城市軌道交通沙盤模型綜合設計＊

羅育輝

（廣州鐵路職業技術學院，廣東 廣州 510430）

軌道沙盤模型不僅在軌道交通運營單位中應用，在教育機構或各大專院校和職業培訓學院也得到了廣泛應用，該模型通過縮小隧道、火車、站臺等設備設施來仿真實際運營場景，以靜態形式呈現靜態地形、景觀、綠地、城市建設、橋梁、洞穴和水系等；以動態形式演示火車依據控制系統命令在沙盤上運行，實現仿真演練的目的，通過演練來提高人們對軌道交通的認識。由此可節省物質和財政資源，能夠產生重大的經濟和社會影響[1]。

安全是城市交通的基礎。模型核心的安全模擬是對列車的控制，如模擬行動、鐵路救援等。模型系統運行的最重要前提是通過分支和燈光準確識別附件的位置來控制模型系統。

“引導模式”功能已由機器[2]可編程邏輯（PⅠC）和單機完成；為了能夠在at-96 的幫助下為控制中心建造配電盤、燈泡和箭頭，已經為城市鐵路系統開發了一個綜合培訓系統。開發了DMV 控制的軌道交通控制系統作為控制點：信號輸出和道岔由工業管理局通過出口控制電源板和繼電器，用于驅動軌道上的電源電路，以確保列車反向運行，但實施管理機制具有成本高、完整性不足的特點，不利于推廣。文獻中開發的城市軌道交通ATC（automatic train control）仿真系統[3]用于通過調制解調器接收的交通流信號控制列車，控制箭頭、信號燈和列車定位，并使用單層計算機MSP430 在PC（計算機）端模擬和控制各個目標。其中一個控制面板集成了分布式控制和本地箭頭信號燈，導致現場電線移動，系統服務效率低。根據研究[4]，鐵路運輸開發的鐵路運輸綜合工作平臺提供機車管理。為此，C8051F330 用于提供點火裝置，并用于控制箭頭、聚光燈和帶有小光束的插座的位置。然而，由于機車動力轉向系統和網絡連接與干電池的組合是可用的，因此不以相同的方式進行比較。

1 列車模型控制系統設備基礎

列車模型控制系統設備主要包括列車模型、道岔、信號燈、道岔、列車定位裝置等。由于列車基本模型已經配備了解碼模塊，本節僅介紹了列車模型的數字指令控制原理，不再致力于列車解碼，并且不再詳細闡述列車模型的基本知識。

在列車模型控制系統中，模型列車通過金屬輪獲得加載到軌道上的驅動電流，提供了列車的速度和方向控制。

根據電流信號的不同，列車模型控制可分為直流直接控制（以下簡稱“DC”）和數字指令控制（以下簡稱“DCC”），但在同一間隔內，DC 不能獨立控制列車運行，存在缺陷，與小速度下列車運行不平整有關，因此DC 控制只能用于演示沙盤等場景。基于DC設計改進的DCC 控制機制，利用數字電流信號對列車模型進行控制，進入軌道。列車模型將軌道上的數字電流整流為驅動器，并通過解碼器接收列車地址、行駛方向和車速信號，提供模型列車的獨立控制。

當前的DCC 信號由二次信號調制，如圖1 所示。二次波的大小是根據不同比例的列車模型確定的，例如以HO 比例的列車模型對應的方波幅值為14.5 V。在方波電流信號中，短波表示的是1，其周期為116 μs，長波代表的是0，周期循環232 μs；延伸0 表示數據包的結束，周期循環在95 μs～9.9 ms 之間。

圖1 DCC 信號時序示意圖

數字指令控制（數據包由引導位、地址字節、信息字節、控制字節組成，其中指令位由1 位大于14 位、每個字節之間不大于4 位和0 位組成。DCC 信號不僅提供傳統的列車速度和方向控制、列車LED 和聲音控制、信號燈道岔解碼，它還允許對地址字節的變量進行解碼。

信號燈一般采用簡單的熒光二極管，通過開關輸出驅動器顯示的箭頭根據實際需要購買。因此，本文中不再進一步描述這一點。道岔轉換和列車位置確定以多種方式進行，因為它構成了列車模型控制系統的核心。下面分階段分析這些原則、優點和缺點。

模型系統的控制分支可以從屬于過渡和電磁位移。后出口由一個小型旋轉機器組成，該機器由鋼絲繩啟動，并由控制保護裝置的機構控制。缺點包括難以安裝控制裝置、故障的可靠性和難以并行時間。當2個電磁線圈連接到內部閉合彈簧上，且控制裝置適應旋轉驅動電流時，將發生電磁放電閉合，并將撥叉移向箭頭方向。開關變換器可以使用DCC 傳輸控制信息，然后通過專用解碼模塊或專用卡管理直接實現。

列車模型位置是列車位置反饋的檢測，是保證區間閉塞控制的基礎。主要采用機械微動開關、電流傳感器、光電傳感器、霍爾傳感器、干單簧管等工具。機械微動開關將機械觸點置于軌道上，以確定列車位置。該方法具有機械斷路器使用壽命短、接觸試驗影響列車運行等缺點。通過將軌道劃分為多個區段并確保不同區段的物理和電氣隔離來確定電流，當列車在區段內時，軌道電源可能導致該區段內軌道電流的變化，這將允許通過電流測量確定列車的位置。光電傳感器設計用于在軌道間隔內堆疊光電，當列車通過時，光電池到燈的信號反射到列車底部，通過信號調理電路產生0 或1 信號，信號調理電路可以判斷列車并確定其位置。霍爾傳感器類似于光電參數，當列車通過霍爾傳感器時，在列車后部安裝一個小磁鐵，由于磁場的變化，產生霍爾電位差，信號調整后產生0 或1信號。干單簧管還配備了一個小磁鐵在列車底部，當火車經過時，它會使單簧管的彈簧磁化，它被磁鐵吸引，轉化為吸力，并進入常開觸點狀態，以便通過數字輸入模塊對列車進行定向。單簧管具有結構簡單、體積小、使用壽命長、工作可靠等優點，已成為列車非接觸定位的主要方式。

