基于计算机系统仿真的电力机车模拟驾驶装置研究

[摘 要]传统的机车乘务员费时长，效率低，已经难以满足日益增长的铁路发展需求。基于计算机系统仿真原理的电力机车模拟驾驶装置的设计和开发，已成为解决机车乘务员培训工作的更经济、安全、高效的方式。本文介绍了HXD3B型电力机车模拟驾驶装置的系统仿真设计方案和建设电力机车模拟驾驶实训室所需的软硬件环境，为机车乘务员培训工作的改革创新提供了一种新的思路和方法。

[关键词]电力机车 模拟驾驶 系统仿真

中图分类号：U46 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0391-01

一、研究背景

随着中国铁路的大跨步发展，电力机车的更新换代日益迅速。几年前还风行祖国大江南北的韶山系列电力机车，现已被无情地淘汰出铁路运输的主流车型范畴，被具有更先进的技术的和谐系列电力机车取代。这种迅猛的铁路现场技术更新给传统的机车乘务员培训工作带来了严峻的挑战，特别是对各职业院校的铁道机车专业的建设和发展更是打击沉重。因为铁路专业设备的特殊性，实训室的建设需要学校给予大量的资金支持和政策倾斜。但往往是一种车型的相关设备刚刚配置齐全，铁路现场却已经更新换代更新型的机车，让所有的工作努力都白白浪费了。这种投入多，产出少的状况让各职业院校对铁道机车专业建设心有余而力不足。

计算机技术的进步使模拟仿真技术发展迅速，电气控制技术的发展令屏幕上开车更加逼真，能更为有效地训练机车乘务员在列车运行过程的各个环节正确及时有效地操作机车。而且，由于没有电器柜实物，所有电器设备采用数学模型仿真实现，改变传统电路中靠采集获得节点状态的方式，系统命令和设备的反应都靠计算机进行模拟，完全不需要造价高昂的设备支持，大大节省了实训室建设的资金投入。同时，系统的维护也更为简单方便。在铁道机车专业的课程实施方面与传统的真实设备的区别不大，投入产出比更加合理，是更为经济，更有效率的培训方式。

二、设计思路

计算机硬件部分由数据采集及外围驱动电路，模拟气压表组成。软件部分由列车牵引计算程序，电路仿真程序。首先，各个单片机将采集到的数据通过串行接口传入工控机。工控机通过交换机将数据传至教员机。教员机把列车编组数据与传入的设备状态数据赋值到仿真程序中得到电牵引力，将之代入牵引计算中，得到机车当前的运行状态，将速度值传输到图形工作站。图形工作站得到速度后，根据计算获得当前的公里标，调用该公里标下的三维建模数据，同时将图形渲染输出，控制机车信号机显示相应的色灯信号。通过这种方式，将数据采集、控制、计算、图像实时渲染等数字化处理技术，组成软硬一体的机车模拟驾驶系统。

三、软硬件环境

针对以上设计思路，在选配系统硬件时，我们更注重元器件的通用性和标准性，采用主流电气控制设备。包括：司机操纵台体、扳键开关组、司机控制器、CCB-II制动控制器、CCB-II屏、TCMS显示屏、LKJ2000监控屏、CIR无线列调、八显示机车信号、开关、按钮、指示灯、仪表、投影机、金属弧形投影幕、专业投影仓、专业级仿真图形融合机、CGI前向视景图形工作站、电路图仿真计算机、列车运行仿真计算机、5.1声道功放扬声器组、多媒体故障处理触摸一体机、I/O采控计算机、学员桌椅、学员计算机、液晶显示器、桌面司控器、耳机、教员桌椅、教员计算机、通用监控显示器、RS485串口通讯卡、语音通讯设备、工业级交换机、机柜、电源设备线缆及配件、专用工具等。

