盧 鑫，劉 曄

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

隨著鐵路信號領域新的技術(shù)和新裝備層出不窮，培訓出懂原理、善運用、會檢修的信號從業(yè)人員成為保障國內(nèi)鐵路信號領域健康發(fā)展的必然要求。信號培訓系統(tǒng)就在這一背景下應運而生。

現(xiàn)有的信號培訓系統(tǒng)，存在著種種弊端。部分受到?jīng)]有鐵路真實設備培訓平臺的限制，采用教儀仿真式的培訓平臺。主要依照課本理論知識，枯燥乏味地照本宣科，導致培訓效果不理想，實操的設備與現(xiàn)場實際在用設備存在較大差距；部分培訓系統(tǒng)僅針對單個信號系統(tǒng)的某些單個設備，通過仿真信號驅(qū)動來實現(xiàn)設備功能，并沒有針對系統(tǒng)級和線路級信號設備全系統(tǒng)的培訓功能，學習的深度和廣度受到影響。隨著鐵路高速發(fā)展和從業(yè)人員的增加，路局、工區(qū)和相關的職業(yè)學校都會有部分信號的室內(nèi)外實物設備，但是不全，全部購置又費用太大，所以這些機構(gòu)迫切需要一種技術(shù)，能夠基于其現(xiàn)有的部分實物構(gòu)建整套的信號培訓系統(tǒng)。

本文提出一種虛實互動的機制，能夠在不同實物設備條件，不同線路環(huán)境下，構(gòu)建整套信號培訓系統(tǒng)。利用本方法搭建的培訓系統(tǒng)能夠充分利用不同機構(gòu)實際的硬件設備環(huán)境，完成整套信號系統(tǒng)的功能及實訓實操的需求。

2 技術(shù)路線

本研究依托部分在用實物設備，來構(gòu)建整套的信號系統(tǒng)。主要通過虛擬模型和真實實物交互方式實現(xiàn)。目前現(xiàn)場在用的信號設備主要分為線路中心設備：無線閉塞中心（RBC）、臨時限速服務器（TSRS）、調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）中心；車站/中繼站設備：計算機聯(lián)鎖（CBI）、列控中心（TCC）、調(diào)度集中系統(tǒng)站機、集中監(jiān)測系統(tǒng)（CSM）、軌道電路室內(nèi)設備、道岔缺口監(jiān)測分機；室外設備：軌道電路室外設備、道岔轉(zhuǎn)轍機、應答器、信號機；車載設備：列車自動防護系統(tǒng)（ATP）、車載設備接口（DMI）、列車自動運行系統(tǒng)（ATO）等。

本研究應用的實物條件如下，但不限于以下幾條。

1）實物條件為整站實物，本研究能夠構(gòu)建基于整站實物的全線路含多個車站和中繼站的信號培訓系統(tǒng)。

2）實物條件為車站室內(nèi)部分實物，本方法能構(gòu)建基于車站室內(nèi)部分實物的完整車站室內(nèi)設備，三站兩區(qū)間或者整條線路的信號培訓系統(tǒng)。

3）實物條件為軌旁設備實物，本方法能構(gòu)建基于軌旁設備實物的完整車站設備，構(gòu)建三站兩區(qū)間或者整條線路的信號培訓系統(tǒng)。

4）實物條件為室內(nèi)實物設備，本方法能基于室內(nèi)實物設備構(gòu)建含室外軌旁設備，完整的室內(nèi)外聯(lián)動系統(tǒng)及三站兩區(qū)間或者整條線路的信號培訓系統(tǒng)。

5）實物條件為車載實物，本方法能基于車載實物構(gòu)建含室外地面設備，完整的車地互通系統(tǒng)及三站兩區(qū)間或者整條線路的信號培訓系統(tǒng)。

6）實物條件為地面實物設備的，本方法能基于室內(nèi)地面實物設備構(gòu)建含車載設備，完整地車地互通系統(tǒng)及三站兩區(qū)間或者整條線路的信號培訓系統(tǒng)。

3 實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

本研究能夠基于如上但不限于的實物條件，快速構(gòu)建完整的信號培訓系統(tǒng)。支撐這種機制實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)主要分為：底層支撐層；培訓綜合管理層；培訓綜合調(diào)度層；培訓綜合執(zhí)行層，如圖1 所示。

圖1 機制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Mechanism structure diagram

下面分別對各個層進行介紹。

3.1 底層支撐層

底層支撐層主要完成底層通信網(wǎng)絡的建立；數(shù)據(jù)以及消息的分發(fā)；系統(tǒng)時間同步；實物設備的接入等。為系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)傳輸，通信和連接作支撐。

底層通信網(wǎng)絡監(jiān)聽各個通信接口。各模型相互之間交換的原始數(shù)據(jù)包傳送給數(shù)據(jù)緩存與處理單元。數(shù)據(jù)緩存與處理單元將原始數(shù)據(jù)包按照與培訓綜合調(diào)度層的通信協(xié)議打包。數(shù)據(jù)上傳周期性地從待發(fā)送緩存隊列中取出所有數(shù)據(jù)，發(fā)送給培訓綜合調(diào)度層。

