铁路区域计算机联锁试验教学系统设计

张英贵 张云丽 赵敬泽

摘 要：铁路车站联锁是中南大学交通运输工程学院交通运输专业核心课程《铁路通信与信号》的重要讲授内容，铁路区域计算机联锁是铁路车站联锁系统的发展趋势。通过分析铁路区域计算机联锁试验教学系统的功能需求，构建一套基于教学沙盘、教学控制机、实训机和服务器的教学系统硬件架构，设计出一套完整的软件系统，虚拟现实车站联锁系统各项功能，辅助日常教学工作，满足交通运输专业的实践教学需要，改进现有的课堂集中讲授或师傅传帮带的传统方式，使学生通过模拟实践演练快速掌握专业知识与技能，提高教学质量和实际教学效果。

关键词：区域计算机联锁；铁路车站；试验教学；系统设计

中图分类号：G642 文献标识码：A

Abstract： Interlocking in railway station is an important teaching content of railway commucation and singal， which is one of the core courses in the major of traffic and transportation. Railway regional computer interlocking is the developmentoriten of railway station interlocking system. Through analyzing function needs of railway regional computer interlocking experimentation teaching system， hardware framework of such teaching system， based on teaching sand-table， control machine， training machine and server， is constructed. Also， a software system is designed to imitale various functions of railway station interlocking system to help daily teaching work. Through improvement existing traddition teaching in class and master-apprentice relationship， such system can meet the practice teaching needs in the major of traffic and transportation， which can make students understand special knowledge and technique ability effectively and quickly to enhance teaching quality and efficiency.

Key words： regional computer interlocking； railway station； experimentation teaching； system design

铁路信号计算机联锁系统是一个非常复杂的实时控制系统[1]，车站联锁是其重要组成部分；区域计算机联锁系统是网络化、智能化、集成化的信号控制系统，随着计算机、通信及远程控制技术的发展，该系统已成为世界铁路车站计算机联锁的发展方向[2]。车站联锁直接关系着铁路运输的安全生产，这就要求交通运输专业轨道交通方向的学生必须熟练掌握铁路车站联锁的相关专业知识与技能。因此，结合铁路车站联锁的发展趋势，研制出铁路区域计算机联锁试验教学系统，用来辅助《铁路通信与信号》课程的日常教学工作，满足交通运输专业的实践教学需要，改进现有的课堂集中讲授或师傅传帮带的传统方式，使学生通过模拟演练熟练掌握专业知识与技能，提高大中专科院校教学质量与效果，加速培养业务骨干。

1 铁路区域计算机联锁试验教学系统功能需求

铁路区域计算机联锁试验教学系统适用于从事或即将从事铁路运输系统工作的学生或其它相关人员的学习和培训范畴。其核心功能：模拟铁路车站联锁系统的正常状态、紧急状态、事故状态和恢复状态，使学生能够在与实际车站联锁近似的环境中进行正常操作、事故处理及系统恢复的训练，掌握相关专业知识与技能；同时，铁路区域计算机联锁试验教学系统还应具备完成师生在线交流功能，解决普通教学中难以解决的问题。

考虑实践教学和铁路现场工作的需求，选取两个铁路车站（即一个中间站、一个二级四场的编组站）及两区间共用一套区域计算机联锁系统为背景，研制出铁路区域计算机联系试验教学系统。该系统需满足以下几个要求：（1）体现系统结构分层和功能分块理念，硬件设计上最大限度地复示真实铁路联锁控制系统的体系结构。（2）在人机界面设计层面上真实再现铁路现场实际工作的操作平台环境，加强学习效果。（3）联锁逻辑运算必须符合区域计算机联锁的特点和规则：在中心站联锁操作仿真控制台上，实现对中间站、编组站（到达场、上下行出发场）站场信号设备的控制，符合实时性要求。（4）具备铁路现场各种日常操作处理和故障状态显示处理功能，即教学控制机上具有日常工作任务设置、软故障数据生成、行车模拟及操作记录、回放及反馈等功能。（5）硬件与软件配置遵循开放性原则，满足铁路现场各种接口需求；预留新功能模块接口，以保证系统的可持续性改进能力和可扩展性。

