薄宜勇，賈英澤，羅惟洲，徐子軒

機車信號是設(shè)于機車駕駛室內(nèi)的車載設(shè)備,通過安裝在機車上的感應(yīng)線圈連續(xù)接收鋼軌上傳遞的移頻信息,經(jīng)過調(diào)諧、解碼、放大后,控制車載電路,把地面信號的顯示狀態(tài)復(fù)示到機車信號燈上,并輸出運行指令到顯示裝置,以此作為控制機車運行的基本條件。機車信號設(shè)備具有保證行車安全,提高運輸效率及改善司機的勞動強度等作用,在我國鐵路已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

1 機車信號培訓(xùn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀

既有的機車信號仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要由一體化機車信號車載設(shè)備、信號頻率模擬發(fā)送箱和傳輸通道3部分組成。一體化機車信號主機含有人機界面顯示單元、8顯示信號機、安全信息綜合監(jiān)測裝置（TAX2）、軌道信息接收單元等設(shè)備；信號頻率模擬發(fā)送箱由信號低頻、載頻發(fā)生器,LED控制面板設(shè)備組成；傳輸通道是鋪設(shè)的一段軌道電路。在培訓(xùn)系統(tǒng)上,操作人員可手動操縱一體化車載設(shè)備上的司控器、大小閘來控制壓力及柴油機轉(zhuǎn)速的發(fā)送,并在模擬壓力表和LKJ顯示器上顯示相應(yīng)的數(shù)值,同時機車信號接收軌道上傳來的低頻信號信息,經(jīng)濾波、解碼放大后,點亮8顯示機車信號顯示器,并產(chǎn)生列車速度控制曲線,監(jiān)督和控制機車安全運行。機車信號仿真培訓(xùn)系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 機車信號仿真培訓(xùn)系統(tǒng)框圖

目前,利用既有的機車信號仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在實際教學(xué)中主要存在以下問題,影響到教學(xué)的質(zhì)量和效果。

1）在學(xué)院,多數(shù)學(xué)員都是初次接觸鐵路信號相關(guān)知識,而機車信號并不是單一的系統(tǒng),它與地面車站信號、區(qū)間信號、值班員辦理進路、前方列車運行等多種因素有關(guān)。若單獨講解機車信號設(shè)備而沒有地面信號設(shè)備做參照,學(xué)員們就很難理解機車信號顯示與地面信號的關(guān)聯(lián)關(guān)系,以及低頻信息在本區(qū)間和相鄰區(qū)間的排列方式,列車接近、進站、出站地面顯示情況等。

2）既有的頻率發(fā)生器設(shè)計有自動、手動2種運行方式。在自動狀態(tài)時,發(fā)碼器按照既有設(shè)定的順序產(chǎn)生發(fā)碼頻率,信號在不同制式、不同載頻、不同低頻中跳動,教師無法進行有序的教學(xué)演示；當切換到手動狀態(tài)時,通過按壓面板上的12個按鍵,雖可手動選擇不同的載頻、低頻,但由于按鈕多、功能復(fù)雜,且需要多次重復(fù)按壓,使用極不方便,也同樣影響教學(xué)效果。

為此,迫切需要對既有的機車信號實訓(xùn)設(shè)備進行升級改造,即在不改變現(xiàn)有設(shè)備功能的前提下,通過增加相應(yīng)的軟硬件設(shè)施,擴展新的技術(shù)功能。

2 功能需求

2.1 鐵路運行全過程的仿真系統(tǒng)

利用軟件編制出一個具有復(fù)線區(qū)間線路的聯(lián)鎖車站,區(qū)間為雙線雙向無絕緣移頻自動閉塞制式,增加區(qū)間軌道電路及區(qū)間信號機顯示,并將車站上、下行線路區(qū)間連接形成閉環(huán)。在聯(lián)鎖車站仿真界面上,可以設(shè)置列車信息,模擬列車運行［1］。系統(tǒng)通過以太網(wǎng)通信接口與機車信號仿真設(shè)備連接,實現(xiàn)既有機車信號設(shè)備有機地融入到車站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)。車站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)需具備以下功能［2-3］。

1）在聯(lián)鎖界面上辦理接發(fā)車、引導(dǎo)以及調(diào)車作業(yè),實現(xiàn)列車通過正常解鎖及人工故障解鎖能辦理道岔單鎖、封閉操作。

2）區(qū)間設(shè)有軌道電路區(qū)段和區(qū)間信號機,并可在站內(nèi)正線及區(qū)間所有軌道區(qū)段,實現(xiàn)18信息低頻編碼的碼序值顯示。

