摘  要： 由于在教學(xué)中不能到控制臺(tái)上進(jìn)行演練，學(xué)生缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)符合鐵道部相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的單線接發(fā)列車仿真系統(tǒng)。主要介紹了該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、基于組件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)以及仿真系統(tǒng)故障模擬的要點(diǎn)。通過該系統(tǒng)，教師可以設(shè)置實(shí)際運(yùn)行中所發(fā)生的故障，培養(yǎng)學(xué)生處理故障的能力。

　　關(guān)鍵詞： 組件；故障；仿真

0 引言

　　現(xiàn)如今對(duì)于鐵路仿真系統(tǒng)的進(jìn)路排列、聯(lián)鎖和進(jìn)路解鎖算法的研究已有很多并已很完善，但是在此基礎(chǔ)上，對(duì)于鐵路故障的仿真卻十分少見。為了讓學(xué)生在校期間能充分了解鐵路列車系統(tǒng)設(shè)備組成，提高處理故障的能力，保證鐵路運(yùn)輸過程中的安全，本文設(shè)計(jì)了列車運(yùn)行的故障仿真。通過單線接發(fā)列車仿真系統(tǒng)，有助于學(xué)生體驗(yàn)車務(wù)人員的日常工作流程，教師也可以通過教師機(jī)對(duì)學(xué)員機(jī)進(jìn)行故障的設(shè)置，提高學(xué)員隨機(jī)應(yīng)對(duì)、處理特殊情況的應(yīng)急能力。

1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)中每個(gè)實(shí)驗(yàn)室各有沙盤一套（含3個(gè)車站）、沙盤接口系統(tǒng)一套，圖1為單線鐵路仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)由大屏幕顯示部分、教師機(jī)（管理服務(wù)器）、學(xué)員機(jī)（操作機(jī)）、沙盤模型、調(diào)度電話等部分組成。單線接發(fā)列車仿真系統(tǒng)沙盤設(shè)A、B、C三個(gè)站，B站接大屏顯示。教師機(jī)可以對(duì)A、B、C三個(gè)站及區(qū)間設(shè)置故障。

　　教練機(jī)起著模擬站場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)的作用，如：設(shè)置信號(hào)故障、道岔故障、區(qū)段故障和模擬列車運(yùn)行等，并可把這些狀態(tài)信息發(fā)送至學(xué)員機(jī)。同時(shí)在學(xué)員機(jī)的對(duì)應(yīng)設(shè)備上顯示其狀態(tài)信息，來(lái)作為學(xué)員模擬站場(chǎng)故障的處理，以達(dá)到提高學(xué)員處理故障問題的能力。教師機(jī)可以同時(shí)連接多臺(tái)學(xué)員機(jī)，學(xué)員機(jī)與教師機(jī)之間的通信是雙向的，只有當(dāng)學(xué)員機(jī)連上了教師機(jī)才可以進(jìn)行全部操作。教師機(jī)的主要界面如圖2所示。

　　學(xué)員機(jī)起著仿真模擬現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)（操作臺(tái)）的作用。學(xué)員機(jī)具有以下功能：接收教練機(jī)發(fā)送來(lái)的信號(hào)設(shè)備狀態(tài)信息（區(qū)段狀態(tài)、道岔狀態(tài)和信號(hào)機(jī)狀態(tài)等），實(shí)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備的聯(lián)鎖邏輯處理功能，完成進(jìn)路確選、鎖閉、發(fā)出開放信號(hào)和動(dòng)作道岔的控制命令。學(xué)員可以在學(xué)員機(jī)上學(xué)習(xí)正常和非正常時(shí)的處理方法，培養(yǎng)解決故障的能力。

2 仿真系統(tǒng)故障模擬的功能結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)列車在實(shí)際運(yùn)行途中故障處理的標(biāo)準(zhǔn)操作流程，可以將單線接發(fā)列車仿真系統(tǒng)故障模擬分為故障的設(shè)置、故障的處理、故障的監(jiān)視、模擬列車的運(yùn)行等步驟。所以將單線接發(fā)列車仿真系統(tǒng)故障模擬分為5個(gè)模塊：聯(lián)鎖功能模塊、聯(lián)鎖信息數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、故障顯示模塊、故障設(shè)置模塊和故障處理模塊，各個(gè)模塊相輔相成。將意義相近的步驟整合到同一個(gè)模塊中，各模塊之間相互獨(dú)立，每個(gè)模塊完成自己的功能。這種分布的體系結(jié)構(gòu)及模塊間的獨(dú)立性，保證了系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性[1-2]。圖3為故障模擬的功能模塊結(jié)構(gòu)圖。

