仿真技術在新建設鐵路信號專業教學中的應用研究

陳宜濱 張杰 江泳 曹衛鋒

摘 ?要：傳統的列車運行控制實驗系統有著占地面積大、成本高、維護成本大等問題，仿真系統逐漸成為實驗室建設的首選目標。仿真系統不提供接口，實驗過程等同于瀏覽學習軟件的使用說明，實驗者易忽略實驗現象背后列車運行控制技術控制原理，達不到預期效果。文章擬通過采用自行開發仿真系統原型，提供源碼和接口，通過課程教學演示講解，實踐環節培訓開發等相結合的形式，達到建設專業、培養學生的目標，探索開放的仿真系統對新專業建設的作用。從后期學生畢業設計完成質量來看，這種新方式不僅有助于鞏固專業知識，而且能夠培養學生的動手編程能力，對鄭州輕工業大學的軌道交通信號與控制專業發展具有實踐意義，對同類專業的建設也具有一定的參考價值。

關鍵詞：列車運行控制；系統仿真原型；教學實踐

中圖分類號：G640 ? 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1673-7164（2024）02-0059-04

中國高速鐵路發展突飛猛進，為中國的經濟、教育、社會發展等帶來深刻影響［1-2］。中國分別于2005年、2017年開始工程認證和新工科建設，在工程教育認證和新工科背景下，高等學校對學生工程實踐能力和科技創新能力的要求也隨之不斷提高，特別是針對理工科專業尤為突出，對此，國內學者對“新工科”背景下教學改革進行了一系列研究和實踐［3-4］。在軌道交通行業，為了滿足“智慧交通”世界一流學科建設的需要和高素質軌道交通通信與控制類專業人才需求，2013 年教育部將“軌道交通信號與控制專業”設置為自動化專業特設專業方向之一［5］。目前，除了傳統鐵路院校外，國內大多數本科院校開設了軌道交通信號與控制專業，除了部分開設比較早、軌道交通信號專業師資雄厚的院校外，大多數院校師資隊伍、實驗室建設相對滯后，為此由自動化類及鐵路運輸與工程教指委軌道交通信號與控制教學指導組發起，北京交通大學軌道交通控制研究所教學團隊負責牽頭建設，利用北京交通大學國家級軌道交通通信與控制虛擬仿真實驗教學中心和國家虛擬仿真實驗教學項目軌道交通列車運行控制等國家級專業實驗平臺、國家精品在線開放課程、國家級教材、國家級教學團隊、國家級工程實踐教育中心，由各個交通院校加入，共同建設了虛擬教研室平臺。

鄭州輕工業大學于2016年開設了軌道交通信號與控制專業，在專業建設初期，引進建設了列車模擬運行仿真實驗室和基礎信號設備實驗室。列車模擬運行仿真實驗室可以完成列車模擬運行，CTCS2/CTCSS3、CTCS3/CTCS2不同等級切換，進路選排、進路解鎖等實驗。基礎信號設備實驗室可以完成基礎信號設備操作和站場場景模擬操作。當前真實平臺的設備不僅價格昂貴，而且占地面積大，成套設備數量少，操作性低、可維護性成本巨大。此外，學生在實驗時，因為程序源代碼不開放，也沒有對外接口，導致學生在模擬實驗時候大多只是觀察現象，卻未能理解背后運行機理，難以達到教學效果。基于此擬通過全數字仿真技術，整合計算機技術、多媒體技術和網絡通信技術模擬，采用數值計算模擬列車動力學模型，采用虛擬的應答器和地面RBC設備，模擬列車運行的控制的速度監控技術，實現形成許可生成、傳輸使用，模擬虛擬的地面限速服務器和數字線路，實現列車在CTCS-2/ CTCS-3下運行，能夠實現比較常見的場景仿真，比如RBC切換，列車運行等級轉換，提供運行演示效果和開發接口，在必要時提供完整代碼供師生使用，從而服務鐵路信號與控制專業。利用全數字仿真技術建設集實踐教學、科學研究、科技服務于一體，功能完備的全數字列車運行仿真實驗和教評系統，能夠解決實驗教學資金、設備、場地不足等問題。

一、仿真技術發展現狀

國外鐵路相關仿真發展較早且發展迅速，目前已有多種相對成熟的系統，比如瑞士蘇黎世聯邦研究院開發的OpenTrack系統、德國漢諾威大學（University of Hannover）和德國鐵路管理咨詢公司（RMCon）共同研發的RAILSYS系統、DONS模擬系統、LOGSIM系統、Villon軟件、STRESI等系統。OpenTrack系統是由瑞士蘇黎世的一個專門研究鐵路仿真的帶有技術性質的研究所開發的，主要是為了適配于“鐵路網絡運營管理系統”而存在，在OpenTrack系統這個系統中，分為三個系統，第一個是輸入系統，將車輛或基礎設備以及行車時間等存儲；第二個是模擬系統，可以在仿真界面上直觀看到列車運行效果；第三個是輸出系統，主要顯示列車的運營圖或者軌道占用及數據統計的情況。它的功能十分強大，既可以實現關于列車運行時的調度仿真，也可以根據站內的情況來分析出線路的運能，還可以很完善合理地優化列車的運行。