3）實現(xiàn)自動閉塞方向電路功能,排列發(fā)車進路時自動改變線路運行方向,當出現(xiàn)“雙接”或區(qū)間軌道故障時,可以采取輔助辦理方式改變運行方向。

4）能夠與機車信號發(fā)碼器連接,由發(fā)碼器發(fā)送機車占用區(qū)段的低頻編碼值。

5）具有設(shè)置站內(nèi)信號機斷絲、道岔斷表示、軌道電路故障占用等仿真功能；同時可以設(shè)置區(qū)間信號機斷絲、區(qū)間軌道電路占用、方向電路雙接故障等功能。

6）在仿真界面的線路上可以設(shè)置列車信息,操作人員可控制列車自動或手動運行。

2.2 機車信號頻率發(fā)生器改造升級

機車信號頻率發(fā)生器主要由控制面板電路和頻率發(fā)生器組成?？刂泼姘遑撠熯x擇功能、設(shè)置頻率；頻率發(fā)生器負責產(chǎn)生移頻信息,并發(fā)送到鋼軌上?？刂泼姘迳嫌?2個按鍵和2個LED顯示條,將手動操作改造為與聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)連接,根據(jù)列車在線路的位置自動選擇設(shè)置頻率。同時將控制面板軟件化,即實現(xiàn)用鼠標點擊的方式,在電腦仿真界面上手動控制發(fā)送頻率信息,并能接收車站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)的編碼信息,控制頻率發(fā)生器設(shè)置頻率。

2.3 車站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)與頻率發(fā)生器接口

車站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)與頻率發(fā)生器采用串口或網(wǎng)絡(luò)（UDP）2種常用的通信方式,通信穩(wěn)定,易于日常維護管理。具體連接方式見圖2。

圖2 車站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)與頻率發(fā)生器接口

2.4 軟硬件開發(fā)環(huán)境

在Windows平臺下,軟件開發(fā)采用面向?qū)ο蟮腃#語言,通過提供大量的開發(fā)控件,輔助開發(fā)人員建立復(fù)雜應(yīng)用；硬件采用單片機電路板。

3 設(shè)計實現(xiàn)

3.1 車站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)

車站聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)以計算機聯(lián)鎖為基礎(chǔ),運用軟件工程開發(fā)模式,進行模塊化、分層化設(shè)計［3］,從而保證系統(tǒng)具有廣泛的適用性和可維護性。根據(jù)對車站仿真系統(tǒng)的需求,系統(tǒng)可分為以下3個功能模塊。

1）車站聯(lián)鎖邏輯模塊,實現(xiàn)進路選擇、鎖閉、開放信號、解鎖等進路控制的全部過程。按照最新《鐵路車站計算機聯(lián)鎖技術(shù)條件》（TB/T 3027-2015）的內(nèi)容要求,參考6502電氣集中電路控制邏輯特點［4］,可以把軟件細分為進路建立模塊、道岔模塊、信號模塊、區(qū)段模塊、人工及故障解鎖模塊等子模塊［5］。在有操作命令時,調(diào)用對應(yīng)子模塊進行聯(lián)鎖邏輯運算,并且進行聯(lián)鎖進路處理。聯(lián)鎖邏輯運算流程圖和聯(lián)鎖進路處理流程圖分別如圖3,圖4所示。

圖3 聯(lián)鎖邏輯運算流程圖

圖4 聯(lián)鎖進路處理流程圖

2）操作顯示界面模塊,主要實現(xiàn)顯示站場圖形和下達操作命令功能。遵循模塊化設(shè)計方法,操作顯示軟件劃分為：站內(nèi)站場/區(qū)間顯示、人工操作命令處理、自動模擬列車運行、與其他模塊通信等子功能模塊［5］,見圖5。軟件首先初始化站場圖形；再根據(jù)操作人員的命令,進行編碼后發(fā)送到聯(lián)鎖邏輯模塊；最后根據(jù)接收聯(lián)鎖的狀態(tài)信息,處理后不斷刷新整個站場界面。為了使界面顯示具有通用性,其包含的信號機、道岔、軌道區(qū)段、文字、按鈕圖形以及操作方式都按照國家鐵路局《車站計算機聯(lián)鎖操作顯示技術(shù)規(guī)范》的要求［5-6］進行規(guī)范性設(shè)計。

圖5 操作顯示模塊結(jié)構(gòu)