　　2.1 聯(lián)鎖功能模塊

　　該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)以聯(lián)鎖軟件模塊為基礎(chǔ)，聯(lián)鎖軟件模塊通過數(shù)據(jù)庫(kù)模塊讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。同時(shí)聯(lián)鎖模塊通過計(jì)算故障顯示模塊傳來(lái)的操作信息，得到更新的顯示信息，再更新數(shù)據(jù)庫(kù)中相對(duì)應(yīng)的信息。

　　2.2 聯(lián)鎖信息數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊

　　數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)和維護(hù)系統(tǒng)所有的信息，是其他模塊的數(shù)據(jù)后臺(tái)，可以為其他模塊提供數(shù)據(jù)提取和存儲(chǔ)服務(wù)。在該仿真系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)需要的數(shù)據(jù)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。在程序運(yùn)行前，被手動(dòng)輸入的數(shù)據(jù)就是靜態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，在程序運(yùn)行的過程中不會(huì)發(fā)生變化。關(guān)于區(qū)段、信號(hào)機(jī)、道岔的位置之類的都是靜態(tài)數(shù)據(jù)。在運(yùn)行了系統(tǒng)后，根據(jù)人員的操作，不斷變化的列車信息、信號(hào)機(jī)的狀態(tài)等都是動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)。

　　2.3 故障顯示模塊

　　故障顯示模塊提供了一個(gè)人機(jī)交互的界面，使得該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能夠靈活地適應(yīng)不同的場(chǎng)景。根據(jù)鐵路的現(xiàn)場(chǎng)情況，按照標(biāo)準(zhǔn)繪制站場(chǎng)圖，使模擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境基本一致，包括信號(hào)機(jī)、區(qū)段、道岔的位置等。故障顯示模塊可以實(shí)時(shí)地提供列車運(yùn)行的狀態(tài)信息以及故障信息的顯示。

　　2.4 故障設(shè)置模塊

　　系統(tǒng)分為教師機(jī)和學(xué)生機(jī)兩大部分，故障設(shè)置模塊是教師機(jī)的重要組成部分。在教師機(jī)上教師可以模擬故障設(shè)置，設(shè)置的故障主要包括信號(hào)機(jī)故障、區(qū)段故障、道岔故障等。在這個(gè)模塊中還設(shè)計(jì)了與數(shù)據(jù)庫(kù)信息的邏輯操作、教師機(jī)與學(xué)生機(jī)之間的通信以及故障設(shè)置的顯示。

　　2.5 故障處理模塊

　　故障處理模塊是學(xué)員機(jī)的核心部分，它提供了故障處理的平臺(tái)。學(xué)生機(jī)接收到教師機(jī)設(shè)置的故障后，根據(jù)每個(gè)故障的不同情況進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的處理，同時(shí)教師機(jī)上也可以看到學(xué)生的處理結(jié)果。

3 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 組件的設(shè)計(jì)

　　站場(chǎng)圖是該仿真系統(tǒng)的主視圖，繪制站場(chǎng)圖是開發(fā)該仿真系統(tǒng)的第一步。通過對(duì)實(shí)際站場(chǎng)圖的分析，將整個(gè)站場(chǎng)圖劃分為幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的組件，并將組件的不同顯示狀態(tài)封裝為組件不同屬性的設(shè)定或方法調(diào)用。這些組件統(tǒng)稱為站場(chǎng)圖組件[3]。

　　3.1.1 組件的劃分

　　站場(chǎng)圖組件是微機(jī)聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)中可視組件的一部分，它們分別對(duì)應(yīng)于站場(chǎng)圖中的圖形元素。這些圖形元素可以通過改變顏色或者形狀來(lái)表達(dá)不同的含義。通過對(duì)實(shí)際站場(chǎng)的分析，提取出通用的站場(chǎng)組件，包括區(qū)段組件、道岔組件、信號(hào)組件等。

　　3.1.2 組件屬性的設(shè)計(jì)

