城市轨道交通计算机联锁实训系统设计与实现

崔惠珊，张 路，刘亚磊，李 淼

(北京交通职业技术学院，北京 102200)

1 发展现状

计算机联锁系统是以计算机技术为核心，采用通信技术、可靠性与容错技术以及“故障-安全”技术实现联锁关系的信号系统。联锁系统作为涉及地铁行车安全的设备，直接影响整个信号系统的安全运营和线路通行效率。随着我国城市轨道交通的迅速发展，对联锁及信号系统技术人才的迫切需求一直无法满足，目前各高职院校和相关信号培训单位对联锁及信号专业开展教学、培训时也不断遇到各种难题，如正在使用中的信号设备不能动，现场实验设备数量少，单一的理论教学枯燥难懂，培训效率低下，系统全面地掌握操作技能的周期非常长等等。为了克服上述弊端，提高高职类学生的就业竞争能力，计划利用现代仿真理论及计算机技术建立虚实结合的城市轨道交通计算机联锁仿真实训系统，它可以对相关信号人员进行岗前培训，熟悉对信号控制系统的相关操作和维护及业务能力的强化和提升。[1，2]

2 道岔信号仿真实训系统设计

该实训系统以全真实设备形式实现训练场景。能够直观的通过现场真实实物设备给培训员工或学员展示信号系统基础设备和计算机联锁系统的组成及原理，可以让培训员工或学员动手完成各种实训项目，如计算机联锁系统使用及设备维护，手摇道岔实训、信号机实训、转辙机实训、线路检修等信号系统方面的实验、实训课程。系统设计优点如下。

1)设备的布局、组成、功能、相对位置关系与地铁实际现场一致。

2)场景内设备的外观、比例、动作及显示方式、逻辑关系等与地铁真实情况相一致，并能够随着演练实时发生相对应的改变设备的各种状态。

3)系统内主要电气、电子、机械系统的结构、关联关系及动作时序均根据实际作业环境进行一对一的仿真。

4)系统内各种设备能够正确反应系统固有的控制逻辑关系，所有的操作信息能够根据实际情况实时更新并输出相关的仿真计算结果。[3，4]

由此，实训仿真系统整体设计构成包括：一个电源屏，一架继电器组合架，一架分线柜，一架联锁主机柜（二乘二取二），两台联锁操作表示机（双机热备），一台计轴仿真机，一台查询应答器仿真机，一台电务维修机，一套单开道岔现场设备。系统结构设置如图1 所示。

图1 道岔信号仿真实训系统结构Fig.1 Turnout signal simulation training system structure

联锁操作表示机的线路设计如图2 所示。

图2 联锁操作表示机线路图设计Fig.2 Interlocking operation indicator circuit diagram design

该实训系统可以进行计算机联锁设备基础认知实训，信号机实训，转辙机实训，计算机联锁接口电路故障处理实训，计轴、查询应答器仿真实训等，具体实训功能如下。

1）计算机联锁设备基础认知实训：通过各现场设备的具体设置，学习一套计算机联锁系统的基础结构组成，各组成设备的工作状态及工作原理。

2）信号机实训：学习信号机显示原理，开信号机后盖（确保系统没有上电以保证人生安全）学习内部结构，学习信号点灯单元，学习点灯单元原理及配线方法，信号机点灯电路室外混线处理作业实验；信号机点灯电路室外线缆开路处理作业实验；信号机日常外部内部检查，清扫实训等。

3）转辙机实训：系统设置一台S700K 转辙机（可另外单独配备其他型号转辙机数台），学习转辙机工作原理及内部结构、动作杆、表示杆日常检查、调整、清扫实训。电动转辙设备检修作业实训； 测试电动转辙机各项指标实验；道岔控制电路室外混线故障处理作业实验；道岔控制电路电缆开路故障处理作业实验；道岔表示电路室外混线故障处理作业实验。

4）计算机联锁接口电路故障处理实训：通过人工设置在继电器组合架上的故障模拟盘来设置各种现场常见设备故障，培训员工或学员对现场设备故障情况下的应急处理机制。故障可以自己设置，自己排除，也可以由教师设置要求员工或学员排除以考核其学习成果及对现场设备的操控能力。故障设计如表1 所示。