實物設備接入模塊，主要是接入如上文所述的信號系統(tǒng)的各種實物設備，以滿足各種實物條件的需要；為保證數(shù)據(jù)安全性，本方法將既有信號設備的維護監(jiān)測機、維護終端等信號設備的數(shù)據(jù)采集壓縮后，按照定義的格式將數(shù)據(jù)發(fā)送給培訓綜合調(diào)度層，不對信號實物設備進行任何修改，確保信號設備的可靠性。其特點是可以靈活配置被采集設備的類型以及數(shù)目，適配所有的被采集設備，能夠?qū)⒉煌愋偷臄?shù)據(jù)匯總，將異源數(shù)據(jù)同源化。

3.2 培訓綜合管理層

本層主要管理信號設備模型庫、線路模型庫、高鐵運行案例庫、車載設備工作模式庫和典型故障場景等。

1）設備模型庫：CTC 模型，聯(lián)鎖模型，TCC模型，軌道電路模型，道岔模型，信號機模型，應答器模型，RBC 模型，TSRS 模型，模擬駕駛臺，應答器傳輸模塊（BTM）模型、ATP 模型和DMI模型。本發(fā)明各種信號模型與實物，應用邏輯完全一致；通信格式完全一致；人機界面完全一致。能充分滿足培訓系統(tǒng)的要求。

2）地理線路模型：通過按照固定線路信息錄入，完成不同線路環(huán)境的實現(xiàn)。高鐵案例庫中包含的14 個運營場景包含：注冊與啟動，注銷，等級轉(zhuǎn)換，RBC 切換，行車許可，重聯(lián)與摘解，調(diào)車作業(yè)，人工解鎖進路，進出動車段，特殊進路，自動過分相，降級，臨時限速，災害防護；9 個車載工作模式：待機模式、完全監(jiān)控模式、部分監(jiān)控模式、引導模式、目視行車模式、調(diào)車監(jiān)控模式、機車信號模式、隔離模式、休眠模式。

3）典型故障場景：CTC 故障，列控中心故障，安全數(shù)據(jù)網(wǎng)故障，RBC 故障，TSRS 故障，轉(zhuǎn)轍機故障，軌道電路故障，集中監(jiān)控故障，聯(lián)鎖故障，信號機故障等。

4）虛擬現(xiàn)實培訓中各種三維模型庫、場景模型庫、基礎的學習課件等。本層實行智能管理方式，各模型均可支持系統(tǒng)版本升級，線路場景擴展，三維模型具有可編輯性，課件學習可按照需求編輯。

3.3 培訓綜合調(diào)度層

培訓綜合調(diào)度層是此研究的核心，系統(tǒng)框架根據(jù)配置文件，動態(tài)加載相應的數(shù)據(jù)預處理和表示模塊，使系統(tǒng)的部署更加靈活快速。

為便于在培訓綜合調(diào)度層與培訓綜合執(zhí)行交互層內(nèi)部及兩個子系統(tǒng)之間傳遞數(shù)據(jù)，即通過消息幀如圖2 所示，通過分析信號培訓系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)的信息，定義一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)容為：消息類型；消息標識符；時間戳；字符串鍵值對；字符串數(shù)組鍵值對；信息包鍵值對；信息包數(shù)組鍵值對（存儲信息包數(shù)組信息的哈希表，哈希表的鍵為字符串類型，值是信息包數(shù)組類型，用于名稱與多個并列信息包的對應）。對于上述提到的信息包，其由以下幾部分組成：字符串鍵值對；字符串數(shù)組鍵值對；信息包鍵值對；信息包數(shù)組鍵值對。

圖2 消息幀幀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Message frame structure diagram

由于消息的層次化結(jié)構(gòu)，使得其與XML 的相互轉(zhuǎn)換變得極為自然和容易，不僅能在網(wǎng)絡傳輸、調(diào)用既有的XML 相應方法上獲得便利，而且能夠在異構(gòu)系統(tǒng)之間實現(xiàn)消息通信。本研究通過此方法實現(xiàn)消息的通信。

培訓綜合調(diào)度層接收底層支撐層各類設備數(shù)據(jù)信息，根據(jù)數(shù)據(jù)的類型不同，調(diào)用不同的數(shù)據(jù)解析單元對數(shù)據(jù)進行解析和處理。

無論采用哪種方式，航運業(yè)的低硫化、環(huán)?；?、清潔化趨勢已經(jīng)成為潮流，航運公司正在積極加大節(jié)能減排和清潔能源技術(shù)的研發(fā)投入，一方面會通過降速航行、安裝節(jié)能設備、強化燃油管理等方式降低燃油消耗，另一方面會在清潔能源技術(shù)方面加大投入，液化天然氣、液化石油氣、甲醇、氫能源、太陽能等清潔能源的應用會大大加速。國際海事組織低硫新政策將進一步加快推動全球航運業(yè)的綠色發(fā)展。