　　組件的屬性分為以下兩類：靜態(tài)屬性和動(dòng)態(tài)屬性。靜態(tài)屬性是指使用組件進(jìn)行站場(chǎng)圖設(shè)計(jì)或者界面設(shè)計(jì)時(shí)可以修改的一類組件屬性，如道岔的朝向、區(qū)段的長(zhǎng)短、信號(hào)機(jī)的種類等。動(dòng)態(tài)屬性是指在繪制站場(chǎng)圖時(shí)無(wú)需設(shè)置的屬性或者設(shè)置默認(rèn)的屬性，但在程序運(yùn)行的過程中可以不斷更改的屬性。組件的動(dòng)態(tài)屬性主要包括區(qū)段占用、故障、道岔的定反、信號(hào)機(jī)的斷絲等。這些動(dòng)態(tài)屬性在故障仿真中起著重要作用。因?yàn)樵诜抡嫦到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)由教師進(jìn)行故障設(shè)置，故障的表示用到了組件的動(dòng)態(tài)屬性。

　　3.1.3組件的實(shí)現(xiàn)

　　在該仿真系統(tǒng)中，將邏輯相對(duì)獨(dú)立、使用頻率較高的模塊封裝成為ActiveX組件。微軟的ActiveX技術(shù)遵循了COM組件定義的規(guī)范，ActiveX對(duì)象將只對(duì)外部提供嚴(yán)格規(guī)范的調(diào)用接口。使用ActiveX組件技術(shù)來(lái)開發(fā)通用組件，縮短了仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)周期，并使得軟件質(zhì)量得到了可靠的保證。在系統(tǒng)中利用VB開發(fā)了ActiveX組件。因?yàn)樵赩B中，可以很好地解決透明問題，這樣在拼站場(chǎng)圖時(shí)就不存在組件之間的遮擋問題。圖4為進(jìn)站信號(hào)機(jī)，方向是從左到右，名稱為X1。信號(hào)機(jī)的名稱、信號(hào)機(jī)的朝向等都是靜態(tài)屬性。信號(hào)機(jī)的故障類型等在仿真模擬時(shí)才會(huì)用到的屬性則是信號(hào)機(jī)的動(dòng)態(tài)屬性。

　　在編寫組件時(shí)，第一步是按照現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)機(jī)樣子進(jìn)行模擬，用程序把它畫出來(lái)。信號(hào)機(jī)是用有顏色的圈圈和一個(gè)水平的“|—”組合表示的。接著就是編寫信號(hào)機(jī)的各種屬性以及各種屬性所對(duì)應(yīng)的各種信號(hào)機(jī)的狀態(tài)。以信號(hào)機(jī)的名字屬性作為例子來(lái)說明。

　?。?）通過ReadProperties來(lái)讀取ID屬性的值。

　　Private Sub UserControl_ReadProperties（PropBag As PropertyBag）

　　m_ID=PropBag.ReadProperty（"ID"，def_ID）

　　End Sub

　　（2）通過WriteProperties來(lái)保存ID屬性的值。

　　Private Sub UserControl_WriteProperties（PropBag As PropertyBag）

　　Call PropBag.WriteProperty（"ID"， m_ID， def_ID）

　　End Sub

　　（3）通過Get函數(shù)獲取信號(hào)機(jī)當(dāng)前的ID，再通過Let函數(shù)設(shè)置信號(hào)機(jī)新的ID名稱。

　　Public Property Get ID（） As String

　　ID=m_ID

　　End Property

　　Public Property Let ID（ByVal vNewValue As String）

　　Dim ss As String

　　ss=m_ID

　　m_ID=vNewValue

　　PropertyChanged "ID"

　　RaiseEvent CaptionChanged（ss， vNewValue）

　　UserControl.Refresh

　　End Property

　　編寫完組建后，生成.ocx文件就可以在仿真系統(tǒng)中運(yùn)用了。圖5所示是編寫完成的信號(hào)機(jī)組件的一部分屬性。

　　3.2 聯(lián)鎖表的編制

　　聯(lián)鎖表反映了車站內(nèi)的道岔、進(jìn)路和信號(hào)機(jī)之間的聯(lián)鎖關(guān)系。根據(jù)站場(chǎng)圖，按照信號(hào)機(jī)排列順序列出本站可辦理的所有進(jìn)路，按照這種進(jìn)路的排列順序完成聯(lián)鎖表的編制。每條進(jìn)路中聯(lián)鎖內(nèi)容包括進(jìn)路的始端信號(hào)機(jī)、終端信號(hào)機(jī)、道岔鎖閉、區(qū)段鎖閉、敵對(duì)條件等。

