向美柱，陳林秀，張銘瑤

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

有軌電車從發(fā)展到衰落，再到繁榮復(fù)興，已成為現(xiàn)代交通體系發(fā)展中不可或缺的一員[1]。有軌電車以人工目視駕駛為主，采用獨(dú)立和混合路權(quán)，使用平交路口，所以有軌電車信號(hào)系統(tǒng)一般無(wú)ATP防護(hù)，信號(hào)顯示和道岔控制異于地鐵[2]。通過對(duì)正線信號(hào)系統(tǒng)功能需求分析可知，現(xiàn)代有軌電車的正線信號(hào)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)道岔控制系統(tǒng)[3]。

列車運(yùn)行控制是一個(gè)工程量大、復(fù)雜的系統(tǒng)過程，由于周期長(zhǎng)，投資大，對(duì)于初期理論研究，不可能全部采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法，所以當(dāng)前廣泛使用仿真技術(shù)來模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境[4]。目前對(duì)有軌電車正線道岔控制的研究更多的是理論方案的分析，而缺少系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。因此，本文擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際有軌建設(shè)情況，對(duì)有軌正線道岔控制技術(shù)進(jìn)行分析和研究，并基于西南交通大學(xué)城軌實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了正線道岔控制仿真系統(tǒng)。

1 城市軌道交通控制實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)室由西南交通大學(xué)和教育部共同投資建設(shè)而成,主要由軌道交通沙盤及控制系統(tǒng)、車站模擬系統(tǒng)、控制中心及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)管理中心4部分組成。如圖1所示，本文主要基于沙盤控制系統(tǒng)的相關(guān)仿真硬件設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 有軌電車正線道岔控制方式

道岔作為聯(lián)鎖關(guān)系的重要組成部分，是確保電車正常運(yùn)營(yíng)、實(shí)現(xiàn)電車安全防護(hù)的重要設(shè)備[5]。根據(jù)文獻(xiàn)[5-11]，本文分析與總結(jié)了現(xiàn)有正線道岔控制方式，并將其分為非電動(dòng)控制、電動(dòng)控制和地面手動(dòng)控制3類。

圖1 城市軌道交通控制實(shí)驗(yàn)室

（1）非電動(dòng)控制：分順向彈性可擠式道岔和彈性可擠機(jī)械式轉(zhuǎn)轍機(jī)兩種。它們都是依靠機(jī)械原理，利用電車輪對(duì)的側(cè)向外力來實(shí)現(xiàn)道岔的動(dòng)作。

（2）電動(dòng)控制：分為自動(dòng)控制、車載司機(jī)遙控、軌旁現(xiàn)地控制和中心人工控制。前3種方式是目前使用最為廣泛的，是本文仿真系統(tǒng)研究的重點(diǎn)，而中心人工控制是指為滿足特殊的運(yùn)營(yíng)需求，運(yùn)營(yíng)調(diào)度中心人員可在按一定人工操作流程之后，從調(diào)度中心下達(dá)進(jìn)路命令給軌旁道岔控制設(shè)備；軌旁道岔控制設(shè)備收到命令之后，檢查聯(lián)鎖條件，條件滿足，解鎖或排列進(jìn)路，道岔動(dòng)作。

（3）地面手動(dòng)控制：即人工搬動(dòng)道岔，在特殊情況下，司機(jī)可通過專用的鐵尺深入到轉(zhuǎn)轍機(jī)的縫隙，人工將道岔扳到所需位置。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)分為人機(jī)會(huì)話表示層、消息生成層、邏輯關(guān)系處理層、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸層、監(jiān)控層與執(zhí)行層6個(gè)層次，如圖2所示。

（1）人機(jī)會(huì)話表示層：即人機(jī)交互界面，提供各種操作表示。

（2）消息生成層：操作命令的生成、接收及轉(zhuǎn)化，通過響應(yīng)并解析表示層的用戶操作，將解析后的命令傳遞給下一層，以便邏輯關(guān)系處理層能及時(shí)響應(yīng)并觸發(fā)對(duì)應(yīng)的事件驅(qū)動(dòng)處理函數(shù)。

