宁波地铁2号线信号仿真系统设计方案

谢 乾

（宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司，浙江 宁波 315000）

由于信号系统的模拟仿真依赖于大量的实际物理设备，功能限制较大、维护成本高且现有培训系统与实际环境存在偏差造成培训效率低。

为了优化这一局面，进一步提升工作人员的操作水平，该文提出以软、硬件结合逻辑运算方式实现信号系统的模拟仿真，以实际的信号系统为基础，面向运营提供高度还原的信号操作模拟系统，实现行车组织、故障等常用场景的模拟，提高相关的培训及演练效率。

1 宁波地铁2号线概况

宁波市轨道交通2号线线路全长28.35 km，共设22座车站，平均站间距1.331 km。采用卡斯柯信号有限公司的Urbalis888 CBTC系统，包括ATP（Automatic Train Protection列车自动防护）、ATO[1]（Automatic Train Operation列车自动驾驶）、CBI联锁计算机等，列车运行最短间隔90 s，为提高专业人员设备操作熟练度，提升故障应急处置效率，提升信号系统影响行车时各专业间联动配合性，建立了一套完善的信号仿真培训系统。

2 仿真系统硬件架构

信号仿真培训系统的硬件架构图如图1所示。

信号仿真培训系统由业务仿真服务器、工作站及之间的网络硬件构成。其中，在服务器上，部署了仿真培训系统后台，使用3台服务器互为冗余配置。根据培训功能需求，配置了5台工作站，分别为行调值班员、车站值班员、司机及信号人员4个角色建立模拟一项或多项故障场景，在该场景下同时共4个角色进入使用。

3 仿真系统软件架构

该文以宁波地铁2号线卡斯柯信号系统为依据进行设计和研发，软件采用Java和Node.js作为主要开发语言。软件架构基于微服务体系，分为多个应用服务。微服务是一种基于功能模块化设计并将每个功能模块服务化的架构体系。这些业务模块通过微服务网关实现统一的鉴权和流量防护，互相之间可以通过HTTP实现调用，并能够通过Docker容器化部署。这些服务可以使用不同数据存储技术，并保持最低限度的集中式管理。同时，每个服务均可以集群方式[3]部署，实现了系统的高并发和高可用。

为了保持灵活的扩展性，信号仿真培训系统采用B/S架构设计。整个软件架构从下至上，总共分为3层，分别是业务逻辑层、数据核心层和人机界面层。

3.1 业务逻辑层

信号系统是一个复杂的业务系统，业务逻辑层通过不同的模块，分别实现列车控制逻辑、联锁逻辑、进路控制逻辑及各子系统的运行逻辑等。

业务逻辑层采用面向对象的设计方式，能够快速地对信号系统中的各个系统及设备进行实时的逻辑运算，有较灵活的适应性和方便的扩展性。

3.2 数据核心层

构建信号培训仿真系统，需要大量的数据的支撑，从设备的点位信息到车辆的编组信息，从人员的角色信息到场景的状态信息等，都需要以数据核心层为基础，进行数据的堆砌。

数据核心层后台采用分布式的关系型数据库。分布式数据库在信号仿真培训系统运行时，能够提供稳定的计算性能，同时，保持高效的数据读写速度，使系统能够稳定的持久运行。

图1 仿真培训系统硬件架构图

3.3 人机界面层

人机界面层是面向培训对象的窗口。人机界面层采用SVG图像文件格式作为界面的主要组成部分。SVG为可缩放的矢量图形。它是基于 XML，由万维网联盟（W3C）进行开发的。用户可以直接用代码来描绘图像，可以用任何文字处理工具打开 SVG 图像，通过改变部分代码来使图像具有交互功能，并可以随时插入 HTML中通过浏览器来观看。

