信号培训系统的虚实互动机制研究

卢 鑫，刘 晔

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 概述

随着铁路信号领域新的技术和新装备层出不穷，培训出懂原理、善运用、会检修的信号从业人员成为保障国内铁路信号领域健康发展的必然要求。信号培训系统就在这一背景下应运而生。

现有的信号培训系统，存在着种种弊端。部分受到没有铁路真实设备培训平台的限制，采用教仪仿真式的培训平台。主要依照课本理论知识，枯燥乏味地照本宣科，导致培训效果不理想，实操的设备与现场实际在用设备存在较大差距；部分培训系统仅针对单个信号系统的某些单个设备，通过仿真信号驱动来实现设备功能，并没有针对系统级和线路级信号设备全系统的培训功能，学习的深度和广度受到影响。随着铁路高速发展和从业人员的增加，路局、工区和相关的职业学校都会有部分信号的室内外实物设备，但是不全，全部购置又费用太大，所以这些机构迫切需要一种技术，能够基于其现有的部分实物构建整套的信号培训系统。

本文提出一种虚实互动的机制，能够在不同实物设备条件，不同线路环境下，构建整套信号培训系统。利用本方法搭建的培训系统能够充分利用不同机构实际的硬件设备环境，完成整套信号系统的功能及实训实操的需求。

2 技术路线

本研究依托部分在用实物设备，来构建整套的信号系统。主要通过虚拟模型和真实实物交互方式实现。目前现场在用的信号设备主要分为线路中心设备：无线闭塞中心（RBC）、临时限速服务器（TSRS）、调度集中系统（CTC）中心；车站/中继站设备：计算机联锁（CBI）、列控中心（TCC）、调度集中系统站机、集中监测系统（CSM）、轨道电路室内设备、道岔缺口监测分机；室外设备：轨道电路室外设备、道岔转辙机、应答器、信号机；车载设备：列车自动防护系统（ATP）、车载设备接口（DMI）、列车自动运行系统（ATO）等。

本研究应用的实物条件如下，但不限于以下几条。

1）实物条件为整站实物，本研究能够构建基于整站实物的全线路含多个车站和中继站的信号培训系统。

2）实物条件为车站室内部分实物，本方法能构建基于车站室内部分实物的完整车站室内设备，三站两区间或者整条线路的信号培训系统。

3）实物条件为轨旁设备实物，本方法能构建基于轨旁设备实物的完整车站设备，构建三站两区间或者整条线路的信号培训系统。

4）实物条件为室内实物设备，本方法能基于室内实物设备构建含室外轨旁设备，完整的室内外联动系统及三站两区间或者整条线路的信号培训系统。

5）实物条件为车载实物，本方法能基于车载实物构建含室外地面设备，完整的车地互通系统及三站两区间或者整条线路的信号培训系统。

6）实物条件为地面实物设备的，本方法能基于室内地面实物设备构建含车载设备，完整地车地互通系统及三站两区间或者整条线路的信号培训系统。

3 实现结构

本研究能够基于如上但不限于的实物条件，快速构建完整的信号培训系统。支撑这种机制实现的结构主要分为：底层支撑层；培训综合管理层；培训综合调度层；培训综合执行层，如图1 所示。

图1 机制结构图Fig.1 Mechanism structure diagram

下面分别对各个层进行介绍。

3.1 底层支撑层

底层支撑层主要完成底层通信网络的建立；数据以及消息的分发；系统时间同步；实物设备的接入等。为系统底层数据传输，通信和连接作支撑。

底层通信网络监听各个通信接口。各模型相互之间交换的原始数据包传送给数据缓存与处理单元。数据缓存与处理单元将原始数据包按照与培训综合调度层的通信协议打包。数据上传周期性地从待发送缓存队列中取出所有数据，发送给培训综合调度层。

实物设备接入模块，主要是接入如上文所述的信号系统的各种实物设备，以满足各种实物条件的需要；为保证数据安全性，本方法将既有信号设备的维护监测机、维护终端等信号设备的数据采集压缩后，按照定义的格式将数据发送给培训综合调度层，不对信号实物设备进行任何修改，确保信号设备的可靠性。其特点是可以灵活配置被采集设备的类型以及数目，适配所有的被采集设备，能够将不同类型的数据汇总，将异源数据同源化。

3.2 培训综合管理层

本层主要管理信号设备模型库、线路模型库、高铁运行案例库、车载设备工作模式库和典型故障场景等。

1）设备模型库：CTC 模型，联锁模型，TCC模型，轨道电路模型，道岔模型，信号机模型，应答器模型，RBC 模型，TSRS 模型，模拟驾驶台，应答器传输模块（BTM）模型、ATP 模型和DMI模型。本发明各种信号模型与实物，应用逻辑完全一致；通信格式完全一致；人机界面完全一致。能充分满足培训系统的要求。

2）地理线路模型：通过按照固定线路信息录入，完成不同线路环境的实现。高铁案例库中包含的14 个运营场景包含：注册与启动，注销，等级转换，RBC 切换，行车许可，重联与摘解，调车作业，人工解锁进路，进出动车段，特殊进路，自动过分相，降级，临时限速，灾害防护；9 个车载工作模式：待机模式、完全监控模式、部分监控模式、引导模式、目视行车模式、调车监控模式、机车信号模式、隔离模式、休眠模式。

