地鐵實訓教學沙盤聯鎖系統軟件設計

摘要：為進行軌道交通仿真教學，提高軌道交通專業知識學習效果，設計地鐵實訓教學沙盤聯鎖系統軟件。在研究地鐵沙盤控制系統組成、模型小車定位方法、設備控制協議的基礎上，分析進路排列、設備聯鎖、進路解鎖方法，編制聯鎖表。聯鎖系統軟件采用Python語言實現邏輯判斷及串口通信，采用軟件PyQt5進行界面輔助設計。采用聯鎖系統軟件可排列進路，操縱信號機和轉轍機聯鎖動作，控制沙盤模型小車在進路內安全運行。通過測試驗證，該軟件控制沙盤模型設備聯鎖動作精確、可靠，能滿足軌道交通仿真教學需求。

關鍵詞：軌道交通；實訓教學沙盤；聯鎖系統軟件

中圖分類號：U231⁺.92;TS951.7文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2023）01-0038-07

引用格式：張吉衛.地鐵實訓教學沙盤聯鎖系統軟件設計［J］.山東交通學院學報，2023，31（1）：38-44.

ZHANG Jiwei. Design of an interlocking system software for a subway training sand table［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2023，31（1）：38-44.

0 引言

隨著中國鐵路和城市軌道交通的蓬勃發展，社會對軌道交通行業人才的需求量日益增加。傳統教學方式以理論教學為主，學生接觸現場設備機會較少，軌道交通仿真教學成為學生更好地學習軌道交通專業知識的教學模式。

在計算機聯鎖仿真培訓方面，德國、西班牙等國家已結合3D技術進行仿真訓練，瑞士聯邦研究院開發了面向運行仿真的OpenTrack，英國和德國聯合研制了基于路網的微觀模擬系統RailSys^[1]。文獻[2]提出了單純采用軟件技術輔助車務員的課堂培訓系統（JT-JCR系統），馮濤等^[3]提出了基于B/S架構、可通過瀏覽器直接訪問的WEB聯鎖仿真培訓系統；謝飛等^[4]運用UML方法制作了適合實驗室使用的集中站沙盤聯鎖仿真系統。

國內外在軌道交通仿真教學的研究與實踐主要集中在利用軟件模擬仿真方面，未與沙盤模型或真實設備結合，教學效果一般。基于地鐵實訓教學沙盤設計聯鎖系統軟件，學生應用軟件實現設備聯鎖控制，通過觀察設備運行熟悉真實地鐵工作模式，整個教學過程形象直觀，教學成效顯著，可有力促進學生軌道交通專業知識學習^[5]。

1 地鐵沙盤系統

為實現實訓教學目的，山東交通學院軌道交通實驗室地鐵實訓教學沙盤如圖1所示，地鐵沙盤模型設備主要包括信號機、轉轍機、軌道電路、模型小車，如圖2所示。地鐵沙盤系統上位機通過串口通信方式分別控制信號機、轉轍機和沙盤模型小車，每類設備均對應1套完整的單片機控制系統，其中信號機、轉轍機單片機控制系統位于軌道沙盤模型內部，用來接收上位機發送的命令，控制6臺信號機顯示和3臺轉轍機動作。沙盤模型小車單片機控制系統在沙盤模型小車上，采用無線方式與上位機間傳送命令和數據。地鐵沙盤系統設備連接圖如圖3所示。

1.1 沙盤模型小車定位功能實現

為實現沙盤模型小車定位，在沙盤軌道下方鋪設260張IC卡。沙盤模型小車單片機控制系統主要由STM32單片機、IC卡信息讀取模塊、電機模塊及RS-232無線通信模塊組成。沙盤模型小車行駛過程中，IC卡信息讀取模塊讀取IC卡中的序列號并將其傳送至STM32單片機進行處理，將處理后的信息發送至上位機，并由上位機判斷列車位置和股道占用信息。沙盤模型小車定位功能實現示意圖見圖4。