2 铁路区域计算机联锁试验教学系统硬件架构

本系统的硬件架构包括三个层级，即决策层、协调层和执行层。决策层主要实现铁路运行计划、调车作业计划、应急预案管理等方面的内容；协调层主要实现列车和调车作业的分散自律控制、冲突缓解协调处理等；执行层是指区域计算机联锁系统和调车运行控制系统，将经由协调层解析的决策层计划传达给铁路现场的设备如道岔、轨道电路、闭塞设备、列车等，办理相关的行车和调车作业。本试验教学系统的硬件主要有一套实物教学沙盘系统、教学控制机、实训机、服务器、I/O接口设备、大屏幕显示器等构成，其硬件架构示意图如图1所示：

（1）教学沙盘。在指实验室环境下模拟建立铁路区域计算机联锁试验运行的实物模型，通过相关软件可实现对其控制，以直观地展示各项设备作业过程，可满足学生扮演不同角度如车站值班员、信号员、调度员、调车长等的认知学习和综合演练要求。该教学沙盘以现场实物按1∶45的比例微缩而成，线路采用底宽5mm、上宽3mm、高7mm的模型用铜质特质轨、特质的轨道基板、轨道垫板和轨道固定件等组成；轨道电路采用DC5V供电，同时作为电力机车回路（DC12V）；信号机采用发光二极管组成，外形与显示内容同实际现场；转辙机采用5V驱动，与实际现场表示相符，可进行定位和反位操作；绝缘节与实物相似，采用酚醛板制作，直接反映现场实际情况。沙盘模拟的是一个五股道中间站和一个二级四场编组站及四显示自动闭塞区间，铁路区域计算机联锁试验教学系统沙盘布置如图2所示：

（2）教学控制机。由两台控制终端组成，即可独立运行，也可以按主备方式运行。主要用于列车运行计划和调车作业计划的制定、教学及考试内容的设定、系统维护管理、数据组织以及对实训机的监管、故障设置等，由授课教师负责操作。

（3）实训机。由多台微机组成，用于区域计算机联锁的控制台、车务终端、电务终端、应急盘等的模拟试验，也可用于专业知识学习和实践考核。学生经由身份登录确定其学习范围及内容，各实训机可分组协调运行，即可独立运行，可以按主备方式运行。

（4）应用服务器。区域联锁特征在于使用一套联锁系统完成对不同地理位置的多个车站的联锁逻辑运算[3]，由应用服务器担任联锁功能的实现。该服务器提供必要的数据存取、应用集成功能；结合实训机和教学控制机的用户请求如进路建立、进路解锁、信号操作、道岔操纵等，完成联锁逻辑处理、数据逻辑处理等任务；完成与系统数据库的数据交互，更新数据库系统数据，完成数据缓冲处理和组件访问的并发控制，同时兼作通信服务器。

（5）数据库服务器。用于存储铁路区域计算机联锁试验教学相关的铁路车站站场、铁路区间等相关数据。具体包括：信号机名称、道岔名称、数量、位置、轨道区段名称及数量、进路方向、性质、数量等静态数据；操作输入信息、状态表示信息、联锁逻辑运算的控制变量及中间变量、故障信息等动态数据；教学控制机设置的临时故障信息与试题库等数据。

3 铁路区域计算机联锁试验教学系统软件设计

本试验教学系统软件依托一种实时分布式模拟支撑平台（DTS）来完成各自的功能，该支撑平台为铁路区域计算机联锁试验教学软件提供透明、高效运行管理环境，确保试验教学的顺利开展。作为整个试验教学系统的核心，DTS在每项试验教学主机都有驻留程序，是联系各项试验教学任务进行交互操作的纽带，为各种交互提供通用服务如应用管理、声明管理、所有权管理、时间管理、数据分布管理和应用程序接口等；在试验教学系统运行过程中，各试验教学应用软件除了和其所在计算机中的DTS驻留软件沟通外，整个系统内的交互任务均由DTS完成。本系统的软件主要包括模拟仿真软件、教学控制机系统和试题库组成，其中模拟仿真软件由区域计算机联锁模拟仿真系统、中心控制台模拟仿真系统、各车站车务终端模拟仿真系统、电务终端模拟仿真系统、各站应急台模拟仿真系统等软件系统组成。

3.1 模拟仿真软件

（1）区域计算机联锁模拟仿真系统。完全实现实际区域联锁系统结构和联锁运算功能，主要包括中心站和进路控制、进路建立、进路解锁、站内和站间设备状态联锁仿真，通过I/O采集实物教学沙盘系统的设备状态信息并实现实际设备的显示和转换，包括点灯控制及监测、道岔转换及表示、轨道电路、机车控制、道岔电流检测等。