（3）邏輯關(guān)系處理層：系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理單元，除接收來自上一層的操作信息外，還接收來自監(jiān)控層的反映線路、電車、信號(hào)和道岔的信息，然后根據(jù)聯(lián)鎖邏輯條件，對(duì)輸入的狀態(tài)信息與操作信息，以及內(nèi)部當(dāng)前信息進(jìn)行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的道岔控制命令、信號(hào)控制命令、電車控制命令等，并交付給現(xiàn)場(chǎng)仿真設(shè)備予以執(zhí)行。邏輯關(guān)系處理層要求具有故障-安全性能。

（4）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸層：上層仿真系統(tǒng)與硬件仿真設(shè)備的數(shù)據(jù)通信是通過無(wú)線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，該層是邏輯關(guān)系處理層與監(jiān)控層的數(shù)據(jù)交互通道。數(shù)據(jù)傳輸層采用TCP通信，要求數(shù)據(jù)可靠傳輸。

圖2 仿真系統(tǒng)架構(gòu)

（5）監(jiān)控層：通過數(shù)據(jù)傳輸層，接收來自邏輯關(guān)系處理層的道岔控制命令、信號(hào)控制命令和電車控制命令，從而分別驅(qū)動(dòng)道岔轉(zhuǎn)換、改變信號(hào)顯示與控制電車運(yùn)行；通過數(shù)據(jù)傳輸層，向邏輯關(guān)系處理層傳輸?shù)啦怼⑿盘?hào)，以及電車與線路等狀態(tài)信息。

（6）執(zhí)行層：即現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備仿真層，對(duì)應(yīng)著沙盤上的電車、信號(hào)機(jī)、道岔及線路等。

4 系統(tǒng)功能

有軌電車的特點(diǎn)決定了道岔控制系統(tǒng)的技術(shù)特性與運(yùn)營(yíng)需求：無(wú) ATP 防護(hù)需求；無(wú) ATO 需求；無(wú)超速防護(hù)需求。對(duì)自動(dòng)控制、司機(jī)遙控及現(xiàn)地控制進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。要求具有可視化的人機(jī)交互界面（HMI），HMI將線路、電車、道岔及信號(hào)機(jī)的靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息可視化呈現(xiàn)給電車司機(jī)，并提供司機(jī)對(duì)道岔進(jìn)行控制的操作按鈕。系統(tǒng)主要功能有通信接口模塊、邏輯運(yùn)算處理模塊、道岔控制模塊、信號(hào)控制模塊等，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

基于Windows系統(tǒng)和PC機(jī)，使用C#和C語(yǔ)言，進(jìn)行功能的模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，此外，用面向連接的Socket套接字實(shí)現(xiàn)通信接口的開發(fā)。

4.1 道岔自動(dòng)控制

圖4 道岔控制原理圖

圖4為道岔電動(dòng)控制原理。軌旁道岔控制箱主要由車地通信設(shè)備、計(jì)軸檢測(cè)設(shè)備、轉(zhuǎn)轍機(jī)控制單元和信號(hào)機(jī)控制單元組成。在自動(dòng)控制方式中，運(yùn)營(yíng)中心賦予每輛電車獨(dú)一無(wú)二的車次號(hào)，當(dāng)電車接近道岔區(qū)，通過車地雙向通信設(shè)備與地面設(shè)備建立連接，響應(yīng)當(dāng)前軌旁道岔控制箱的呼叫。此時(shí)，電車將車次號(hào)信息，以及從電車位置檢測(cè)設(shè)備采集的位置信息回傳給道岔控制箱，其中還包括道岔操作請(qǐng)求指令。道岔控制箱中的轉(zhuǎn)轍機(jī)控制單元根據(jù)運(yùn)營(yíng)中心下達(dá)到本地的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃表，依據(jù)收到的車次號(hào)信息，并在檢查進(jìn)路聯(lián)鎖條件滿足之后，自動(dòng)辦理進(jìn)路，道岔動(dòng)作，當(dāng)?shù)啦礞i閉之后，信號(hào)開放，然后向車載發(fā)送進(jìn)路信息[6]。

電車依次通過接近區(qū)段、道岔區(qū)段，在駛出離去區(qū)段時(shí)，電車位置檢測(cè)設(shè)備將位置信息再次發(fā)送給道岔控制單元，在聯(lián)鎖關(guān)系滿足之后，電車出清，解鎖進(jìn)路。自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示 。

圖5 自動(dòng)控制及司機(jī)遙控流程

4.2 道岔司機(jī)遙控

在上述自動(dòng)控制失效的情況下，或在信號(hào)系統(tǒng)故障和電車在非運(yùn)營(yíng)計(jì)劃表內(nèi)的情況下，采用車載司機(jī)遙控道岔的方式。

