地铁实训教学沙盘联锁系统软件设计

摘要：為进行轨道交通仿真教学，提高轨道交通专业知识学习效果，设计地铁实训教学沙盘联锁系统软件。在研究地铁沙盘控制系统组成、模型小车定位方法、设备控制协议的基础上，分析进路排列、设备联锁、进路解锁方法，编制联锁表。联锁系统软件采用Python语言实现逻辑判断及串口通信，采用软件PyQt5进行界面辅助设计。采用联锁系统软件可排列进路，操纵信号机和转辙机联锁动作，控制沙盘模型小车在进路内安全运行。通过测试验证，该软件控制沙盘模型设备联锁动作精确、可靠，能满足轨道交通仿真教学需求。

关键词：轨道交通；实训教学沙盘；联锁系统软件

中图分类号：U231⁺.92;TS951.7文献标志码：A文章编号：1672-0032（2023）01-0038-07

引用格式：张吉卫.地铁实训教学沙盘联锁系统软件设计［J］.山东交通学院学报，2023，31（1）：38-44.

ZHANG Jiwei. Design of an interlocking system software for a subway training sand table［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2023，31（1）：38-44.

0 引言

随着中国铁路和城市轨道交通的蓬勃发展，社会对轨道交通行业人才的需求量日益增加。传统教学方式以理论教学为主，学生接触现场设备机会较少，轨道交通仿真教学成为学生更好地学习轨道交通专业知识的教学模式。

在计算机联锁仿真培训方面，德国、西班牙等国家已结合3D技术进行仿真训练，瑞士联邦研究院开发了面向运行仿真的OpenTrack，英国和德国联合研制了基于路网的微观模拟系统RailSys^[1]。文献[2]提出了单纯采用软件技术辅助车务员的课堂培训系统（JT-JCR系统），冯涛等^[3]提出了基于B/S架构、可通过浏览器直接访问的WEB联锁仿真培训系统；谢飞等^[4]运用UML方法制作了适合实验室使用的集中站沙盘联锁仿真系统。

国内外在轨道交通仿真教学的研究与实践主要集中在利用软件模拟仿真方面，未与沙盘模型或真实设备结合，教学效果一般。基于地铁实训教学沙盘设计联锁系统软件，学生应用软件实现设备联锁控制，通过观察设备运行熟悉真实地铁工作模式，整个教学过程形象直观，教学成效显著，可有力促进学生轨道交通专业知识学习^[5]。

1 地铁沙盘系统

为实现实训教学目的，山东交通学院轨道交通实验室地铁实训教学沙盘如图1所示，地铁沙盘模型设备主要包括信号机、转辙机、轨道电路、模型小车，如图2所示。地铁沙盘系统上位机通过串口通信方式分别控制信号机、转辙机和沙盘模型小车，每类设备均对应1套完整的单片机控制系统，其中信号机、转辙机单片机控制系统位于轨道沙盘模型内部，用来接收上位机发送的命令，控制6台信号机显示和3台转辙机动作。沙盘模型小车单片机控制系统在沙盘模型小车上，采用无线方式与上位机间传送命令和数据。地铁沙盘系统设备连接图如图3所示。

1.1 沙盘模型小车定位功能实现

为实现沙盘模型小车定位，在沙盘轨道下方铺设260张IC卡。沙盘模型小车单片机控制系统主要由STM32单片机、IC卡信息读取模块、电机模块及RS-232无线通信模块组成。沙盘模型小车行驶过程中，IC卡信息读取模块读取IC卡中的序列号并将其传送至STM32单片机进行处理，将处理后的信息发送至上位机，并由上位机判断列车位置和股道占用信息。沙盘模型小车定位功能实现示意图见图4。

