微型轨道交通科普展示系统设计与实现

李立明＊ 郑凌莺

（1．上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海201620；2．上海工程技术大学科研处，上海201620）

0 引言

截至2020年年底，全球已开通运营城市轨道交通系统共计有77个国家和地区，总里程超过33 346 km，其中我国内地已有上海、北京、广州等45座城市开通城市轨道交通系统运营总程达7 978.19 km，其中上海以834.20 km运营里程居世界第一[1，2]。“十四五”期间，轨道交通将继续在全国多个城市迎来发展机遇，轨道交通将由出行的公共交通工具，转变成汇聚生活要素、传播城市文化品牌的服务载体平台。对轨道交通相关技术的掌握与应用，将成为引领区域经济发展、推动社会进步的新动能。而公民的良好科学素质养成与推动科技创新与进步相辅相成，同时科学素质也是广大公民应具备的最基本的对科学技术的一种理解能力，公民的科学素质是国际科技进步、提高创新能力和国际竞争力的重要基石[3-5]。城市轨道交通科普是推动城市轨道交通事业发展、提高公民良好科学素质的重要手段，是传播轨道交通科技的重要载体，对提高公民科学素质、认识城市轨道交通科学技术，推进经济、科技与社会的和谐发展具有重要的现实意义。

轨道交通类的科普资源，如图像挂册、动画/漫画作品、铁路博物馆、科普知识讲座等，虽然类型较多，但数量少，而其中多数资源主要是描述铁路/高铁的发展进程及相关安全知识；综合类的铁路博物馆有北京铁道博物馆、上海铁路博物馆、沈阳铁路博物馆等，且数量较少；而城市轨道交通（地铁）的博物馆只有上海地铁博物馆1家，难以满足社会公众对城市轨道交通科普知识的需求[6，7]。目前分布于一些高等院校的城市轨道科普基地主要采用基于沙盘模拟展示轨道交通运行场景，而轨道交通沙盘存在投入大、占地面积大、维护工作量大、不易移动等缺点，由于价格高导致参观者只能观看“多车行车表演”，注重场景的再现而忽略了轨道交通各子系统的科普功能展示，同时在科普过程中缺少一种寓教于乐的互动式体验。因此亟须开发一种并有别于传统固定式轨道交通模拟沙盘，融合了趣味性与功能性的可移动式微型轨道交通科普系统。基于该系统可以实现移动式轨道交通科普展示，从而突破传统轨道交通模拟沙盘空间的局限性，实现科学性与教育性、综合性和趣味性的结合，引导大众对轨道交通技术的理解。

1 城市轨道交通系统简介

与传统铁路不同，城市轨道交通系统是指服务于城市客运，以轨道运输为主要技术特征的交通方式，具有运量大、速度快、安全准时、节能环保等优点[8]，常被称为“绿色交通”。城市轨道交通制式结构呈现多样性，常见的有地铁、轻轨、中低速磁浮交通等系统。同时城市轨道交通又是涉及多专业、多工种的复杂系统。为保证安全行车，在集中调度、统一指挥原则下，土建、车辆、通信、信号、综合监控、机电设备及消防系统多专业、多工种密切配合工作，进行时效性极强的有序联动[9]。

在所有系统中信号系统是关系到整个轨道交通运营安全的核心，也是与乘客安全关系最为密切的。本系统以科普轨道交通信号系统知识为核心，向公众普及日常乘车可接触到的一些比如信号机、站台信标、道岔等轨旁设备知识，同时辐射区间闭塞（区间停车）、站台对位停车、折返作业、线路组成、轨道交通车辆等轨道交通基础知识，使越来越多的人了解轨道交通，鼓励越来越多的人绿色出行，为“一带一路”建设培养人才。

2 系统方案设计与实现

为实现科普讲解的灵活性、便携式要求，同时涵盖到轨道交通信号系统中轨旁关键设备如信号机、转辙机、信标等，该系统采用国际标准N比例（1:160）模型设计轨道交通线路结构，使其具备基本的轨道交通运营结构要素，体现信号机状态变化、道岔定位/反位操作、进路排列、调车作业、列车折返作业等多种运行工况，具体实施方案如下：

（1）具有基本的轨道交通运行演示功能（可交互式操作），如车库调车、正线行车、到站停车等，具有一定的ATC的功能，构成轨道交通行车调度的科普知识点要素。

（2）线路形式可满足不同形式的调车作业，需包含多种渡线结构元素（如交叉渡线、单渡线等），可满足站前折返、站后折返作业，构成线路结构的科普知识点要素。

（3）轨旁设备结合线路结构设置信号机、道岔、信标等，同时采用轨道供电，可模拟实现轨道电路区间占用、区间空闲状态，信号机、道岔与进路实现联锁关系，根据操作实现道岔定反位的操作以及信号机（红灯、绿灯）状态的显示，构成轨道交通信号系统的科普知识点要素。

（4）车辆采用国际标准N比例进行设计，含有车辆转向机结构、车底通信模拟天线、车头信号机以及车地通信显示屏等，构成车辆系统的科普知识点要素。

整个微型轨道交通系统科普展示系统，如图1所示，包括2个虚拟站、1条存车线（车库）、1段转换轨、3组道岔区域以及多段轨道电路区域，主要仿真轨旁设备包括轨道电路、转辙机、信号机、道岔、有源/无源应答器信号设备，同时包含一节含“车载控制器”的列车如图2所示，整合系统构成了一个微型的多要素的轨道交通系统。

图1 系统线路结构示意图

图2 微型轨道交通科普展示系统及知识点矩阵

3 轨道电路互动式科普体验项目

轨道电路是轨道交通信号系统的重要基础设备，其性能直接影响行车安全和运输效率。如图3所示，轨道电路是以轨道的两根钢轨作为导线（导体），在其两端设置绝缘节，同时各接入发送端设备和接收端设备构成的电路。其中发送端设备由轨道电源、限流电阻和变压器等组成；接收端设备由轨道继电器、限流电阻和变压器等组成[10，11]。当轨道上无车驶入时，轨道继电器得电吸起，信号机显示绿色，表示轨道空闲；当轨道上有车占用时，轨道继电器失电落下，信号机显示红色，表示轨道占用。

图3 轨道电路科普知识点讲解示意

利用该科普系统，结合万用表，采用互动式测量轨道继电器的得电、失电电压。如图4所示，当2BG轨道区段无车占用时万用表显示电压为4.94 V，继电器得电，信号机显示绿色；当2BG轨道区段有车占用时万用表显示电压为0.086 V，继电器失电，信号机显示红色。通过这种互动式的科普讲解，让参与者自手动手，身临其境、寓教于乐中达到了传播知识的效果。

图4 轨道电路原理演示

4 总结与展望

微型轨道交通科普展示系统，集成了轨道交通技术的多种元素，集专业性与科普性为一体，既能体现专业知识又能在互动式科普讲解过程提高观众参与度，达到传递知识的目的。本系统有以下特点：

（1）将庞大的轨道交通系统微型化（1:160）、可移动化，打破了轨道交通系统科普传播的空间限制，使轨道交通科普传播变得更加灵活，更加贴近公众。

（2）将轨道交通专业知识直观化、具体化、形象化、娱乐化，便于公众接受与理解。

（3）摆脱了以往科普设备功能演示的定式化，本系统可针对不同的受众对象设计不同的科普内容，开放出不同的参与度权限，灵活性更强，观众的参与度也更高。