在國內，軌道交通相關的仿真研究開始雖然較晚，但發展迅速同樣有諸多技術和方法，目前最比較流行的仿真技術有純軟件仿真、沙盤仿真系統、實際車站仿真實驗平臺等方法［6］。純軟件仿真系統，其系統可通過簡單的軟件下載和使用來滿足教師和教師、教師和學員、學員和學員之間的溝通交流。隨著互聯網的發展和信息化的普及，純軟件仿真系統發生了許多變化，從上述形式已發展到教師、學員之間可憑借互聯網來進行數據傳輸工作。在眾多車站軟件仿真系統中值得一提的是通用列車模擬系統，基于列車牽引力動力學建模，構建有關具體線路、運行車輛、基本信號設備的數據存儲，將定時、節能、節時作為牽引策略的基準，運用迭代方法來優化非線性問題，可以更加真實、靈活地模擬實際列車運行情況。沙盤模擬仿真系統，主要以計算機連鎖、接口單元、采集驅動單元和軌道沙盤為主，配合驅動程序組建而成。

2000年以二維窗口形式，出現了模擬列車運行的運行控制系統、車站仿真等系統［7］，2011年周研等開發了研發了基于京津城際鐵路的半實物列車運行仿真控制系統，仿真列車運行控制系統［8］，這種系統真實有效地模擬了現場的設備情況和運行狀況等內容，對于全真實物來說，降低了培訓成本和周期，但缺點在于其與實物現場體驗相比感覺較差。相對于以上介紹的兩種仿真方法而言，實際車站仿真更加貼合現實效果，能夠更加真實、直觀地感受，然而構建類似平臺卻花費巨大。總體來說，純軟件仿真具有無可比擬的優越性，占地面積小、易壓縮和更新，僅用計算機即可，便利性將成為其應用的突出優勢。

二、仿真系統的構建

列車運行控制課程組分別以MATLAB編程和B/S架構web的編程方式，實現了兩套列車仿真技術的框架，以便學生能更容易地運用仿真技術，熟悉和掌握列車運行控制技術。列車運行仿真系統的建設目標是擬通過全數字仿真技術，整合計算機技術、多媒體技術和網絡通訊技術模擬，采用數值計算在計算上模擬列車動力學模型，采用虛擬的應答器和地面RBC設備，模擬列車運行的控制的速度監控技術，實現形成許可生成、傳輸使用，模擬虛擬的地面限速服務器和數字線路，實現列車在CTCS-2/CTCS-3下運行，能夠實現比較常見場景仿真，比如RBC切換，列車運行等級轉換。

（一）基于matlab的列車運行控制仿真技術

在仿真系統的初步階段采用MATLAB編程，通過虛擬串口模擬應答器的讀寫，分別實現了應答器模擬程序和列車運行控制程序。應答器模擬程序實現了完整的報文結構，學生可以理解并修改報文信息，最后形成標準的應答器報文，并通過串口發送，能夠幫助學生理解應答器報文的應用方式。列車運行控制程序完成應答器報文的解析獲取行車許可，能夠實時繪制多種限制速度曲線，考慮車尾效應，計算并繪制最限制速度曲線，生成“目標—距離”列車運行監控曲線，系統框圖如圖1所示。

（二）基于B/S架構的web列車典型場景仿真和管理綜合評價系統

基于web的列車典型仿真和管理綜合評價系統采用B/S架構，對客戶端整體進行設計，包括客戶端前端、后端的設計，數據庫的創建以及服務器的選擇，完成客戶端系統的平臺管理和虛擬仿真操作功能。軌道交通信號虛擬仿真系統客戶端的設計主要分四個模塊進行，以實現客戶端的實際操作以及仿真功能。客戶端整體設計思路登錄系統、用戶注冊系統、管理操作系統的設計，以及軌道信號模擬仿真系統的設計，設計思路如圖2（a）所示。客戶端設計主要包括對客戶端前端網頁端設計、后端實現業務邏輯的程序編寫以及后臺數據庫的創建，而一般的客戶端系統工作流程是用戶通過客戶端前端網頁選擇要實現的目標，前端會將用戶的請求發送給服務器識別，然后通過后端程序找到對應的業務邏輯處理方式實現對應的操作，將請求發送給對應的數據庫找到相對應的數據或者信息操作，反饋給后端服務器，并最終將運行結果反饋給前端用戶，實現并且滿足用戶對相關操作的需求，客戶端系統原理圖如2（b）所示。

三、仿真系統在教學中的應用

（一）仿真在實驗環境中的應用

鄭州輕工業大學軌道信號與控制專業目前建設有列車模擬運行仿真實驗室和基礎信號設備實驗室，列車模擬運行仿真實驗室可以實驗列車模擬運行，可以完成CTCS2/CTCSS3、CTCS3/CTCS2不同等級切換實驗，進路選排，進路解鎖等實驗。