當(dāng)電車駛過道岔自動(dòng)控制區(qū)段，道岔還未動(dòng)作，車載 HMI 報(bào)警提示司機(jī)按壓車載相應(yīng)按鈕，進(jìn)行司機(jī)遙控道岔操作，通過車地通信設(shè)備，將進(jìn)路信息發(fā)送給道岔控制箱。道岔控制單元在收到車載道岔操作請(qǐng)求指令后，檢查聯(lián)鎖條件，條件滿足，排列進(jìn)進(jìn)路，道岔動(dòng)作并鎖閉，開放信號(hào)。這時(shí)電車就可以繼續(xù)正常行駛，越過道岔，駛出離去區(qū)段，自動(dòng)解鎖進(jìn)路[7]。車載HMI 要設(shè)置道岔定位和反位的操作按鈕，還需設(shè)置道岔控制請(qǐng)求按鈕，以及道岔狀態(tài)指示燈等。司機(jī)遙控實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

4.3 道岔現(xiàn)地控制

當(dāng)上述自動(dòng)控制和司機(jī)遙控都失效時(shí)，電車司機(jī)可下車通過設(shè)置在進(jìn)路表示器上的按鈕，人工操作道岔[8]。該控制方式用于車地通信故障或局部異常時(shí)。為防止誤動(dòng)作，可對(duì)操作按鈕盤設(shè)鎖，進(jìn)行防護(hù)。如圖6是蘇州有軌軌旁操作按鈕盤，按壓白色按鈕代表開通直向進(jìn)路，電車正向通過道岔；按壓黃色按鈕代表開通側(cè)向進(jìn)路，電車側(cè)向通過道岔；按壓藍(lán)色按鈕代表禁止通行。

圖6 軌旁進(jìn)路操作按鈕盤

結(jié)合上述過程，該功能是用C#做一個(gè)模擬的軌旁進(jìn)路操作按鈕盤，通過按壓按鈕控制道岔的動(dòng)作，動(dòng)作完畢之后，開放信號(hào)?，F(xiàn)地控制模塊是通過串口通信實(shí)現(xiàn)，流程如圖7所示。

圖7 現(xiàn)地控制流程

4.4 通信接口

上層仿真系統(tǒng)軟件與現(xiàn)場(chǎng)仿真設(shè)備是通過無(wú)線局域網(wǎng)，利用Socket通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收發(fā)控制。通信接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)如圖8所示，仿真系統(tǒng)作為服務(wù)端，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備作為客戶端，這樣設(shè)計(jì)的好處在于仿真系統(tǒng)允許多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接進(jìn)來。仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)通信接口線程，線程1是與電車建立連接的接口，線程2是與信號(hào)機(jī)、道岔建立連接的接口，兩個(gè)線程獨(dú)立并同時(shí)工作。

圖8 通信接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.5 電車定位及運(yùn)行控制

實(shí)際中常采用應(yīng)答器、計(jì)軸等設(shè)備進(jìn)行定位檢測(cè)[12]，而本系統(tǒng)中用 IC 卡來實(shí)現(xiàn)。

在沿線等間距鋪設(shè)了很多IC卡，每個(gè)IC卡存儲(chǔ)了唯一編號(hào)。電車在運(yùn)行過程中，通過車上的讀IC卡裝置獲取IC卡編號(hào)，并將編號(hào)打包進(jìn)回傳數(shù)據(jù)包中。為了在系統(tǒng)的線路圖中匹配電車實(shí)際位置，界面上用矩形控件進(jìn)行IC卡的模擬鋪設(shè)，并為其Name屬性命名為實(shí)際IC卡的編號(hào)。電車定位及運(yùn)行控制實(shí)現(xiàn)流程如圖9所示。

4.6 設(shè)備故障模擬注入

電車在實(shí)際運(yùn)行過程中，面對(duì)故障情況，可選用備用道岔控制模式以順利通過道岔區(qū)域。仿真系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)該功能，設(shè)計(jì)了故障模擬注入功能。系統(tǒng)通過設(shè)置故障類型、故障點(diǎn)以及故障發(fā)生時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)電車運(yùn)行過程中的故障提示，提示司機(jī)采取措施以確保電車安全通過道岔區(qū)域。系統(tǒng)為每種故障設(shè)置了一個(gè)故障標(biāo)識(shí)位flagFault（0為正常，1為故障）。設(shè)備故障模擬注入流程如圖10所示。