软件采用与专业设计铁路机车模拟驾驶装置的公司合作开发。具有如下功能：完成真实模拟机车在各种环境下的运行状况、机车动力性能、真实操控感、视听环境、牵引制动特性；能培训受训司机进行机车正常驾驶的操作方法、操作规程与操作步骤；能够设置模拟常见的机车故障、突发事件，培训受训司机按实际处理方法、处理规程进行排除处理；具有独立教员系统能够进行综合管理、组织教学和考核。

系统设计、研发、制造、集成等过程应采用的规范和适用标准：UIC 国际铁路联盟标准；IEC 国际电工委员会标准；ISO 国际标准组织标准；GB 中华人民共和国国家标准；TB 中华人民共和国铁道部标准。

系统特性：

（1）稳定性：系统采用成熟技术及相关工艺，主要设备应采用工业级产品。系统主要设备与部件的平均无故障时间大于20，000小时；系统整体平均无故障时间大于10，000小时；系统主机两次故障平均时间大于3000小时。

（2）易用性

所有操作系统均采用中文Windows XP及以上版本，所有交互系统提供中文图形界面，符合常规窗口式系统的操作模式。系统具有合理的使用成本，有利于长期、有效地利用该系统进行人员培训与考核。

（3）可维护性

系统设备具有良好的可维护性，方便维护人员完成日常维护。

（4）可扩展性

系统采用模块化设计，预留升级扩展接口利于后期升级扩展。

四、系统功能

系统可以进行事故、突发事件的模拟，可在课程中预先设置突发事件或由教员根据需要设置突发事件，视景系统能即时作出响应。按照用户提出事件现象、处理过程进行仿真制作，以达到提高司机应急处置能力的目的。系统构建全三维虚拟化实训环境，可以进行列车检查、非正常情况处理相关的操作，可以放置响墩、火炬、短路铜线、铁鞋、复轨器；可使用检点锤、钳子、手持对讲机、绿旗、黄旗、红旗等工具；可以手动清除线路上的障碍物。三维列车上的车钩、制动软管、折角塞门和截断塞门均可以操作，可进行连接、断开、拆卸、更换等作业，实现事故车辆与列车分离。可以在限定时间内按照作业规范进行非正常下行车组织演练，包含标准化的车机联控、设置防护、操作监控装置等非正常处置步骤，系统能够实时监控、记录（包含监控装置的操作）演练过程的每一步操作，并对比标准答案自动评定成绩。

模拟驾驶器具备HXD3B型大功率机车的机车性能及运行环境仿真功能，能够真实地模拟HXD3B大功率机车在各种运行环境与工况下的运行状况、操纵特性、牵引/制动特性以及其它特性，可满足受训人员进行列车操纵模拟，实现机车制动机试验、起车、运行调速、进站停车以及运行中非正常情况处置等操纵技能的演练培训。

模拟驾驶器能够完整的模拟HXD3B大功率机车的控制逻辑，提供可视化的电路图界面，实时显示受训人员模拟控制条件下的控制电路状态变化。操纵台上的所有操作、显示设备、开关、声音和发光报警系统按实际情况进行控制和响应，显示系统与真实机车相应设备具有相同的界面、按钮及功能。

机车的牵引、制动系统按实际情况控制和响应，故障报警显示、灯光和声音报警系统配备与实际相一致，并按照实际情况进行控制和响应，可实现基于硬件的故障模拟，也可实现基于软件及软、硬件结合的故障与突发事件的模拟，能够模拟运行线路与机车运行过程中相关的各类故障、突发事件。包括车辆内部电器、制动机、电机等各类故障，行人掉道、天气突变、障碍物等突发事件。教员可通过教员控制台同时设置单个故障和多个故障。系统采用硬件实做与软件模拟相结合的方式进行故障排除的模拟。可采用硬件实物操作排除的机车故障将使用硬件实做的方式实现，无法采用硬件实物操作排除的机车故障以三维动画多媒体软件的方式模拟实现。

作者简介

李德俭（1975-），男，辽宁轨道交通职业学院铁道工程系，讲师。