1.2 設備控制協議

設計聯鎖系統軟件的目的是通過上位機實現地鐵沙盤中信號機、轉轍機和沙盤模型小車的控制。上位機與沙盤設備間的通信極為重要，需制定串口通信協議，包括上位機發送至現場設備的控制信息和現場設備發送至上位機的狀態信息。每個設備的通信協議主要由報文頭、數據幀類型、設備地址、數據量、數據位、奇偶校驗位和報文尾7部分組成。報文中全部數據均為HEX格式，波特率均為19 200 bit/s。信號機及轉轍機通信協議報文的構成如表1所示。

信號機顯示的定義主要集中在第4～6個數據字節中，每個字節的各位對應某個信號機的燈位，要想點亮信號機，只需將對應位置1，其余位清0即可。轉轍機定位、反位動作的定義主要集中在第4個數據字節，與信號機的控制相似，某一轉轍機對應位置1、清0，分別操作每個轉轍機。例如沙盤模型小車通信協議報文的構成如表2所示。

沙盤模型小車控制協議的數據位可實現較多功能，上位機發給沙盤模型小車的功能包括方向控制、速度控制和定點停車。沙盤模型小車發給上位機的位置信息報文的4位數據位按順序為IC卡數據的第1～4位，采用BCD碼編碼。

2 聯鎖邏輯設計

沙盤信號設備平面布置圖是進行聯鎖設計的重要基礎^[6]，如圖5所示。沙盤信號設備主要包括6臺信號機、3組轉轍機和軌道線路。軌道線路主要劃分為17個軌道區段，包括6個有岔區段、5個無岔區段和6個盡頭區段。

2.1 進路、聯鎖及解鎖

進路是指列車或調車車列在車站內運行時經歷的路徑。當列車需在站內運行時，按照始、終端位置排列進路，對應進路轉為鎖閉狀態，防止其他車列駛入該進路影響列車運行，保證列車進路行駛的安全性。

聯鎖是保證行車安全的重要技術措施，是信號設備與相關因素的制約關系^[7]。本文設計軟件的核心工作是對聯鎖邏輯進行代碼化實現。

當沙盤模型小車駛入始端進路后應立即關閉始端信號機，保證列車在進路內的運行安全，隨后采用三點檢查法對各區段解鎖，即某一區段解鎖時不僅要檢查本區段列車占用過并已出清，還要檢測前一區段列車占用過也已出清，及列車現已進入下一區段^[3]。滿足三點檢查的聯鎖條件時，對應進路可實現解鎖。采用三點檢查法可大大提高線路的利用率。

2.2 聯鎖表編制

聯鎖表提供信號設備聯鎖關系，給出進路方向與范圍、排列時需按下的按鈕、進路排列后需開放的始端信號機及其顯示、道岔所需設置的正確位置、進路的敵對信號及進路范圍內的區段等^[8]。通過聯鎖表可清楚了解每條進路排列時需控制的設備及需檢查的設備狀態等信息。

由圖5可知本沙盤共有14條進路，在信號平面布置圖上可得到每條進路所需信息，對這些信息進行歸納匯總即可得到聯鎖表^[9]。由信號機1開始的調車進路聯鎖表如表3所示。

3 聯鎖軟件系統設計

地鐵沙盤聯鎖軟件設計目的是根據計算機端站場信號圖排列進路，控制沙盤信號燈和轉轍機，并控制沙盤模型小車按進路運行^[10-11]，主要設計內容為上位機與沙盤設備通信模塊設計、進路辦理流程和設計、進路自動解鎖邏輯設計、進路手動取消設計、道岔和股道單獨鎖閉和單獨解鎖設計。

根據聯鎖軟件設計的需求分析及可行性分析，選取PyCharm為集成開發環境（integrated development environment，IDE）軟件，高效率Python語言可降低編程工作難度^[12]。軟件PyQt5采用Python語言和Qt庫融合而生，是Python語言專用的圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）設計軟件^[13]，可使聯鎖軟件界面編程更加人性化。

聯鎖軟件系統主要分成信息顯示、串口連接、設備單獨控制和聯鎖控制4部分，總體結構框圖如圖6所示。串口連接模塊需實現與信號機、轉轍機和沙盤模型小車控制電路的串口連接；設備單獨控制模塊實現各沙盤設備和沙盤模型小車的單獨運動控制；聯鎖控制模塊是軟件設計的重點，需根據聯鎖表實現進路排列、進路取消、進路自動解鎖等聯鎖控制，并通過信息顯示模塊實時顯示道岔、信號機、小車、進路及報警燈信息。

