口與機車信號仿真設備連接,實現既有機車信號設備有機地融入到車站聯鎖仿真系統。車站聯鎖仿真系統需具備以下功能［2-3］。

1）在聯鎖界面上辦理接發車、引導以及調車作業,實現列車通過正常解鎖及人工故障解鎖能辦理道岔單鎖、封閉操作。

2）區間設有軌道電路區段和區間信號機,并可在站內正線及區間所有軌道區段,實現18信息低頻編碼的碼序值顯示。

3）實現自動閉塞方向電路功能,排列發車進路時自動改變線路運行方向,當出現“雙接”或區間軌道故障時,可以采取輔助辦理方式改變運行方向。

4）能夠與機車信號發碼器連接,由發碼器發送機車占用區段的低頻編碼值。

5）具有設置站內信號機斷絲、道岔斷表示、軌道電路故障占用等仿真功能；同時可以設置區間信號機斷絲、區間軌道電路占用、方向電路雙接故障等功能。

6）在仿真界面的線路上可以設置列車信息,操作人員可控制列車自動或手動運行。

2.2 機車信號頻率發生器改造升級

機車信號頻率發生器主要由控制面板電路和頻率發生器組成。控制面板負責選擇功能、設置頻率；頻率發生器負責產生移頻信息,并發送到鋼軌上。控制面板上有12個按鍵和2個LED顯示條,將手動操作改造為與聯鎖仿真系統連接,根據列車在線路的位置自動選擇設置頻率。同時將控制面板軟件化,即實現用鼠標點擊的方式,在電腦仿真界面上手動控制發送頻率信息,并能接收車站聯鎖仿真系統的編碼信息,控制頻率發生器設置頻率。

2.3 車站聯鎖仿真系統與頻率發生器接口

車站聯鎖仿真系統與頻率發生器采用串口或網絡（UDP）2種常用的通信方式,通信穩定,易于日常維護管理。具體連接方式見圖2。

圖2 車站聯鎖仿真系統與頻率發生器接口

2.4 軟硬件開發環境

在Windows平臺下,軟件開發采用面向對象的C#語言,通過提供大量的開發控件,輔助開發人員建立復雜應用；硬件采用單片機電路板。

3 設計實現

3.1 車站聯鎖仿真系統

車站聯鎖仿真系統以計算機聯鎖為基礎,運用軟件工程開發模式,進行模塊化、分層化設計［3］,從而保證系統具有廣泛的適用性和可維護性。根據對車站仿真系統的需求,系統可分為以下3個功能模塊。

1）車站聯鎖邏輯模塊,實現進路選擇、鎖閉、開放信號、解鎖等進路控制的全部過程。按照最新《鐵路車站計算機聯鎖技術條件》（TB/T 3027-2015）的內容要求,參考6502電氣集中電路控制邏輯特點［4］,可以把軟件細分為進路建立模塊、道岔模塊、信號模塊、區段模塊、人工及故障解鎖模塊等子模塊［5］。在有操作命令時,調用對應子模塊進行聯鎖邏輯運算,并且進行聯鎖進路處理。聯鎖邏輯運算流程圖和聯鎖進路處理流程圖分別如圖3,圖4所示。

圖3 聯鎖邏輯運算流程圖

圖4 聯鎖進路處理流程圖

2）操作顯示界面模塊,主要實現顯示站場圖形和下達操作命令功能。遵循模塊化設計方法,操作顯示軟件劃分為：站內站場/區間顯示、人工操作命令處理、自動模擬列車運行、與其他模塊通信等子功能模塊［5］,見圖5。軟件首先初始化站場圖形；再根據操作人員的命令,進行編碼后發送到聯鎖邏輯模塊；最后根據接收聯鎖的狀態信息,處理后不斷刷新整個站場界面。為了使界面顯示具有通用性,其包含的信號機、道岔、軌道區段、文字、按鈕圖形以及操作方式都按照國家鐵路局《車站計算機聯鎖操作顯示技術規范》的要求［5-6］進行規范性設計。

圖5 操作顯示模塊結構

3）故障設置模塊,見圖6。為了仿真軟件更貼近現場實際情況,聯鎖仿真系統需要有模擬信號設備故障的功能。具體分為信號、道岔、軌道、區間4大類,包括信號機斷絲及恢復、道岔斷表示及恢復、軌道電路故障、軌道停電、區間方向“雙接”設置等［7］。

圖6 故障設置功能模塊

3.2 頻率發生器改造設計

升級后的頻率發生器面板見圖7。控制部分開發設計分為面板仿真界面軟件和智能控制電路板2部分。

圖7 頻率發生器面板

仿真軟件界面完全仿真控制器面板,并增加了按鈕動作的記錄功能。該軟件接收聯鎖操作顯示軟件的碼序命令,同時也可用鼠標手動操作。智能控制電路板卡基于STM 32主控芯片的控制器開發,實現多路數據的采集和輸出。控制器包括通信模塊、繼電器I/O模塊、組態邏輯運算模塊等。智能控制電路板與仿真界面軟件采取RS-232串口通信方式。

仿真界面軟件與聯鎖操作軟件采用UDP網絡通信方式,操作表示主機每隔500 ms向編碼器界面軟件發送編碼信息。通信內容格式見表1。

表1 操作表示主機與編碼器界面軟件通信內容格式

4 功能應用

1）發碼功能演示。聯鎖仿真系統運行界面見圖8,在進站信號機顯示黃閃黃（USU）信號時,演示機車信號接收雙黃閃碼的情況,可在聯鎖仿真界面上辦理一條彎進直出（經過大號碼道岔側向）的列車進路,在S進站信號機外方S3JG區段設置機車占用,此時該區段發送低頻19.1（UUS）碼,同時自動控制機車信號顯示一個雙半黃色閃光［8］。

圖8 聯鎖仿真系統運行界面

2）聯鎖操作功能演示。在IAG設置故障,模擬進站內方區段第一區段發生故障后,再開放引導信號,此時需要在15 s內重復按壓引導信號,否則信號會關閉。

3）區間信號故障紅燈轉移功能演示。設置區間通過信號故障不能點亮,其后方通過信號機自動轉為紅燈狀態,相應碼序也跟隨變化。

4）區間改方操作演示。辦理改方操作有正常改方和輔助改方2種情況。正常改方時,需本區間無車且對方車站沒有辦理向該口的發車進路。例如向X口反向發車,檢查區間燈空閑,先按壓允許改方,再排列SⅡ至X的列車進路,區間就自動轉換發車方向。輔助改方辦理時,先設置區間某區段故障或“雙接”故障,然后對兩站進行輔助辦理操作完成區間改方［9］。

此外,通過聯鎖仿真系統,還可以進行調車進路辦理,進路總人解、故障解鎖、道岔單操單鎖、引導總鎖閉等基礎操作［10］,實現接發車培訓及非正常作業情況時的演練功能；同時,聯鎖仿真系統與機車信號仿真系統密切融合,形成聯動,為教師和學員創造出一個虛實結合、多場景的機車信號專業知識教學、實踐的環境。

5 結束語

經過改造的機車信號仿真系統,在充分了解既有設備的薄弱環節情況下,運用合理成熟的軟硬件開發技術,借鑒同類型系統設計開發的先進經驗,使用成熟的開發平臺和應用環境,使系統在功能和技術上保持先進性,為院校教學資源的優化配置、培養高素質和有創新精神的人才提供有力保證。通過在南京鐵道職業技術學院的實際測試應用結果表明,該系統達到既定的設計目標,取得了良好的教學效果。