基于网络协作的铁路行车组织仿真实验系统

周 妍

(浙江警察学院 交通管理工程系，浙江 杭州 310053)

基于网络协作的铁路行车组织仿真实验系统

周 妍

(浙江警察学院 交通管理工程系，浙江 杭州 310053)

铁路行车组织实验教学手段的欠缺已经成为影响铁路运输管理人才培养质量的重要问题。针对当前铁路行车组织仿真实验教学所面临的新要求，在分析系统需求的基础上搭建铁路行车组织仿真实验系统架构，对系统功能模块进行设计，并且应用计算机协同工作策略构建网络协作实验冲突解决机制，进而开发实现铁路行车组织仿真实验系统，为铁路行车组织的教学和研究工作提供一个有效的仿真实验工具。

仿真系统；模拟训练；网络协作；铁路行车组织

在我国铁路向现代物流转型发展的新时期，熟练掌握铁路运输相关技术和技能、具有现代物流管理知识的人才对于提升铁路运营管理质量具有重要意义，而科学、合理的人才培养将为铁路的快速建设和发展提供优质的智力支持。作为一门具有很高实践性的学科，铁路行车组织的教学必须将理论和实践紧密结合起来，才能实现良好的教学效果。但是，受行业实践条件限制，高等院校的铁路行车组织实验训练环节多以观察、体验为主，不能充分达到能力训练的要求。同时，铁路行车组织实验教学是铁路运输生产实践的集中抽象和二次发展，它不仅要如实反映实践的真实内容，还要超前预见并体现出实践的发展方向。自我改革和自我创新始终是铁路行车组织实验教学的内在要求，在分析我国高等院校铁路运输专业学生铁路行车组织实验需求的基础上，提出基于网络协作的铁路行车组织仿真实验训练框架体系，设计并实现可进行网络协作操作的行车组织实验训练平台，对于铁路运营人才的培养具有很高的现实意义。

1 铁路行车组织仿真实验系统需求分析

1.1 设计目的

一直以来，与铁路运输人才培养相关的院校、研究机构都在不断研究新的方法和增加资源投入，以提高培养学生专业能力的质量[1-6]，但目前铁路行车组织实验教学与能力需求仍然存在一定的差距，主要体现在：一是实验教学项目多依赖于单项知识点，不能达到综合能力训练的目标；二是实验项目设置与现实存在一定的差距，仿真环境需要进一步提高；三是实验任务孤立化，没有实现协作操作的管理效果。基于

此，以提高实践能力为主旨，以铁路运输客观生产环境为蓝本，设计铁路行车组织实验系统框架，满足多要素、多层次的能力培养需要。铁路行车组织仿真实验系统的设计目的，是实现铁路行车组织认知型实验与综合设计型实验的要求。①认知验证型实验培养学生形成基本的铁路运输概念，了解铁路行车组织相关专业领域的基本运作方式和技术流程，了解铁路运输基本运作流程。②综合设计型实验从强化学生铁路行车组织专业素质训练和技能培养角度出发，将专业方向的主干课程和专业要求融合在一起，其目的是使学生在学习基本知识和掌握基本技能的基础上，了解、掌握铁路行车组织目前主流的工程实作流程和操作方法，并以此为起点，通过综合设计型实验项目来提升学生综合性的铁路运输组织素养。

1.2 系统需求

（1）运输计划编制仿真。可根据系统提供的实验情景，在友好的人机交互界面上，分工种分用户编制完成不同任务下的列车运行图、车辆运用计划、乘务计划等。

（2）列车接发及调车作业仿真。依据下达的列车时刻表与车辆运用计划，按照《接发列车作业标准》办理接发列车进路，完成接发列车作业计划；根据调车作业计划办理调车进路，完成调车作业过程。

（3）不同场景变换仿真。不同情景、模式下的仿真是训练综合实践能力的重要因素，因而仿真系统应当能够根据教学需要，灵活地切换不同的仿真场景，并且能够进行实验过程的监控及实验效果的分析。

（4）仿真过程中的冲突检测与显示。在图形界面上进行业务操作时，按照真实环境中的业务逻辑实时判断可能存在的冲突并进行提示，同时给出自动疏解方案，保证网络协作操作的顺利实现，以达到协同实验训练的目标。

（5）调度作业演练。在初始列车运行计划编制完成后，系统按计划进行行车过程仿真，在过程中设置人为输入干扰或系统自动干扰，同时将加入干扰后的运行仿真实绩发送至调度员界面，调度员根据实验情景，对列车运行计划进行调整，并且判断是否需要安排应急及车辆维修、乘务计划调整。