1.2 设备控制协议

设计联锁系统软件的目的是通过上位机实现地铁沙盘中信号机、转辙机和沙盘模型小车的控制。上位机与沙盘设备间的通信极为重要，需制定串口通信协议，包括上位机发送至现场设备的控制信息和现场设备发送至上位机的状态信息。每个设备的通信协议主要由报文头、数据帧类型、设备地址、数据量、数据位、奇偶校验位和报文尾7部分组成。报文中全部数据均为HEX格式，波特率均为19 200 bit/s。信号机及转辙机通信协议报文的构成如表1所示。

信号机显示的定义主要集中在第4～6个数据字节中，每个字节的各位对应某个信号机的灯位，要想点亮信号机，只需将对应位置1，其余位清0即可。转辙机定位、反位动作的定义主要集中在第4个数据字节，与信号机的控制相似，某一转辙机对应位置1、清0，分别操作每个转辙机。例如沙盘模型小车通信协议报文的构成如表2所示。

沙盘模型小车控制协议的数据位可实现较多功能，上位机发给沙盘模型小车的功能包括方向控制、速度控制和定点停车。沙盘模型小车发给上位机的位置信息报文的4位数据位按顺序为IC卡数据的第1～4位，采用BCD码编码。

2 联锁逻辑设计

沙盘信号设备平面布置图是进行联锁设计的重要基础^[6]，如图5所示。沙盘信号设备主要包括6台信号机、3组转辙机和轨道线路。轨道线路主要划分为17个轨道区段，包括6个有岔区段、5个无岔区段和6个尽头区段。

2.1 进路、联锁及解锁

进路是指列车或调车车列在车站内运行时经历的路径。当列车需在站内运行时，按照始、终端位置排列进路，对应进路转为锁闭状态，防止其他车列驶入该进路影响列车运行，保证列车进路行驶的安全性。

联锁是保证行车安全的重要技术措施，是信号设备与相关因素的制约关系^[7]。本文设计软件的核心工作是对联锁逻辑进行代码化实现。

当沙盘模型小车驶入始端进路后应立即关闭始端信号机，保证列车在进路内的运行安全，随后采用三点检查法对各区段解锁，即某一区段解锁时不仅要检查本区段列车占用过并已出清，还要检测前一区段列车占用过也已出清，及列车现已进入下一区段^[3]。满足三点检查的联锁条件时，对应进路可实现解锁。采用三点检查法可大大提高线路的利用率。

2.2 联锁表编制

联锁表提供信号设备联锁关系，给出进路方向与范围、排列时需按下的按钮、进路排列后需开放的始端信号机及其显示、道岔所需设置的正确位置、进路的敌对信号及进路范围内的区段等^[8]。通过联锁表可清楚了解每条进路排列时需控制的设备及需检查的设备状态等信息。

由图5可知本沙盘共有14条进路，在信号平面布置图上可得到每条进路所需信息，对这些信息进行归纳汇总即可得到联锁表^[9]。由信号机1开始的调车进路联锁表如表3所示。

3 联锁软件系统设计

地铁沙盘联锁软件设计目的是根据计算机端站场信号图排列进路，控制沙盘信号灯和转辙机，并控制沙盘模型小车按进路运行^[10-11]，主要设计内容为上位机与沙盘设备通信模块设计、进路办理流程和设计、进路自动解锁逻辑设计、进路手动取消设计、道岔和股道单独锁闭和单独解锁设计。

根据联锁软件设计的需求分析及可行性分析，选取PyCharm为集成开发环境（integrated development environment，IDE）软件，高效率Python语言可降低编程工作难度^[12]。软件PyQt5采用Python语言和Qt库融合而生，是Python语言专用的图形用户界面（graphical user interface，GUI）设计软件^[13]，可使联锁软件界面编程更加人性化。

联锁软件系统主要分成信息显示、串口连接、设备单独控制和联锁控制4部分，总体结构框图如图6所示。串口连接模块需实现与信号机、转辙机和沙盘模型小车控制电路的串口连接；设备单独控制模块实现各沙盘设备和沙盘模型小车的单独运动控制；联锁控制模块是软件设计的重点，需根据联锁表实现进路排列、进路取消、进路自动解锁等联锁控制，并通过信息显示模块实时显示道岔、信号机、小车、进路及报警灯信息。