考慮到壓縮數(shù)據(jù)本身如果在數(shù)據(jù)發(fā)送的時候進行，而數(shù)據(jù)發(fā)送只有一個線程，所有的負荷都集中在該線程上，為實現(xiàn)負載均衡，在處理過程中，接收線程在接收數(shù)據(jù)的過程中就完成數(shù)據(jù)的壓縮工作，這樣可以將更多的負荷平均到多個接收線程中，達到負載均衡的目的。采用節(jié)點采集的機制，可以更加有效地利用云平臺多處理器并發(fā)的硬件優(yōu)勢，達到提高系統(tǒng)響應速度的目的。

3.4 培訓綜合執(zhí)行交互層

考慮到培訓系統(tǒng)中各層間的功能劃分以及“高內(nèi)聚，低耦合”的設計要求，遂將培訓系統(tǒng)中與用戶交互的展示和操作界面部分和培訓執(zhí)行提取出來，整合成“培訓綜合執(zhí)行交互層”進行設計和開發(fā)。

信號培訓系統(tǒng)在運行過程中需要將底層設備的數(shù)據(jù)和培訓系統(tǒng)的各種的結(jié)果等通過直觀的方式展現(xiàn)給用戶，故需要具備能夠?qū)⑽淖?、圖表、動畫等多種手段進行展示的執(zhí)行交互層。同時，培訓系統(tǒng)還需要向用戶提供便捷、靈活的操作界面，以接受用戶輸入的指令。

本方法能夠快速靈活的實現(xiàn)培訓內(nèi)容的設計。腳本通過XML 消息通信的方式完成腳本注入。培訓腳本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也采用消息幀的形式。其相應的內(nèi)容包含：線路信息，車站信息，設備信息，車地信信息，車載信息，案例信息等。

培訓綜合執(zhí)行交互層包含虛實互動的三維培訓漫游功能；培訓綜合執(zhí)行交互層包含“學練考”結(jié)合的教學考試功能。

4 運行機制

本研究提出的虛實互動的機制可根據(jù)培訓內(nèi)容靈活構(gòu)建培訓系統(tǒng)。系統(tǒng)運行機制如圖3 所示。

圖3 機制流程圖Fig.3 Mechanism flow chart

1）制訂培訓計劃，按照培訓腳本數(shù)據(jù)格式編制腳本。

2）向培訓綜合執(zhí)行交互層注入培訓腳本。

3）培訓綜合執(zhí)行交互層將培訓腳本傳輸至培訓綜合調(diào)度層，依據(jù)配置文件，完成數(shù)據(jù)預處理，表示模塊的解析。

4）培訓綜合管理層依照培訓綜合調(diào)度層消息生成線路環(huán)境，各種模型及案例庫。

5）培訓綜合調(diào)度層驅(qū)動底層支撐層，通過底層通信網(wǎng)絡的建立；數(shù)據(jù)以及消息的分發(fā)；系統(tǒng)時間同步；實物設備的接入，構(gòu)建成完整的培訓系統(tǒng)。通過消息訂閱的方式來獲取底層設備信息狀態(tài)。

6）系統(tǒng)構(gòu)建正常，既按照操作指令完成培訓任務。

通過本方法，能夠快速在既有實物設備基礎上建立信號培訓系統(tǒng)。本方法硬件部署采取云平臺共享硬件資源的開放方式，系統(tǒng)可以構(gòu)建在若干虛擬機上，實現(xiàn)系統(tǒng)部署的分散式。同時各種培訓交互界面，也采取相應的虛擬機共享方式，使其培訓的地點不必局限于一地。

5 應用與總結(jié)

本研究目前已成功應用于大鐵信號培訓和城軌信號培訓領域等。同時其產(chǎn)品已經(jīng)成功在鐵路局職培基地和鐵路院校實訓基地完成工程實施和應用。自應用以來以其真實生動、界面友好，能夠滿足信號系統(tǒng)的運用、檢修、故障處理等方面的需求，深受使用者的歡迎和好評。下一步本研究將應用于鐵路調(diào)度和運輸培訓等領域中。

本研究提供一種虛實互動的方式來構(gòu)建信號培訓系統(tǒng)，研究的重點不在于通過純模擬方式在固定的線路環(huán)境下建立信號仿真平臺。而是針對信號的培訓特點，依托信號系統(tǒng)各種實物設備，建立能夠適應不同實物設備條件，不同線路環(huán)境下，快速搭建整套信號培訓系統(tǒng)。搭建好的培訓系統(tǒng)能夠充分利用不同使用單位的硬件設備環(huán)境，完成整套培訓系統(tǒng)的功能及實訓實操；本方法還預留信號設備擴充的接口，當業(yè)主后期具備資金購置新的信號設備時，培訓系統(tǒng)能快速地將這些信號設備納入系統(tǒng)中來。