在分析既有鐵路線路的需求和擴建的基礎上，開發了沙質車站的形式和回歸建筑風格。鐵路軌道一般分為車站和區段。車站設有客貨裝卸平臺。在進站進路上，根據正常折返運行的需要設置停車線，或在特殊情況下安排列車運行。在一些車站、車輛回流線、停車場車輛或中間站被遣返。

根據實際需要和軌道交通的實際配置，對沙盤模型覆蓋的A、B、C3 條線路設計了以下緩沖方案。

A 線由1 條自上而下的直線和5 個車站組成，均為島式站臺。A1 站下側設1 個交叉口，共有4 組道岔；A3 站有1 個帶有4 個箭頭的八角形出口；第5 段有交叉口和4 組道岔。正常情況下，列車在交叉口A1 和A5 車站運行。

B 線由1 條自下而上的直線組成，車站由6 條環線設計，其中B5、B6 站為側站臺，其余為島式站臺。從B4 站下側設置回流線，用3 個箭頭與正交線連接；在B6 站底部安裝1 條帶2 個箭頭的單線；列車在環B上運行，無需返回。

C 線由4 個車站組成，每個車站都是一個島式站臺。C1 站下部設置2 條折返線和2 條存儲線，分別位于2 條正交線的延長線上，2 條折返線由6 個箭頭組成的交叉過渡線連接；為了轉移到C4 站，安裝了1 個帶有4 組道岔的交叉口。正常情況下，C1 終點站列車采用單道岔和交叉口，C4 終點站列車采用交叉口辦理折返。

2 管理結構

根據實際軌道運動信號系統的工作原理，根據實際信號設備的配置，在沙地上設置信號設備、軌道電路、道岔、道岔等設備，模擬線路運行時真實報警系統設備的運行，并實現了沙地模型的仿真演示和教學功能。

沙箱本體的軌道、道岔、信號機、道岔機采用德國進口標準的1∶87 通用模塊。為了確保控制系統中車輛、線路、開關和信號機的控制，建議使用底部控制包（最初由奧地利Rocco 進口），以提供對車輛、線路、開關和信號機的控制。主要硬件組件如表1 所示。

表1 沙盤模型主要設備

沙箱控制功能主要由主控制器和子系統的分布式系統完成。主控制器和相應子項目的系統位于一條直線上，即3 個正交復合體A、B 和C。有3 個獨立的系統來降低系統的復雜性并提高系統的可用性。每個基本控制系統的總體結構由5 個軌道區段組成：一個車輛段中，每個軌道區段沿下降線通過，下降線分為2部分，每個部分與這2 部分隔離。列車可自動通過隔離區段，無需“相位交叉”特殊操作。

3 硬件設備

硬件設備主要包括配電二次系統和警察二次系統。配電二次系統包括道路分岔系統、信號子系統、反饋子系統和軌道電子系統，用于控制系統中的真實軌道模擬。

道路分岔系統包括道岔變流器殼體（含分岔節點）、雙線圈變流器、道岔譯碼控制器等。信號子系統。系統包括信號機外殼、信號解碼裝置、信號電源等。

反饋子系統，由8 路反饋模塊、車輛反饋傳感器和電磁鐵組成。車輛反饋傳感器來自控制總線中的編碼器。高級機器用于引入邏輯評估，這將是服務器區域反饋子系統。軌道電子系統，對于這種車型，每輛車都使用自己的電源，其中車輛分為2 部分，2 部分是分開的。列車應在無專用道岔或道岔的情況下自動運行。軌道電子學是主要的組成部分。

主控制裝置的模塊可分為外部模塊，用于車輛管理、數據傳輸和拆卸的建筑組件。各模塊與硬件控制緊密相連，確保整個砂體運動可控。

沙盒的硬件系統由3 個獨立的系統A、B、C 組成。系統由1 個主控制器、4 個放大器、多個指針、跨網絡解碼器和多個跨網絡編碼組件組成。主控制器負責與上位機通信，接收沙箱運動覆蓋命令。開關設備的控制代碼和信號代碼。主機也從收發器傳輸到反饋系統。控制中心連接到4 個放大器。在軌道上，6 列城市軌道交通提供4 個放大器。2 個車庫中有1 個放大器，主體部分有2 個放大器。

4 控制軟件

控制功能主要通過雙引擎計算機網絡將沙箱模型連接到本地和本地控制之間，并在車站狀態圖中顯示，接收操作員的控制命令，在驗證其合法性后，將其發送給沙箱主控制器執行。

管理軟件采用面向對象的C++語言編寫，并使用了廣泛的系統類庫。Vs2017 用作可視化編程環境中的可編程工具。

控制軟件按功能分類可分為視圖、通信和控制模塊。該模塊被描述為不同領域中的人類行為。它還反映了沙箱的狀態，并顯示了所述對象的效果。用于連接系統和quantum 以及Shan 設備的操作控制和采集的通信模塊；在收到操作員的命令后，模塊化設備控制對象的中心并模擬移動。

5 結語

經過技術開發、實驗室測試和現場測試，硬件運行相對快速可靠，砂石和硬件系統能夠快速準確地管理和維護，演示培訓高效，類似的項目值得仿效。