4 系统的实现

联锁系统软件界面主要包括上半部分的轨道线路显示部分、下半部分的功能按钮及信息显示部分。

在轨道线路显示部分，每个信号机设置4个QPushButton控件，在不同阶段显示执行信号机显示变化、进路始端、取消成为进路始端、进路终端和取消进路的功能。显示区段时，当进路排列后对应锁闭的股道变为白色光带表示，当列车在股道上占用时对应区段变为红色光带显示^[14-15]。

串口选择部分由QLabel、QlineEdit和QPushButton 等3种控件组成，可实现串口连接，分别用于显示串口连接状态、输入所需连接的串口号、实现串口连接。沙盘模型小车控制部分由3个QPushButton控件分别实现前进、后退和停车功能。功能按钮部分由6个QPushButton控件组成，分别实现取消进路、清除报警等不同功能。信息提示部分由QLabel和QTextBrowser控件组成，用来输出进路排列信息和进路排列错误时的报警信息。图形用户界面如图7所示。

功能实现主要包括上位机和沙盘设备的通信、沙盘设备单独控制、沙盘模型小车控制、道岔和股道的单独锁闭和单独解锁等函数编程^[16-17]。例如实现进路建立与锁闭，主要有始端按钮响应函数xhj_1click（）和终端按钮响应函数xhj1zd（）。始端按钮响应函数主要实现按下始端按钮后，该按钮处信号机变为橙色闪烁提醒，可能成为进路终端的信号机变为白色闪烁提醒，进一步关闭其始端按钮功能，开启终端按钮功能；终端按钮响应函数是按下按钮后，根据始端、终端及联锁逻辑确定进路。进路建立与锁闭编程依据的联锁逻辑如图8所示。

5 系统测试

为验证地铁沙盘模型联锁控制系统的质量与可靠性，对系统进行功能测试即黑盒测试，根据软件需求，模擬客户场景对系统进行实际测试^[18-20]。测试内容主要包括系统启动、界面显示和右键菜单功能的故障、系统操作提示与警告信息等内容。其中，比较重要的进路排列和联锁功能是通过建立每条进路，且利用沙盘小车在进路上运行检测进路排列与联锁关系。列车通过每段股道时，对应区段可解锁，进入区段后始端信号机正常关闭，进路排列与进路解锁功能通过检测。测试进路建立后线路如图9所示。

6 结语

采用PyQt5和Python编程语言设计可实现沙盘模型设备单控、进路排列，并能控制模型沙盘小车按进路运行的联锁系统软件。系统软件测试证明，该软件控制沙盘模型设备联锁动作精确、可靠。基于地铁实训教学沙盘设计联锁系统软件是轨道交通仿真教学的创新实践和有益尝试，学生通过应用联锁软件观察设备运行，了解各种设备工作原理，理解联锁关系，熟悉真实地铁工作模式，可提高学习轨道交通专业知识的兴趣。

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Design of an interlocking system software for

a subway training sand table

ZHANG Jiwei

School of Rail Transportation，Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China

Abstract：In order to carry out rail transit simulation teaching and improve the learning effect of rail transit professional knowledge， the interlocking system software of the subway practical teaching sand table is designed. Based on the study of the composition of the control system， model car positioning method， and control protocols， route arrangement， equipment interlocking， and the release of route locking are analyzed， and the generation of the interlocking table are compiled. The interlocking system software for a subway practical teaching sand table is designed with the Python programming language for logic judgment and serial communication， and PyQt5 is used for interface aided design. This design can arrange routes， control the interlocking action of the signal machine and the switch machine， and control a model car for safe operation on route. It is verified by experiments that， the software can control the interlocking action of sand table model components accurately and reliably， and meet the teaching needs of rail transit simulation teaching.

Keywords：rail transit; practical teaching sand table; interlocking system software

（責任编辑：王惠）