（2）中心站控制台模拟仿真系统。区域计算机联锁在主从站之间采用集中控制，从站的工作大量转移到主站进行，中心站除具有本站显示和控制外，还应具有其他站的显示和控制功能、控制范围内多站进路指令全部在中心站上显示。进路指令信息包括：车次、股道、计划到开时间、始终端按钮、变更按钮、延续按钮、进路类型、进路状态、信号状态、道岔状态等；接收和签收调度中心（教学控制机模拟）下发的调度命令，并将其转发给其他站车务终端；编制调车作业单，并提交给教学控制机，并由其转发应用服务器。由于是多站的进路指令，相同的车次会有多条，所以采用各站的显示方式，可采用菜单选择站名来切换；区域控制范围内的多站的车次号可在本站车务终端上编辑、修改；区域控制范围内多站的行车许可证可在主站车务终端上进行编辑，并可由应用服务器转发给模拟司机。

（3）车站车务终端模拟仿真系统。铁路车站车务终端模拟仿真系统的操作主要包含轨道区段、道岔、列车信号、调车信号、绝缘节、操作信息提示、各种功能按钮等信息。

（4）电务终端模拟仿真系统。在中心站设置电务终端，监视区域范围内所有站的信号设备状态，查阅所有列车运行早晚点信息及调车作业单等，对学生的操作命令、现场设备的运用情况、报警信息进行记录、分析、回放、输出和打印，接收教学控制机设置的故障。

（5）车站应急台模拟仿真系统。结合教学控制机设置的临时故障信息，模拟信号显示、道岔控制与转换等设备发生故障时，完成车站列车运行作业；用于评估学生如何在铁路日常工作中应对和处理一些紧急事件，降低对铁路正常运输的不利影响。

3.2 教学控制机系统

教学控制机系统提供本系统的区域计算机联锁试验教学演示、运行、监控学生操作和评估学生操作过程的手段，具体包括以下几个方面：（1）试验教学配置。用于该试验教学系统的配置和协调管理，执行系统配置管理、学生管理、系统运行初始条件及各种元件的参数设置和进程管理等。（2）试验教学演示。主要用于教师进行专业理论知识的讲解，通过人机交互界面，向交通运输专业的学生讲述区域计算机联锁系统的工作原理和操作方法。（3）学习进程控制。负责暂停学习过程、恢复学习过程、存储快照、学习过程重演，根据不同要求任意设置各种故障如简单故障、复合故障以及各种设备的异常状况等。（4）学习过程的动态跟踪。动态地记录系统的状态和发生的事件，以便于学生学习过程的重演和对学习效果的评估，同时可以随时对任意一个终端的学生操作进行实时监控。（5）学习效果评估。学习结束后自动生成评估报表，其内容包括：由教师设置的故障事件、教师在指导过程中的各种操作（包括调度命令的设置与下达）、学生控制台操作、车务终端操作与电务终端操作、学生故障查找和处理、应急台上应急故障处理和应急台操作、故障恢复时操作及故障恢复过程中的时间等。教师根据评估报表，评估学生的实操水平。

3.3 试题库

系统还提供标准试题库，提供标准智能组卷考察学生的专业理论知识水平，并具有试卷分析反馈功能，可根据要求定制个性化的试卷指标分析。

4 结束语

铁路区域计算机联锁试验教学系统不仅可以用于交通运输专业学生的实践教学环节，还可服务于铁路运输及轨道交通行业的职工上岗培训和业务考核；以教学沙盘模拟铁路设备的组成和布置形态，硬件环境、软件仿真实现了铁路现场场景和学生实践教学软件界面无缝吻合，通过本系统使交通运输专业学生更形象地理解和掌握铁路运营管理和操作流程，对促进交通运输行业专用型人才及其应急处理能力的培养，具有积极的引导作用。

参考文献：

[1] 杨扬，潘明，何梅芳. 联锁软件的Petri网形式化定义[J]. 中国铁道科学，2002，23（3）：49-55.

[2] 贾晓宇，刘万乐. 区域计算机联锁系统通信网络的设计[J]. 甘肃科技，2013，29（8）：17-19.

[3] 陈小梅，杜平. 区域计算机联锁系统设计方案[J]. 铁路通信信号，2002，38（8）：12-13.