人机界面层完全按照宁波轨道交通 2 号线为原型，进行100%的复刻，以保障培训前后操作人员的认知的一致性。

4 仿真系统功能

该项信号仿真培训系统支持以下功能。

4.1 正常情况下的操作模拟

通过软件模拟，实现调度长/调度员、车站值班员、信号人员、司机的人机界面；并根据信号的基本运行逻辑，结合实际的运营业务要求，实现电脑仿真的驾驶模式模拟，包括ATO模式、无人自动折返模式（ATB）、在ATP监督下的人工驾驶模式（ATPM）等。实现运营模式模拟，包括基于通信的移动闭塞列车控制系统（CBTC）、强制降级（BM）模式和非强制BM模式。实现运营组织操作，包括插入列车、退出载客列车、列车在正线运行、进入和退出正线、列车调整等。同时，实现基本进路操作，包括进路人工设置、连续通过进路、自动折返进路、按运行图或目的地自动设置进路，并在进路操作的基础上，实现列车按照进路操作的结果自动运行。

4.2 非紧急降级模下的操作模拟

针对实际运营过程中，由于设备故障等引起非紧急降级模式的操作进行模拟，允许通过软件实现故障的设置，其中，轨旁设备故障包括CBI故障、LC故障、ZC故障等，车载设备故障包括车载CC故障、信标天线故障、编码里程计故障、列车失去定位等。在设置故障后，按照信号系统提供的操作规范，软件会模拟故障发生时的系统自动反应、模拟显示收到的信息。

4.3 紧急降级模下的操作模拟

针对实际运营过程中，由于特殊情况造成的紧急降级模式进行操作模拟，包括ESB激活、紧急手柄激活以及乘客疏散等。

在上述3中情况模拟的基础上，系统提供教学、培训及考核功能。系统允许用户对场景进行设置，例如设置正常运营场景、故障场景等，学员可以在该场景发生的基础上，按照实际要求对系统进行操作，系统在后台记录学员的操作结果及操作时长，并根据系统中的考核要求，给出最终的判定及结果，以此实现考核功能。

5 仿真逻辑

要想信号仿真系统界面及功能与实际应用环境保持一致，必须在软件上实现系统逻辑信息关联，下面简单举例一项相关软件在逻辑关系上的处理。进路的建立逻辑为进路建立分自动触发进路和人工手动排列进路，首先由ATS模块下达进路排列命令，ATS根据命令检查进路表，随后相关命令信息关联至联锁表进行进路建立条件检查，可执行则进行相关进路开放及锁定等操作，若不可执行则报告进路失效。

6 模拟场景

在实现仿真系统的软件结构搭建、硬件结构搭建及仿真逻辑关联后，通过模拟信号系统中各个模块（ATS、CC、ZC、CI等）功能，实现列车在CBTC、iATP和纯CI情况下的行车逻辑。培训管理人员可以通过界面选择相应剧情，来触发各类设备故障、灾害发生等情况下的模拟仿真。例如XX 车站站台触发关闭、XX设备故障等，下面简单举例CI故障模拟场景。

故障情况：CI 双套联锁机均不可用。

故障影响：受影响区域列车紧急制动，接近此车站列车常用制动。ATS、ZC、CC与该联锁区CI失去通信。LATS与CATS相应区域站场失去表示。联锁区域内所有信号机点红灯。邻近联锁区域已向该联锁区域排列的近路将显示禁止信号。

操作影响：OCC无法控制该CI管理区域的进路与道岔。车站无法控制该CI管理区域的进路与道岔。故障区域相邻车站无法向故障车站办理进路。区域内和接近该区域列车仅能在RM模式开行，此时，行车调度员可根据具体情况在系统上对行车组织进行调整。

故障恢复：重启CI设备后，车站值班员在480 s内进行相关上电解锁操作，并转为遥控。OCC确认故障恢复后，通知司机在RM模式下启动列车，列车初始化之后恢复运营。联锁重启，相应联锁内列车完全停止之前不得操作道岔和控制进路。

7 结语

该文涉及的软件Java和Node.js开发语言基于微服务体系，把各项信号系统进行模块化并通过服务器进行集群式部署，实现了系统的高并发和高可用，同时，系统采用B/S架构设计，实现逻辑业务关联，实现了系统运行模拟及故障模拟功能的实现。

通过宁波地铁信号系统仿真的搭建，以实际的信号系统为基础，面向运营提供了高度还原的信号系统，实现了行车组织、故障等常用场景的模拟，系统能够根据不同场景下各角色对设备的操作及运营组织进行考核评分，从根本上解决优化轨道交通在培训室的培训难题。