　　采用Accesss數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中主要存儲(chǔ)了關(guān)于信號(hào)機(jī)、道岔、區(qū)段的信息。以信號(hào)機(jī)為例，在數(shù)據(jù)庫(kù)中保存了信號(hào)機(jī)的Index（站場(chǎng)圖上的編號(hào)）、ID（站場(chǎng)圖上的名稱）、Type（0-進(jìn)站、1-出站、2-調(diào)車、3-區(qū)間）、Direct（信號(hào)機(jī)的方向）、FirstQD（信號(hào)機(jī)朝向所對(duì)應(yīng)的區(qū)段或者道岔）、JJQD（靠近信號(hào)機(jī)的區(qū)段或者道岔）、Difference（差置信號(hào)）、Apposition（并置信號(hào)）以及YH（所在咽喉）這些信息。

　　3.3 故障仿真

　　3.3.1 故障的分類

　　在該模塊中故障主要有區(qū)段故障、信號(hào)機(jī)故障、道岔故障。其中區(qū)段故障有區(qū)段占用、區(qū)段故障、區(qū)段壓不死等；信號(hào)機(jī)故障有設(shè)置紅燈燈絲斷、設(shè)置黃燈燈絲斷、設(shè)置白燈燈絲斷等；道岔故障有道岔定反無(wú)表示、道岔定位無(wú)表示、道岔反位無(wú)表示等[4]。

　　3.3.2 故障仿真的實(shí)現(xiàn)

　　故障仿真通過教師設(shè)置故障類型、故障的地點(diǎn)，在站場(chǎng)視圖上模擬出故障。當(dāng)仿真軟件運(yùn)行到故障發(fā)生時(shí)刻時(shí)，站場(chǎng)視圖上的相應(yīng)設(shè)備組件會(huì)被設(shè)置成故障狀態(tài)，站場(chǎng)視圖上的其他設(shè)備也會(huì)做出相應(yīng)狀態(tài)改變。如信號(hào)機(jī)斷絲表示此處列車無(wú)法通過。要做到逼真的故障仿真，就要保證其發(fā)生時(shí)，站場(chǎng)視圖上的各設(shè)備狀態(tài)與故障現(xiàn)場(chǎng)一致。

　　在該仿真系統(tǒng)中道岔、信號(hào)、區(qū)段的操作和故障設(shè)置在對(duì)應(yīng)設(shè)備的下拉菜單中，圖6是信號(hào)機(jī)的下拉菜單。

　　以信號(hào)機(jī)的斷絲故障為例，當(dāng)顯示設(shè)置紅燈燈絲斷時(shí)，先去找到相對(duì)應(yīng)的斷絲故障的bit位，并對(duì)該位置進(jìn)行設(shè)置。

　　Public Sub SetXHErr（ByVal Index As Integer， ByVal DW As Integer， blnFlag As Boolean）

　　Dim oldXHErr As Boolean

　　oldXHErr=frmMain.XH（Index）.Error Or frmMain.XH（Index）.Fault

　　If blnFlag Then

　　Select Case DW

　　Case 1 ′紅

　　frmMain.XH（Index）.ErrDW1 = True

　　If Not FindBit（Index， 0） Then

　　SetBit Index， 1， False

　　SetBit Index， 2， False

　　End If

　　SetBit Index， 7， True

　　………………………….

　　ShowSpecialErrInfo XHInfo（Index）.YH

　　End Sub

　　ShowSpecialErrInfo函數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障的顯示，并且把發(fā)現(xiàn)故障的信號(hào)機(jī)加入到故障信息列表里，以便于后面的查看。

4 結(jié)論

　　單線接發(fā)列車仿真系統(tǒng)為學(xué)生提供了一個(gè)逼真的實(shí)訓(xùn)環(huán)境。該系統(tǒng)的故障模擬有助于學(xué)生體驗(yàn)車務(wù)人員的日常工作流程，教師也可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行故障的設(shè)置，提高學(xué)員隨機(jī)應(yīng)對(duì)、處理特殊情況的應(yīng)急能力。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 趙根苗，陳永生.ATS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].城市軌道交通研究，2004，7（1）：55-57.

　　[2] 魯也傳，陳永生，郭玉臣.基于通信的列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，29（S2）：152-15.

　　[3] 王野，郭秀清.基于組件技術(shù)的列車自動(dòng)監(jiān)控仿真系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，27（z2）：286-288.

　　[4] 張耀方.CRH3型動(dòng)車組故障仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.