铁路动态仿真模型原理与应用＊

邹少凡，陈根龙，萧以苏，沈雨辰，王善钊

（1.南京铁道职业技术学院 经贸学院，江苏 南京 210031；2.南京铁道职业技术学院 轨道交通实训中心，江苏 南京 210031）

铁路动态仿真模型原理与应用＊

邹少凡1，陈根龙1，萧以苏2，沈雨辰1，王善钊1

（1.南京铁道职业技术学院 经贸学院，江苏 南京 210031；2.南京铁道职业技术学院 轨道交通实训中心，江苏 南京 210031）

铁路动态仿真模型大多使用电力驱动，采用机车或动车组的蜗杆自锁实现制动。控制方式可分为数码控制和模拟控制。铁路动态仿真模型应用领域广泛，包括专业实训、商业应用、个人娱乐。对铁路动态仿真模型沙盘的建设方案进行比较，结果表明手动控制最容易上手但容易出错，适合铁路爱好者个人娱乐或由教师引导，学生为主体的教学活动。数码半自动综合性最好，适合一般的铁路教学任务。数码自动控制演示效果好，但是成本高、易损坏，适合无人值守的环境。

铁路；动态仿真模型；沙盘；控制方式

铁路动态仿真模型是将真实的铁路线路、机车车辆动车组及信号、供电、站舍等其他铁路设备按照一定比例缩小，采用塑料或者金属制作，通过电力驱动模型列车运行，通过人工或自动控制道岔、机车或动车组运行。铁路动态仿真模型沙盘既能够静态展示铁路线路、机车车辆和动车组的外观、构造，又能按照真实铁路运营的标准和规范进行组合，直观、生动、形象地展示铁路运输的真实状况。铁路动态仿真模型沙盘作为沙盘中一大分支，起源于国外，仅仅作为铁路爱好者的玩具。随着铁路规模的扩大和技术的发展，铁路动态仿真模型沙盘融入了丰富的现代电子、信号、机械等技术，逐渐向声、光、电集成的多媒体电子沙盘方向发展。在中国，各铁路局及相关铁路专业高等学校，为了铁路的创新实验、设计建设和运营管理等诸多方面，纷纷设计、购置了铁路沙盘，取得良好的效果。

1 铁路动态仿真模型原理和控制方式

1.1 铁路动态仿真模型的原理

铁路动态仿真模型体积较小，同时出于安全考虑，不便安装除小功率电源、电动机、集成电路板以外的设备，所以无论是蒸汽机车，还是内燃机车及电力机车或动车组，均采用电力驱动，电压低于36 V的人体安全电压，单台机车或动车组模型功率不超过10 W。常见的铁路动态仿真模型按比例可分为1∶43、1∶87、1∶160三种。1∶43模型体积较大，可内置蓄电池，也可外接电源供电；而其他2种模型体积较小，无法安装电源，只能外接电源。模型机车或动车组若使用外接电源，绝大多数采取模型轨道供电的方式。模型轨道采用导电金属制作，一侧为正极，另一侧为负极，机车则通过金属车轮获得电力，而车轴为绝缘材料。此外，道岔心轨处则采用绝缘材料，以防短路。因此，需采用多个车轴或转向架取电，以避免模型机车或动车组通过道岔时无法受电而失去动力。对于电力机车或电力动车组，可使用模型接触网供电，但是其可靠性不如轨道供电。模型车无法像真实列车那样安装气动制动系统，且模型车大多为塑料材质，相比真车质量大大减轻，因此模型车利用模型机车或动车组动车蜗杆传动的自锁性来实现制动。

1.2 铁路动态仿真模型的控制方式

1.2.1 按模型车控制类型来划分

按模型车控制类型来划分，控制方式可分为模拟控制和数码控制。

1.2.1.1 模拟控制（DC，Direct Current）

模拟控制原理很简单，就是调整模型轨道的输出电压，使得机车或动车组的牵引电机输出功率发生变化，以达到加减速的效果。模拟控制历史悠久，价格便宜，但是伴随机车数量的增加，问题随之而来，那就是如果轨道上有2台或者多台机车，一旦送电，所有的机车都会行驶，而且不同机车存在速度差，很容易造成模型列车追尾，同时会让办理客货运、模拟控制无法实现。另外，模拟控制电压电流稳定性差，容易给模型车的电气系统带来损害。

为了解决上述问题，数码控制就诞生了。

1.2.1.2 数码控制（DCC，Digital Command Control）

数码控制的原理是，给模型轨道输出恒定的电压，以保证模型车顺利运行，再通过数码控制器向欲控制的车下达命令信号并加载在轨道上，摆放在轨道上的机车内数码芯片通过车轮接收电信号，从而动作。也就是说，对于数码控制的沙盘，轨道同时存在驱动模型车运行的牵引电流和指挥模型车运行的信号电流。数码芯片又分为普通数码芯片和数码音效芯片。

1.2.2 按沙盘整体控制类型来划分

按沙盘整体控制类型来划分，控制方式可分为手动控制和自动控制。

1.2.2.1 手动控制

手动控制的沙盘是操作者通过控制器自由控制模型列车的运行状态，抠动模型道岔手柄开关扳动。手动控制灵活性较高，可因材施教，针对性较强，但是对操作者的要求较高，操作者需要熟练、全面掌握铁路系统的知识。同时，由于手动控制沙盘与真实铁路有所区别，当手动控制出现意外时，要能将模型自主还原。

1.2.2.2 自动控制

自动控制的沙盘由计算机程序按照顺序对模型列车和道岔进行控制，整个过程可无人值守，自动循环，安全有序地进行，但是购买自动控制系统的成本高，适用于参观者人数较多且来源复杂的情况。