（6）运行图技术文件输出。仿真完成后能够按照选择的格式和内容输出运行图技术文件，并且根据内置评价参数反馈实验成绩，考核实验效果。

铁路行车组织仿真实验系统功能需求框架如图 1所示。

图1 铁路行车组织仿真实验系统功能需求框架

2 基于网络协作的铁路行车组织仿真实验系统设计

2.1 架构设计

列车运行计划是铁路行车组织工作的综合性计划，铁路运输生产过程就是实现列车运行计划的过程。列车运行计划的实现需要多层次、跨部门的人员协作，因而铁路行车组织工作是一个跨部门、多用户的群体协作过程。为提高实验训练的效果，贴近实际工作需求，铁路行车组织仿真实验系统需要具有基于网络的协作交互功能。铁路行车组织仿真实验系统网络协作仿真过程如图 2 所示。

图2 铁路行车组织仿真实验系统网络协作仿真过程

为提供网络协同的操作仿真环境，铁路行车组织仿真实验系统的设计分为 2 个主要部分：一是仿真实验系统数据管理平台，内含数据库、数据交换接口与通信交互设备，以及可全局浏览实验情景的大屏幕显示设备；二是仿真实验客户端，包括多个网络协作操作计算机及局域网等设备组成。铁路行车组织仿真实验系统架构如图 3 所示。

图3 铁路行车组织仿真实验系统架构

2.2 功能设计

（1）路网基础数据管理。提供人机交互界面，定义、存储、编辑路网线路文件和线路车站文件，包括线路字典、车站字典、区间字典、基点字典、基线区段字典、线路衔接关系、各线路经由车站及区间，系统根据车站、路段数据逻辑信息自动生成路网结构。

（2）路网图形化数据显示。提供一套可视化工具，检查系统自动生成的路网逻辑关系，自动计算列车的运行径路，并且全局显示仿真路网环境。

（3）运行图基础数据管理。用以实现运行图数据维护，定义区间标尺、列车间隔时间、车站技术作业时间及停站时间标准数据等，采用文件形式将列车运行参数、车辆运用参数、车站资源分配等参数存储于数据管理平台，实验管理人员可存储、编辑开行方案、初始运行图、车辆与车站使用的初始数据，方便实验场景的设计。

（4）列车运行时刻表管理。从数据管理平台中读取运行图基础数据文件，建立列车径路，列车、车站、区间、区间正线使用、车站到发线使用、接发车进路使用的关联关系。根据实验场景需求，自动铺画

初始运行图，显示列车运行时刻信息，并将初始化列车运行时刻文件发送至实验系统用户端，供用户根据实验要求，编辑、修改列车出发时刻信息与停站时分信息；同时具有纠错功能，在多人员协作实验的模式下，系统自动检测列车运行时刻数据的一致性，并且反馈交互信息。

（5）车站作业管理。依据最短路原则自动分配进路，提供人机交互界面，存储与显示用户手动调试结果，自动计算车站资源占用冲突，并且进行反馈；在计划下达后，仿真显示车站进路占用情景。

（6）车辆运用管理。根据实验场景给定的车辆类型、数量、检修周期等车辆运用参数，用户按实验要求在对应界面协作编制完成机车交路计划和车辆检修计划，系统根据资源逻辑约束条件检测计划冲突并且用报警信息窗形式反馈信息。

（7）列车运行调整。提供人机交互界面，设计人为扰动参数或系统自动参数，根据列车运行计划推演列车的行车组织过程，并且将列车区间、车站时间位置信息、车站进路联锁状态信息、列车晚点信息存储于行车日志文件，实时发送至仿真实验系统用户端。

（8）指标反馈。系统自带指标计算功能，能够自动统计列车数量、列车仿真开行总公里数、列车运行时间、仿真晚点总时间等，并且将指标参数进行模糊计算，对实验团队整体和参与者的实验效果进行综合评价。

铁路行车组织仿真实验系统功能架构如图 4 所示。

图4 铁路行车组织仿真实验系统功能架构

3 铁路行车组织仿真实验系统开发的关键技术与实现

3.1 网络协作操作关键技术应用

（1）协同工作。为实现具有网络协作功能的铁路行车组织仿真实验系统，避免不同对象对同一实验要素同时操作导致指令不明确或相互冲突，在系统开发过程中应用了计算机支持的协同工作 (Computer Supported Cooperative Work，CSCW) 技术。CSCW是指在计算机支持的环境中，一个群体协同工作完成一项共同的任务[7]。在计算机协同工作的环境下，群

体活动之间存在着不可避免的相互关联问题，称之为“接口”问题。由于各个群体活动的目标不同，接口难免会出现矛盾和冲突，需要通过对话协商的方式来解决[8]。铁路行车组织仿真实验系统的设计思路是多组位实验人员同时参加，按照既定角色完成任务，在仿真系统中将单位成员定义为一个角色(Agent)，同时仿真系统将全部的角色与数据平台相连，通过TCP/IP 协议交互指令信息。铁路行车组织仿真实验系统结构如图 5 所示。