4 系統的實現

聯鎖系統軟件界面主要包括上半部分的軌道線路顯示部分、下半部分的功能按鈕及信息顯示部分。

在軌道線路顯示部分，每個信號機設置4個QPushButton控件，在不同階段顯示執行信號機顯示變化、進路始端、取消成為進路始端、進路終端和取消進路的功能。顯示區段時，當進路排列后對應鎖閉的股道變為白色光帶表示，當列車在股道上占用時對應區段變為紅色光帶顯示^[14-15]。

串口選擇部分由QLabel、QlineEdit和QPushButton 等3種控件組成，可實現串口連接，分別用于顯示串口連接狀態、輸入所需連接的串口號、實現串口連接。沙盤模型小車控制部分由3個QPushButton控件分別實現前進、后退和停車功能。功能按鈕部分由6個QPushButton控件組成，分別實現取消進路、清除報警等不同功能。信息提示部分由QLabel和QTextBrowser控件組成，用來輸出進路排列信息和進路排列錯誤時的報警信息。圖形用戶界面如圖7所示。

功能實現主要包括上位機和沙盤設備的通信、沙盤設備單獨控制、沙盤模型小車控制、道岔和股道的單獨鎖閉和單獨解鎖等函數編程^[16-17]。例如實現進路建立與鎖閉，主要有始端按鈕響應函數xhj_1click（）和終端按鈕響應函數xhj1zd（）。始端按鈕響應函數主要實現按下始端按鈕后，該按鈕處信號機變為橙色閃爍提醒，可能成為進路終端的信號機變為白色閃爍提醒，進一步關閉其始端按鈕功能，開啟終端按鈕功能；終端按鈕響應函數是按下按鈕后，根據始端、終端及聯鎖邏輯確定進路。進路建立與鎖閉編程依據的聯鎖邏輯如圖8所示。

5 系統測試

為驗證地鐵沙盤模型聯鎖控制系統的質量與可靠性，對系統進行功能測試即黑盒測試，根據軟件需求，模擬客戶場景對系統進行實際測試^[18-20]。測試內容主要包括系統啟動、界面顯示和右鍵菜單功能的故障、系統操作提示與警告信息等內容。其中，比較重要的進路排列和聯鎖功能是通過建立每條進路，且利用沙盤小車在進路上運行檢測進路排列與聯鎖關系。列車通過每段股道時，對應區段可解鎖，進入區段后始端信號機正常關閉，進路排列與進路解鎖功能通過檢測。測試進路建立后線路如圖9所示。

6 結語

采用PyQt5和Python編程語言設計可實現沙盤模型設備單控、進路排列，并能控制模型沙盤小車按進路運行的聯鎖系統軟件。系統軟件測試證明，該軟件控制沙盤模型設備聯鎖動作精確、可靠。基于地鐵實訓教學沙盤設計聯鎖系統軟件是軌道交通仿真教學的創新實踐和有益嘗試，學生通過應用聯鎖軟件觀察設備運行，了解各種設備工作原理，理解聯鎖關系，熟悉真實地鐵工作模式，可提高學習軌道交通專業知識的興趣。

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Design of an interlocking system software for

a subway training sand table

ZHANG Jiwei

School of Rail Transportation，Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China

Abstract：In order to carry out rail transit simulation teaching and improve the learning effect of rail transit professional knowledge， the interlocking system software of the subway practical teaching sand table is designed. Based on the study of the composition of the control system， model car positioning method， and control protocols， route arrangement， equipment interlocking， and the release of route locking are analyzed， and the generation of the interlocking table are compiled. The interlocking system software for a subway practical teaching sand table is designed with the Python programming language for logic judgment and serial communication， and PyQt5 is used for interface aided design. This design can arrange routes， control the interlocking action of the signal machine and the switch machine， and control a model car for safe operation on route. It is verified by experiments that， the software can control the interlocking action of sand table model components accurately and reliably， and meet the teaching needs of rail transit simulation teaching.

Keywords：rail transit; practical teaching sand table; interlocking system software

（責任編輯：王惠）