周維龍，王欣，肖會(huì)芹

（湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲）

一 引言

軌道交通具有運(yùn)量大、快速、安全、準(zhǔn)時(shí)和低功耗等特點(diǎn)[1]，在人們生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，截至2021年3月，我國(guó)城市軌道交通總運(yùn)營(yíng)里程7691.9公里。

信號(hào)系統(tǒng)是城市軌道交通機(jī)電自動(dòng)化系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，其核心是列車自動(dòng)控制系統(tǒng) (Automatic Train Control，簡(jiǎn)稱ATC)。軌道列車在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生各種各樣的狀況，軌道列車的運(yùn)行現(xiàn)代化、行車指揮、運(yùn)行安全都需要借助于城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)[2]。在目前的技術(shù)條件下，城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制[3]。由于信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備的特殊性，一般實(shí)驗(yàn)室難以成體系配置，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)難以開(kāi)展，教學(xué)效果很難保證[4]。而虛擬仿真技術(shù)借助多媒體技術(shù)、輸入輸出技術(shù)等多種手段構(gòu)建一種高度虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生體驗(yàn)置身其中的感覺(jué)，能夠?qū)崿F(xiàn)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果[5]。

二 仿真平臺(tái)簡(jiǎn)介

該仿真平臺(tái)基于應(yīng)用虛擬化技術(shù)、流媒體技術(shù)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程錄播技術(shù)等進(jìn)行電子信息工程專業(yè)VR軟件的開(kāi)發(fā)，將應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)解耦，為應(yīng)用程序提供一個(gè)虛擬的運(yùn)行環(huán)境，學(xué)生可以進(jìn)行無(wú)時(shí)間與空間制約的虛擬實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)教學(xué)方法的研究和改進(jìn)，促進(jìn)電子信息工程進(jìn)入虛擬化、科學(xué)化、數(shù)字化的時(shí)代，擺脫純粹依靠實(shí)體實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)[6-7]。平臺(tái)登錄界面如圖1所示。

圖1 城市軌道交通調(diào)度指揮模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)登錄

三 仿真系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)

軌道交通信號(hào)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)備如：信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、軌道電路、應(yīng)答器等基本結(jié)構(gòu)、工作原理、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用原則；同時(shí)掌握車站、區(qū)間、聯(lián)鎖等基本概念。而基于Proteus的虛擬仿真平臺(tái)，不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。受到廣大電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞，也是電子信息類畢業(yè)生必須掌握的仿真軟件之一[8]。在理論性很強(qiáng)的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)引入實(shí)踐性很強(qiáng)的單片機(jī)技術(shù)，結(jié)合Proteus強(qiáng)大的仿真能力，既可提高學(xué)生對(duì)單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用能力，又可以提高學(xué)生對(duì)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)相關(guān)概念的理解，實(shí)現(xiàn)“學(xué)以致用”[9-10]。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅實(shí)現(xiàn)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)、單片機(jī)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有機(jī)融合，具體融合關(guān)系見(jiàn)表1。降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本與難度，以直觀的仿真結(jié)果幫助學(xué)生攻克知識(shí)難點(diǎn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

表1 知識(shí)點(diǎn)融合關(guān)系表

四 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容與實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)、培養(yǎng)要求以及虛擬仿真技術(shù)掌握熟練程度，精心組織設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。主要內(nèi)容包括表1中的三個(gè)模塊，體現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)不同層次，滿足學(xué)生對(duì)該課程各階段學(xué)習(xí)的不同要求。

（一） 模塊一的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）場(chǎng)景設(shè)計(jì)

車站進(jìn)站信號(hào)機(jī)通常為五燈七顯示[11]，燈位排列為：黃1綠紅黃2白，示意圖如圖2所示。圖2中，1/3、5/7號(hào)道岔均為18號(hào)道岔。燈光顯示含義如表2所示。

圖2 進(jìn)站信號(hào)機(jī)控制模擬場(chǎng)景

表2 高速鐵路進(jìn)站信號(hào)機(jī)顯示機(jī)含義一覽表

（2）系統(tǒng)功能需求

①燈光設(shè)計(jì)：按照進(jìn)站信號(hào)機(jī)燈光顏色排列，用對(duì)應(yīng)顏色的LED燈和排列設(shè)計(jì)進(jìn)站信號(hào)機(jī)；

②燈光顯示：每個(gè)燈亮的時(shí)間為3秒；黃燈閃爍的頻率為2Hz；

③系統(tǒng)開(kāi)機(jī)和復(fù)位燈光顯示：系統(tǒng)開(kāi)機(jī)，5個(gè)指示燈從上而下依次點(diǎn)亮一次，然后全熄滅；按復(fù)位鍵進(jìn)入初始狀態(tài)，燈全熄滅；

④燈光自動(dòng)顯示：自動(dòng)模式下，燈的工作狀態(tài)按表1燈光順序1、2…7的依次自動(dòng)循環(huán)；

⑤燈光暫停：按下對(duì)應(yīng)燈光控制鍵，指示燈則停止在對(duì)應(yīng)的燈光序列顯示。

（3）系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖3所示。主要包括復(fù)位電路、按鍵控制電路、單片機(jī)控制電路、隔離放大電路以及指示燈電路等部分構(gòu)成[12]。