5）计轴、查询应答器仿真实训

计轴、查询应答器仿真实训可以清楚的看到单开道岔线路中计轴器，查询应答器的工作状态，进行设备状态的判定，故障处理。其界面设计如图3 所示。

图3 计轴、查询应答器仿真界面Fig.3 Axle counter and acquisition balise simulation interface

3 某线路计算机联锁实训系统设计

在以上实物信号道岔仿真系统设计基础上，仍然缺少对线路整体联锁区的认知，由此需要设计一套完整线路联锁区的计算机联锁系统。该系统由纯软件编程完成，整体网络需要包含学员台若干套及教师机1 套，每套学员台可单机进行操作实现完整联锁操作和逻辑处理，也可连入中心ATS 网络进行联机运行。每套系统有独立后台数据系统，教员台可以对学员台进行故障注入操作(包含道岔、信号机、计轴区段)，可通过后台数据服务系统实时产生行车数据在线运行，同时可实现如进路办理与取消等操作。[5，6]

表1 故障设置Tab.1 Failure setting

系统整体设计由三大子系统组成：联锁子系统，IO 控制单元子系统，现地工作站子系统。

1） 联锁子系统

联锁机应用软件运行于计算机平台之上，通过与IO 控制单元通信，能够完成对信号机、道岔、轨道电路及计轴等轨旁设备的状态采集和驱动，通过与其他子系统通信获得地面、车载的相应信息。可以实现进路控制功能，信号机控制功能，道岔控制功能，站台控制功能，轨旁设备状态采集和驱动功能，数据通信和通信状态监控功能。集成在联锁下位机程序中完成。

2）IO 控制单元子系统

IO 控制单元子系统作为联锁系统的执行表示层，需要接收联锁主机子系统的驱动命令，判断驱动命令是否正确，正确后则驱动继电器动作；采集继电器节点状态，并反馈给联锁主机子系统。同时对于分布式联锁系统，一个联锁主机子系统会连接多个IO 控制单元子系统。

界面设计如图4 所示。左侧为现场设备仿真界面，右侧为联锁接口电路组合架仿真软件界面。左侧采用类似站场图的模式模拟信号轨旁设备，如轨道区段、信号机、转辙机、站台安全门、紧急停车按钮、防淹门设备。均可以在相应图标上通过左键设置器状态，在道岔处点击左键即可以设置各个继电器状态即现场设备状态。同样，在软件右侧的组合架仿真界面也可以勾选相应设备设备的继电器状态来设置现场设备状态。效果与在左侧设置一致。

3）现地工作站子系统

作为联锁系统中的上位机，负责与联锁下位机之间进行信号设备的控制命令和显示状态的交互，在有单元控制台的地方，现地工作站还负责单元控制台与联锁机之间的命令和站场状态的数据中转。现地工作站子系统能够提供人机界面，显示完整的联锁设备集中区站场及相关信息的画面，提供命令工具条以供操作下发命令。现地工作站子系统界面包括某线路所有联锁区。其中根据实际线路情况设计某联锁区仿真界面如图5 所示。

其中各联锁区功能设计如表2 所示。

4 总结

本文设计一套比较完整的城市轨道交通计算机联锁仿真实训系统，该系统包括两大部分组成，一是实物道岔信号仿真系统，可以模拟城市轨道交通线路所有信号设备工作情况，同时进行完整的操作训练。二是在此基础上配备一套完整的某线路所有联锁区的实训系统，加强对不同联锁区线路的认知，故障的处理等。两套系统的结合能够彻底解决目前信号专业人员技能的基础训练，同时该实训系统的设计可以为中高职院校信号专业实训建设提供一种非常好的解决方案。

图4 现场设备仿真界面Fig.4 Field equipment simulation interface

图5 现地工作站仿真界面 Fig.5 Field workstation simulation interface

表2 现地工作站功能按钮设计Tab.2 Field workstation function button design