3）典型故障场景：CTC 故障，列控中心故障，安全数据网故障，RBC 故障，TSRS 故障，转辙机故障，轨道电路故障，集中监控故障，联锁故障，信号机故障等。

4）虚拟现实培训中各种三维模型库、场景模型库、基础的学习课件等。本层实行智能管理方式，各模型均可支持系统版本升级，线路场景扩展，三维模型具有可编辑性，课件学习可按照需求编辑。

3.3 培训综合调度层

培训综合调度层是此研究的核心，系统框架根据配置文件，动态加载相应的数据预处理和表示模块，使系统的部署更加灵活快速。

为便于在培训综合调度层与培训综合执行交互层内部及两个子系统之间传递数据，即通过消息帧如图2 所示，通过分析信号培训系统相关数据的信息，定义一个统一的数据结构，其内容为：消息类型；消息标识符；时间戳；字符串键值对；字符串数组键值对；信息包键值对；信息包数组键值对（存储信息包数组信息的哈希表，哈希表的键为字符串类型，值是信息包数组类型，用于名称与多个并列信息包的对应）。对于上述提到的信息包，其由以下几部分组成：字符串键值对；字符串数组键值对；信息包键值对；信息包数组键值对。

图2 消息帧帧结构图Fig.2 Message frame structure diagram

由于消息的层次化结构，使得其与XML 的相互转换变得极为自然和容易，不仅能在网络传输、调用既有的XML 相应方法上获得便利，而且能够在异构系统之间实现消息通信。本研究通过此方法实现消息的通信。

培训综合调度层接收底层支撑层各类设备数据信息，根据数据的类型不同，调用不同的数据解析单元对数据进行解析和处理。

无论采用哪种方式，航运业的低硫化、环保化、清洁化趋势已经成为潮流，航运公司正在积极加大节能减排和清洁能源技术的研发投入，一方面会通过降速航行、安装节能设备、强化燃油管理等方式降低燃油消耗，另一方面会在清洁能源技术方面加大投入，液化天然气、液化石油气、甲醇、氢能源、太阳能等清洁能源的应用会大大加速。国际海事组织低硫新政策将进一步加快推动全球航运业的绿色发展。

考虑到压缩数据本身如果在数据发送的时候进行，而数据发送只有一个线程，所有的负荷都集中在该线程上，为实现负载均衡，在处理过程中，接收线程在接收数据的过程中就完成数据的压缩工作，这样可以将更多的负荷平均到多个接收线程中，达到负载均衡的目的。采用节点采集的机制，可以更加有效地利用云平台多处理器并发的硬件优势，达到提高系统响应速度的目的。

3.4 培训综合执行交互层

考虑到培训系统中各层间的功能划分以及“高内聚，低耦合”的设计要求，遂将培训系统中与用户交互的展示和操作界面部分和培训执行提取出来，整合成“培训综合执行交互层”进行设计和开发。

信号培训系统在运行过程中需要将底层设备的数据和培训系统的各种的结果等通过直观的方式展现给用户，故需要具备能够将文字、图表、动画等多种手段进行展示的执行交互层。同时，培训系统还需要向用户提供便捷、灵活的操作界面，以接受用户输入的指令。

本方法能够快速灵活的实现培训内容的设计。脚本通过XML 消息通信的方式完成脚本注入。培训脚本的数据结构也采用消息帧的形式。其相应的内容包含：线路信息，车站信息，设备信息，车地信信息，车载信息，案例信息等。

培训综合执行交互层包含虚实互动的三维培训漫游功能；培训综合执行交互层包含“学练考”结合的教学考试功能。

4 运行机制

本研究提出的虚实互动的机制可根据培训内容灵活构建培训系统。系统运行机制如图3 所示。

图3 机制流程图Fig.3 Mechanism flow chart

1）制订培训计划，按照培训脚本数据格式编制脚本。

2）向培训综合执行交互层注入培训脚本。

3）培训综合执行交互层将培训脚本传输至培训综合调度层，依据配置文件，完成数据预处理，表示模块的解析。

4）培训综合管理层依照培训综合调度层消息生成线路环境，各种模型及案例库。

5）培训综合调度层驱动底层支撑层，通过底层通信网络的建立；数据以及消息的分发；系统时间同步；实物设备的接入，构建成完整的培训系统。通过消息订阅的方式来获取底层设备信息状态。

6）系统构建正常，既按照操作指令完成培训任务。

通过本方法，能够快速在既有实物设备基础上建立信号培训系统。本方法硬件部署采取云平台共享硬件资源的开放方式，系统可以构建在若干虚拟机上，实现系统部署的分散式。同时各种培训交互界面，也采取相应的虚拟机共享方式，使其培训的地点不必局限于一地。

5 应用与总结

本研究目前已成功应用于大铁信号培训和城轨信号培训领域等。同时其产品已经成功在铁路局职培基地和铁路院校实训基地完成工程实施和应用。自应用以来以其真实生动、界面友好，能够满足信号系统的运用、检修、故障处理等方面的需求，深受使用者的欢迎和好评。下一步本研究将应用于铁路调度和运输培训等领域中。

本研究提供一种虚实互动的方式来构建信号培训系统，研究的重点不在于通过纯模拟方式在固定的线路环境下建立信号仿真平台。而是针对信号的培训特点，依托信号系统各种实物设备，建立能够适应不同实物设备条件，不同线路环境下，快速搭建整套信号培训系统。搭建好的培训系统能够充分利用不同使用单位的硬件设备环境，完成整套培训系统的功能及实训实操；本方法还预留信号设备扩充的接口，当业主后期具备资金购置新的信号设备时，培训系统能快速地将这些信号设备纳入系统中来。