圖3 進(jìn)站信號(hào)機(jī)顯示控制系統(tǒng)總體方框圖

（4）系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

由圖2進(jìn)站機(jī)信號(hào)燈示意圖可以知，本實(shí)驗(yàn)指示燈共5個(gè)，發(fā)出7種不同組合指示信號(hào)，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。為確保指示燈的輸出功率，與實(shí)際應(yīng)用更接近，在指示燈與單片機(jī)輸出端口間外加三極管。其中與P1.2相連的為Q3，與P1.3相連的為Q4，與P1.4相連的為Q5，與P1.5相連的為Q6，與P1.6相連的為Q7。當(dāng)單片機(jī)輸出端口輸出為高電平時(shí)，相應(yīng)的三極管導(dǎo)通，從而點(diǎn)亮指示燈，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)站列車的控制，仿真結(jié)果如圖4所示。由表2可得出，此時(shí)黃燈（D4）綠燈(D2)亮，對(duì)應(yīng)著狀態(tài)6，即準(zhǔn)許列車按規(guī)定速度越過(guò)該信號(hào)機(jī)，經(jīng)道岔直向位置進(jìn)入站內(nèi)，表示下一架信號(hào)機(jī)已經(jīng)開(kāi)放一個(gè)黃燈。

圖4 信號(hào)機(jī)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果之一

（二） 模塊二的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）場(chǎng)景設(shè)計(jì)

在A車站和B車站之間分為8個(gè)閉塞分區(qū)。由北京方面往深圳方面稱為下行，由深圳方面往北京方面稱為上行。以8個(gè)按鈕模擬放置在軌道上不同位置的8個(gè)光電傳感器模擬應(yīng)答器，從北京方面往深圳方面順序依次為BUTTON1，BUTTON2，BUTTON3，BUTTON4，BUTTON5，BUTTON6，BUTTON7，BUTTON8，每個(gè)光電傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)閉塞 分 區(qū)Block1、Block2、Block3、Block4、Block5、Block6、Block7、Block8[13]。系統(tǒng)模擬圖如圖5所示。

圖5 列車運(yùn)行方向與列車定位模擬圖

（2）系統(tǒng)功能需求

①列車位置識(shí)別

當(dāng)BUTTON1、BUTTON2、…BUTTON8的某個(gè)按鈕按下，表明該區(qū)段有車運(yùn)行，系統(tǒng)可顯示列車運(yùn)行的相應(yīng)位置。

②列車運(yùn)行方向識(shí)別

若按從BUTTON1、BUTTON2、…BUTTON8的順序按下按鈕，則說(shuō)明列車的運(yùn)行方向?yàn)楸本┓矫嫱钲诜矫妫礊橄滦行熊嚒?/p>

若按從BUTTON8、BUTTON7、…BUTTON1的順序按下按鈕，則說(shuō)明列車的運(yùn)行方向?yàn)樯钲诜矫嫱本┓矫?，即為上行行車?/p>

③列車運(yùn)行信息的顯示

當(dāng)列車從北京方面向深圳方面運(yùn)行時(shí)，LCD顯示屏?xí)@示“From BJ to SZ”字樣，同時(shí)，LED點(diǎn)陣箭頭從下向上移動(dòng)。

若列車從深圳方面向北京方面運(yùn)行，則LCD顯示屏?xí)@示“From SZ to BJ”字樣，同時(shí)，LED點(diǎn)陣LED點(diǎn)陣箭頭從上向下移動(dòng)。

若列車在區(qū)間某位置，LCD顯示屏顯示“Runing at Blocki”。

當(dāng)列車位于Block8：運(yùn)行方向?yàn)閺谋本┓矫嫦蛏钲诜矫鏁r(shí)，LCD顯示屏顯示“Arriving at B Station”；運(yùn)行方向?yàn)閺纳钲诜矫嫦虮本┓矫鏁r(shí)，LCD顯示屏顯示“Leaving at B Station”。

當(dāng)列車位于Block1：運(yùn)行方向?yàn)閺纳钲诜矫嫦虮本┓矫鏁r(shí)，LCD顯示屏顯示“Arriving at A Station”；運(yùn)行方向?yàn)閺谋本┓矫嫦蛏钲诜矫鏁r(shí)，LCD顯示屏顯示“Leaving From A Station”。

（3） 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖6所示?？砂ü怆妭髌髂K、點(diǎn)陣動(dòng)電路、LCD液晶顯示、單片機(jī)控制模塊等部分[14]。

圖6 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)硬件電路主要包括單片機(jī)最少系統(tǒng)模塊、8*8LED點(diǎn)陣顯示模塊[15]、LM016l顯示模塊、74HC595點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)模塊及按鍵控制模塊等五大模塊。仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可知，當(dāng)前列車停止在K1的位置。

圖7 系統(tǒng)仿真結(jié)果之一

五 結(jié)語(yǔ)

該技術(shù)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用具有如下特點(diǎn)：（1）實(shí)驗(yàn)軟件不再受時(shí)空局限，充分共享，應(yīng)用虛擬化技術(shù)使得學(xué)習(xí)者不再局限在物理環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室機(jī)房?jī)?nèi)，也沒(méi)有時(shí)間限制，學(xué)習(xí)者可以隨時(shí)（例如課余時(shí)間）在宿舍、圖書(shū)館等利用各種信息設(shè)備終端進(jìn)入系統(tǒng)練習(xí)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。（2）實(shí)驗(yàn)軟件免安裝，部分實(shí)驗(yàn)軟件都需要在機(jī)器上安裝該軟件(即C/S結(jié)構(gòu))，有些軟件安裝配置過(guò)程較復(fù)雜，對(duì)學(xué)生們要求較高，也占用了大量學(xué)習(xí)時(shí)間。而應(yīng)用虛擬化技術(shù)則只需要管理員在服務(wù)器上一次安裝配置應(yīng)用程序，既高效又方便管理。（3）不受用戶設(shè)備（例如電腦）的限制，應(yīng)用虛擬化技術(shù)支持各種設(shè)備的訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)多終端接入，新興的各種終端例如iPad等都可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，帶來(lái)了極大的機(jī)動(dòng)性、靈活性。