3）故障設(shè)置模塊,見圖6。為了仿真軟件更貼近現(xiàn)場實際情況,聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)需要有模擬信號設(shè)備故障的功能。具體分為信號、道岔、軌道、區(qū)間4大類,包括信號機斷絲及恢復(fù)、道岔斷表示及恢復(fù)、軌道電路故障、軌道停電、區(qū)間方向“雙接”設(shè)置等［7］。

圖6 故障設(shè)置功能模塊

3.2 頻率發(fā)生器改造設(shè)計

升級后的頻率發(fā)生器面板見圖7?？刂撇糠珠_發(fā)設(shè)計分為面板仿真界面軟件和智能控制電路板2部分。

圖7 頻率發(fā)生器面板

仿真軟件界面完全仿真控制器面板,并增加了按鈕動作的記錄功能。該軟件接收聯(lián)鎖操作顯示軟件的碼序命令,同時也可用鼠標手動操作。智能控制電路板卡基于STM 32主控芯片的控制器開發(fā),實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的采集和輸出?？刂破靼ㄍㄐ拍K、繼電器I/O模塊、組態(tài)邏輯運算模塊等。智能控制電路板與仿真界面軟件采取RS-232串口通信方式。

仿真界面軟件與聯(lián)鎖操作軟件采用UDP網(wǎng)絡(luò)通信方式,操作表示主機每隔500 ms向編碼器界面軟件發(fā)送編碼信息。通信內(nèi)容格式見表1。

表1 操作表示主機與編碼器界面軟件通信內(nèi)容格式

4 功能應(yīng)用

1）發(fā)碼功能演示。聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)運行界面見圖8,在進站信號機顯示黃閃黃（USU）信號時,演示機車信號接收雙黃閃碼的情況,可在聯(lián)鎖仿真界面上辦理一條彎進直出（經(jīng)過大號碼道岔側(cè)向）的列車進路,在S進站信號機外方S3JG區(qū)段設(shè)置機車占用,此時該區(qū)段發(fā)送低頻19.1（UUS）碼,同時自動控制機車信號顯示一個雙半黃色閃光［8］。

圖8 聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)運行界面

2）聯(lián)鎖操作功能演示。在IAG設(shè)置故障,模擬進站內(nèi)方區(qū)段第一區(qū)段發(fā)生故障后,再開放引導(dǎo)信號,此時需要在15 s內(nèi)重復(fù)按壓引導(dǎo)信號,否則信號會關(guān)閉。

3）區(qū)間信號故障紅燈轉(zhuǎn)移功能演示。設(shè)置區(qū)間通過信號故障不能點亮,其后方通過信號機自動轉(zhuǎn)為紅燈狀態(tài),相應(yīng)碼序也跟隨變化。

4）區(qū)間改方操作演示。辦理改方操作有正常改方和輔助改方2種情況。正常改方時,需本區(qū)間無車且對方車站沒有辦理向該口的發(fā)車進路。例如向X口反向發(fā)車,檢查區(qū)間燈空閑,先按壓允許改方,再排列SⅡ至X的列車進路,區(qū)間就自動轉(zhuǎn)換發(fā)車方向。輔助改方辦理時,先設(shè)置區(qū)間某區(qū)段故障或“雙接”故障,然后對兩站進行輔助辦理操作完成區(qū)間改方［9］。

此外,通過聯(lián)鎖仿真系統(tǒng),還可以進行調(diào)車進路辦理,進路總?cè)私?、故障解鎖、道岔單操單鎖、引導(dǎo)總鎖閉等基礎(chǔ)操作［10］,實現(xiàn)接發(fā)車培訓(xùn)及非正常作業(yè)情況時的演練功能；同時,聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)與機車信號仿真系統(tǒng)密切融合,形成聯(lián)動,為教師和學(xué)員創(chuàng)造出一個虛實結(jié)合、多場景的機車信號專業(yè)知識教學(xué)、實踐的環(huán)境。

5 結(jié)束語

經(jīng)過改造的機車信號仿真系統(tǒng),在充分了解既有設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)情況下,運用合理成熟的軟硬件開發(fā)技術(shù),借鑒同類型系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的先進經(jīng)驗,使用成熟的開發(fā)平臺和應(yīng)用環(huán)境,使系統(tǒng)在功能和技術(shù)上保持先進性,為院校教學(xué)資源的優(yōu)化配置、培養(yǎng)高素質(zhì)和有創(chuàng)新精神的人才提供有力保證。通過在南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院的實際測試應(yīng)用結(jié)果表明,該系統(tǒng)達到既定的設(shè)計目標,取得了良好的教學(xué)效果。