鄭州輕工業大學列車運行控制研究組將構建的系統仿真系統，以源碼和接口形式作為原有實驗系統的補充，通過列車動力學模型的數值計算，模擬列車運行，并通過圖形化方式顯示在界面上。將列車運行速度監控作為中心，整個系統采用典型的三站兩區間結構，模擬實現完整列車運行，主要包括典型的等級轉換，列車運行場景、應答器讀寫、RBC切換等。系統構建充分考慮現在學生的迫切需求，設計了良好的對外接口，可以很好地切合學生實驗和實訓需求。并且在實驗課上講解系統的架構圖、信息的傳遞方式和接口使用以及設計原理。在此基礎上，學生在原型系統原型基礎完成列車模擬運行，進路選排、進路解鎖和各種典型場景的仿真，可以通過接口界面實時看到仿真效果。通過在界面上，按壓始端和終端按鈕，自動選排進路，當有敵對關系存在時，給出進路敵對關系提示，當進路建立以后點擊模擬列車運行，可以啟動模擬列車，其他典型場景選擇不同界面按鈕可以顯示相應的仿真界面，然后啟動仿真。

（二）仿真在教學中的使用

在教學過程中，教師可通過使用web軟件仿真系統，在課堂上直接演示典型場景，講解列車運行場景，調動學生的積極性，在演示典型場景仿真的同時，對仿真背后的仿真原理也進行了講解，對學生將來從事該方面的開發工作以及畢業設計提供了一定的幫助。直接使用程序接口講解應答器的，使學生提高了對應答器工作原理，編碼和解碼有了較為深刻認識。

（三）仿真在畢業設計中的應用

鄭州輕工業大學自2016年招生第一屆學生以來，已有三屆畢業學生，列車運行仿真系統在畢業設計中都起到了非常重要的作用。以列車典型場景仿真，列車運行監控、列車追蹤、列車進路優化以及典型三車站兩區間為題設計題目在設計題目都是比較熱門有特色題目，學生參與度和完成度都非常高，畢業設計的論文質量也比較高。這些題目在一定程度上要求學生不僅要對信號專業有一定了解，還對學生的編程能力有較高的要求，理論上可能是比較冷門的題目，實際上學生的參與度反而很高，通過學生談話發現了，學生對這些題目興趣和信心來自自建設系統在教學和實驗環境中的應用。

四、結語

通過仿真在教學環節、實驗環節和畢業中的應用可以看出，仿真系統能夠解決實驗的空間限制，能夠減少實驗以及培訓過程中財力、物力上的消耗，提高實驗教學設計的真實性和直觀性。對復雜實驗的重復操作，不需配備實驗教學器材、相關使用元件，即可實驗重復實驗和操作。通過仿真技術的使用，提高了學生技能操作的核心水平，學生能夠應用軌道交通信號與控制專業課程中所學的相關專業知識，結合仿真技術能夠更加生動、立體地進行研究實驗學習，大幅提升學習的動力與興趣，鞏固了所學專業知識，提高了編程能力，豐富學生學習途徑，增強了學生的動手能力，為他們將來適應工作也奠定了一定基礎。

參考文獻：

［1］ 王美昌. 基于高速鐵路交通的經濟發展效應研究［D］. 南京：東南大學，2020.

［2］ 鄭拓. 我國高速鐵路與經濟發展研究［J］. 鐵道學報，2020，42（07）： 34-41.

［3］ 程英鴿，賀園園，劉石，等. 虛擬仿真技術在交通工程專業人才培養中的應用探索［J］. 時代汽車，2021（22）：55-56.

［4］ 楊京渝，彭麗，蔡振華. 新工科下虛擬仿真技術平臺在電氣類專業中的應用探討［J］. 科技風，2021（29）：111-113.

［5］ 張紅濤，陳露露，譚聯，等. 虛擬仿真類實驗教學資源省際高校共建共享的研究［J］. 實驗技術與管理，2021，38（05）：26-28.

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［7］ 羅昊，周磊山，景云. 高鐵行車調度指揮虛擬仿真實驗平臺及其應用［J］. 實驗技術與管理，2021，38（10）：140-145.

［8］ 周妍，周磊山. 高速鐵路行車調度指揮一體化仿真實驗平臺設計與研究［J］. 鐵道學報，2012，34（06）：1-7.

（責任編輯：鄒宇銘）

基金項目：北京交通大學國家級軌道交通通信與控制虛擬仿真實驗教學中心虛擬教研室專項開放課題“基于虛擬教研室合作模式的列車運行仿真實驗開發與研究”（課題編號：2021RTCC05）。

作者簡介：陳宜濱（1980—），男，博士，鄭州輕工業大學副教授，研究方向為軌道交通、計算機視覺；張杰（1986—），男，博士，鄭州輕工業大學副教授，研究方向為軌道交通、高等教育教學；江泳 （1975—），男，碩士，鄭州輕工業大學副教授，研究方向為軌道交通、電子信息技術；曹衛鋒（1975—），男，碩士，鄭州輕工業大學教授，研究方向為軌道交通、高等教育教學。