（2）数据流程。在系统的硬件结构环境基础上，确定网络协作仿真实验系统会话机制，即单一角色 (Agent) 从接收系统命令开始进入角色仿真阶段，首先查看系统资源，确认其活动 (Activity) 无用户认领冲突，然后根据实验要求采取相应措施，发送执行命令；系统在接收其执行命令后，再次进入资源冲突检测进程，如果出现冲突，将进行信息反馈，为冲突角色提供会话环境，并且重新发布任务信息。单一实验角色仿真数据流程如图 6 所示。

3.2 系统的开发实现

基于 .Net 平台的 Microsoft Visual Studio 2008 环境下，采用 C# 程序语言，应用 CSCW 协商机制，进行 C/S 模式铁路行车组织仿真实验系统的开发。铁路行车组织仿真实验系统主要功能界面如图 7 所示。

图5 铁路行车组织仿真实验系统结构

图6 单一实验角色仿真数据流程

4 结束语

铁路行车组织实验的教学手段改革，是我国铁路行业快速发展和交通运输工程学科建设的必然要求。基于网络协作的铁路行车组织仿真实验系统的设计更加贴近工作实践，符合实际运营状态，同时能够培养学生团结协作、有序配合的工作能力，是适应现代铁路信息化的调度指挥人员培训与实作演练的有效平台。

图7 铁路行车组织仿真实验主要功能界面

[1] 何世伟，周磊山.交通运输虚拟仿真实验教学中心软件技术[J].系统仿真学报，2016，28(2)：322-328.HE Shi-wei，ZHOU Lei-shan.Software Technology of Transportation Virtual Simulation Experiment Teaching Center[J].Journal of System Simulation，2016，28(2)：322-328.

[2] 张星臣，杨 浩，朱晓宁，等.京沪高速铁路列车运行仿真实验系统研究[J].铁道学报，1998，20(4)：1-7.ZHANG Xing-chen，YANG Hao，ZHU Xiao-ning，et al.Research on Simulation Experiment System of Jinghu High Speed Railway[J].Journal of the China Railway Society，1998，20(4)：1-7.

[3] 杨肇夏，蒋 熙，苗建瑞，等.列车运行及其组织模拟试验系统研究[J].铁道学报，1998，20(6)：1-8.YANG Zhao-xia，JIANG Xi，MIAO Jian-rui，et al.A Research on Simulation System of Train Running and Organization[J].Journal of the China Railway Society，1998，20(6)：1-8.

[4] 杨肇夏，蒋 熙，苗建瑞，等.列车接发与调度指挥实时仿真培训系统[J].系统仿真学报，2001，13(4)：546-547.

[5] 李 杰，朱健梅，袁传镔.铁路区间通过能力绘图系统设计[J].铁道货运，2006(8)：14-16.LI Jie，ZHU Jian-mei，YUAN Chuan-bin.Design on Plot System of Railway Passing Capacity of Railway Sections[J].Railway Freight Transport，2006(8)：14-16.

[6] 刘 旭，谭立刚，杨 浩，等.编组站通过能力和改编能力模拟计算系统的研究[J].铁道学报，2002，24(5)：11-15.LIU Xu，TAN Lin-gang，YANG Hao，et al.A Simulation System for Computing the Carrying Capacity and Resorting Capacity of Marshalling Station[J].Journal of the China Railway Society，2002，24(5)：11-15.

[7] 黄荣怀.信息技术与教育[M].2 版.北京：北京师范大学出版社，2002.

[8] 李 峰.支持群体工作的工作流系统关键技术研究[D].北京：中国科学院计算技术研究所，2001.

（责任编辑 刘 新）

Railway Transportation Organization Simulation Experimentation System Based on Network Coordination

ZHOU Yan
(Transportation Management Engineering Department, Zhejiang Police College, Hangzhou 310053, Zhejiang, China)

The scarcity of experimental and teaching method is a crucial problem affecting the cultivation quality of railway transportation management personnel. In order to meet new requirements of simulation experimentation of railway transportation organization , this paper constructs a simulation experimentation system framework based on analyzing system requirement, and designs the function of each modular, and builds conflict-solving mechanism of network coordination experimentation, and develops an effective simulation device for researching and teaching of railway transportation organization.

Simulation System; Simulation Training; Network Coordination; Railway Transportation Organization

1004-2024(2016)10-0021-07

TP399：U292

B

10.16669/j.cnki.issn.1004-2024.2016.10.05

2016-10-09

周 妍 (1983—)，女，黑龙江黑河人，博士。

浙江省重点科技创新团队项目 (2013TD09)