圖9 電車定位及運(yùn)行控制流程

圖10 設(shè)備故障模擬注入流程

4.7 道岔控制模式切換

當(dāng)電車在自動(dòng)控制模式下運(yùn)行，且在自動(dòng)控制區(qū)段的最后一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)道岔還未動(dòng)作，將提示切換到司機(jī)遙控模式；若司機(jī)遙控模式下道岔仍未動(dòng)作，則提示切換到現(xiàn)地控制模式。切換流程如圖11所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

借助實(shí)驗(yàn)室搭建了測(cè)試環(huán)境，對(duì)道岔自動(dòng)控制方式進(jìn)行測(cè)試，電車在接近道岔區(qū)段，道岔自動(dòng)動(dòng)作，開放信號(hào)，如圖12所示。

對(duì)道岔司機(jī)遙控方式進(jìn)行測(cè)試，電車在接近道岔區(qū)段，按壓按鈕，道岔動(dòng)作，開放信號(hào)，如圖13所示。

圖11 道岔控制模式切換流程

圖12 自動(dòng)控制測(cè)試

圖13 司機(jī)遙控測(cè)試

對(duì)道岔現(xiàn)地控制方式進(jìn)行測(cè)試，打開現(xiàn)地控制模擬環(huán)境，按壓操作按鈕盤按鈕，開放進(jìn)路，開放信號(hào)，如圖14所示。

對(duì)道岔自動(dòng)控制、司機(jī)遙控、現(xiàn)地控制測(cè)試成功之后，進(jìn)行控制模式切換測(cè)試。在自動(dòng)控制下，注入故障，設(shè)置故障發(fā)生時(shí)間，故障提示進(jìn)行司機(jī)遙控，如圖15所示。

圖14 現(xiàn)地控制測(cè)試

圖15 故障模擬注入測(cè)試

6 結(jié)束語(yǔ)

本文參照蘇州有軌電車、張江有軌電車、武漢在建有軌電車等實(shí)際項(xiàng)目并結(jié)合理論，模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了有軌電車正線道岔控制仿真系統(tǒng)，并基于現(xiàn)場(chǎng)仿真設(shè)備，通過了系統(tǒng)測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的真實(shí)可行性，為有軌電車平交道口子系統(tǒng)的研究提供參考。本仿真系統(tǒng)涉及的相關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法已成功應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，為相關(guān)學(xué)習(xí)以及其他類似仿真系統(tǒng)的研究提供了重要參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 苗彩霞.現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)特點(diǎn)及應(yīng)用前景[J].都市快軌交通 ，2013，26（3）：9-12.

[2] 劉海軍.現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].都市快軌交通，2013，26（6）：156-159.

[3] 李 晶.現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制方案的選擇[J].鐵道通信信號(hào)，2015，51（1）：69-72.

[4] 徐立芳，莫宏偉.仿真技術(shù)在智能控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（8）：74-76，85.

[5] 劉先愷，梁 靚，陳鵬飛，等.現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制技術(shù)研究[J].中國(guó)鐵路，2015（2）：82-85.

[6] 公吉鵬.新型有軌電車道岔控制方案分析[J].城市軌道交通研究，2014，17（7）：119-121.

[7] 高桂桂.現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J]. 城市軌道交通研究，2015，18（1）：67-71.

[8] 王國(guó)軍，賈利生，韓 曉.有軌電車道岔控制方案及安裝方式研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014（1）：57-60.

[9] 李 強(qiáng).現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)方案研究[J].電氣自動(dòng)化 ，2015，37（2）：100-102.

[10] 劉新平.新型有軌電車信號(hào)系統(tǒng)方案研究[J].城市軌道交通研究，2012，15（5）：50-52.

[11] 唐賈言.現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)營(yíng)控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2010（12）：61-63，65.

[12] 李鴻旭，喻智宏，劉圣革.現(xiàn)代有軌電車智能控制系統(tǒng)中的車輛定位技術(shù)方案[J].都市快軌交通，2013，26（6）：160-162.

[13] 江 磊.城軌控制實(shí)驗(yàn)室仿真平臺(tái)硬件接口研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2012.

[14] 林瑜筠.城市軌道交通聯(lián)鎖系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

[15] 溫 昱.軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.