2 铁路动态仿真模型应用领域

2.1 高等院校和铁路企业实训教学

铁路动态仿真模型沙盘能全面、直观地动态模拟营业铁路中列车运行过程和状态，以及铁路各个工种之间的关系，使得培训者足不出户就能全面、细致地了解铁路的各个方面。目前，很多铁路院校和一些铁路企业培训基地，研制、建设铁路动态仿真模型沙盘，用于铁路调度、行车、信号等工种的培训任务[1-2]。例如，郑州铁道职业技术学院的铁路文化协会利用铁路动态仿真模型沙盘，让学生了解了铁路上不同的编组，模拟了现实的行车状况；北京交通大学运输实验中心[3]和福建铁路机电学校[4]分别制作了京津城际线和杭深线福州—厦门段的动态仿真模型沙盘，用于模拟铁路线路各种运营与调度功能。兖州煤业股份有限公司铁路运输处也建设了自己矿区铁路的动态仿真模型沙盘，用于车务、电务、机务等工种的培训任务[5]。

2.2 铁路爱好者休闲娱乐

很多铁路爱好者自行购买铁路动态仿真模型，在自家搭建模型沙盘。三五好友聚在一起，拿出各自收藏的模型车编组成完整的列车，模拟铁路运营。一般情况下，铁路爱好者更愿意购买、收藏编组客车，这是因为客车涂装鲜艳，编组丰富且对于大众而言，客车是铁路接触较多的场所之一。

Bruce Williams Zaccagnino和妻子在美国新泽西州弗莱明顿花了44年建造了世界上最大的铁路模型博物馆，占地10 667 m2（16亩），100多辆火车、400座桥、3 000栋楼、50 000棵树及50 000条街道，模型轨道长度达到12.8 km，被吉尼斯世界纪录认定为“世界最大规模的铁道模型”。国内也有不少地区性铁路模型爱好者组织经常安排铁路动态仿真模型沙盘运行。

2.3 餐厅、酒吧招揽顾客

现在许多餐厅、酒吧以及其他休闲娱乐场所使用铁路动态仿真模型吸引顾客，提高收入。有的餐厅使用铁路动态仿真模型，当作传送带运送食品饮料，更多的则是搭建场景，让模型列车环状运行，以延长顾客尤其是未成年顾客在店铺的逗留时间，吸引其消费。日本东京中央区银座的银座全景酒吧，吧台内嵌小型铁轨，爱好者可一边看火车模型蜿蜒行驶，一边畅饮啤酒、红酒等饮品。店内巨大的玻璃展示柜里还陈列着700多个待售的火车模型。齐齐哈尔一家自助餐厅使用铁路动态仿真模型沙盘运送食品。

2.4 铁路博物馆展示

目前，国外一些铁路博物馆搭建铁路动态仿真模型沙盘，向观众展示铁路运行，并尝试还原自己国家铁路的真实背景，以达到宣传铁路文化的目的。

美国加利福尼亚州圣地亚哥铁路模型博物馆是世界上最大的室内铁路模型博物馆，从1935年至今的铁路模型位于其中，让游客可以一目了然地了解铁路的发展史和铁路系统的结构，加深对铁路的了解。博物馆从1982年对外开放以来，已有超过300万游客参观。

3 铁路动态仿真模型建设方案比较

目前，市面上铁路动态仿真模型沙盘建设方案有手动控制、半自动控制和自动控制3种。

手动控制：使用模拟或简易的数码控制器人工控制列车的前进、后退，排列进路则采用手工扳动模型道岔的形式。

半自动控制：将专门的数码控制器与计算机连接，由操作者在计算机模拟的计算机联锁或者其他控制界面排列进路，而模型列车则可以自动运行，也可以由其他操作者控制。

自动控制：由计算机连接专门的数码控制器，由管理者事先将模型沙盘运行图输入到计算机，由计算机自动控制沙盘上所有的模型列车和道岔，做到无人控制，无人值守运行。3种控制方式的对比情况如表1所示。

综上所述，手动控制是最容易上手也是性价比最高的，但是人工手动控制出错率高，适合铁路爱好者个人娱乐或由教师引导，学生为主体的教学活动。数码半自动综合性最好，可以根据喜好进行手动操作和自动操作，适合一般的铁路教学任务。数码自动控制是利用软件对模型进行全自动控制，沙盘搭建难度大，且模型与真实的铁路设备存在一定差异，导致损坏概率高，后期维护成本较高，适合在博物馆与餐厅、酒吧等场所等无人值守环境下使用。

4 结束语

现在，铁路动态仿真模型不仅是高等学院和企业实训的教学用具，还用来休闲娱乐及博物馆展示。未来，铁路动态仿真模型沙盘将被更好地应用于铁路人才的培养和铁路文化传播，从而进一步促进铁路设施的建设与发展。

［1］李绍斌，蒋大明.铁路运输沙盘综合演练联锁系统的设计和实现［J］.中国铁路，2005（6）：39-40.

［2］李国虎.铁路沙盘道岔控制电路的设计与实现［J］.南京工业职业技术学院学报，2004（4）：29-30.

［3］周妍，周磊山.高速铁路行车调度指挥一体化仿真实验平台设计与研究［J］.铁道学报，2012，34（6）：1-5.

［4］李锦.CTC铁道运输教学沙盘系统设计研究［J］.福建广播电视大学学报，2013（4）：80-83.

［5］李静，徐先荣.模拟沙盘系统在矿区铁路的培训应用［J］.中小企业管理与科技，2015（12）：282.

U292.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.02.040

2095－6835（2018）02－0040－03

＊［基金来源］2017年南京铁道职业技术学院大学生创新实践项目

陈根龙（1963—），男，讲师。

刘晓芳〕