机车信号仿真教学系统升级研究

薄宜勇，贾英泽，罗惟洲，徐子轩

机车信号是设于机车驾驶室内的车载设备,通过安装在机车上的感应线圈连续接收钢轨上传递的移频信息,经过调谐、解码、放大后,控制车载电路,把地面信号的显示状态复示到机车信号灯上,并输出运行指令到显示装置,以此作为控制机车运行的基本条件。机车信号设备具有保证行车安全,提高运输效率及改善司机的劳动强度等作用,在我国铁路已经得到广泛应用。

1 机车信号培训系统的现状

既有的机车信号仿真培训系统主要由一体化机车信号车载设备、信号频率模拟发送箱和传输通道3部分组成。一体化机车信号主机含有人机界面显示单元、8显示信号机、安全信息综合监测装置（TAX2）、轨道信息接收单元等设备；信号频率模拟发送箱由信号低频、载频发生器,LED控制面板设备组成；传输通道是铺设的一段轨道电路。在培训系统上,操作人员可手动操纵一体化车载设备上的司控器、大小闸来控制压力及柴油机转速的发送,并在模拟压力表和LKJ显示器上显示相应的数值,同时机车信号接收轨道上传来的低频信号信息,经滤波、解码放大后,点亮8显示机车信号显示器,并产生列车速度控制曲线,监督和控制机车安全运行。机车信号仿真培训系统框图见图1。

图1 机车信号仿真培训系统框图

目前,利用既有的机车信号仿真培训系统在实际教学中主要存在以下问题,影响到教学的质量和效果。

1）在学院,多数学员都是初次接触铁路信号相关知识,而机车信号并不是单一的系统,它与地面车站信号、区间信号、值班员办理进路、前方列车运行等多种因素有关。若单独讲解机车信号设备而没有地面信号设备做参照,学员们就很难理解机车信号显示与地面信号的关联关系,以及低频信息在本区间和相邻区间的排列方式,列车接近、进站、出站地面显示情况等。

2）既有的频率发生器设计有自动、手动2种运行方式。在自动状态时,发码器按照既有设定的顺序产生发码频率,信号在不同制式、不同载频、不同低频中跳动,教师无法进行有序的教学演示；当切换到手动状态时,通过按压面板上的12个按键,虽可手动选择不同的载频、低频,但由于按钮多、功能复杂,且需要多次重复按压,使用极不方便,也同样影响教学效果。

为此,迫切需要对既有的机车信号实训设备进行升级改造,即在不改变现有设备功能的前提下,通过增加相应的软硬件设施,扩展新的技术功能。

2 功能需求

2.1 铁路运行全过程的仿真系统

利用软件编制出一个具有复线区间线路的联锁车站,区间为双线双向无绝缘移频自动闭塞制式,增加区间轨道电路及区间信号机显示,并将车站上、下行线路区间连接形成闭环。在联锁车站仿真界面上,可以设置列车信息,模拟列车运行［1］。系统通过以太网通信接口与机车信号仿真设备连接,实现既有机车信号设备有机地融入到车站联锁仿真系统。车站联锁仿真系统需具备以下功能［2-3］。

1）在联锁界面上办理接发车、引导以及调车作业,实现列车通过正常解锁及人工故障解锁能办理道岔单锁、封闭操作。

2）区间设有轨道电路区段和区间信号机,并可在站内正线及区间所有轨道区段,实现18信息低频编码的码序值显示。

3）实现自动闭塞方向电路功能,排列发车进路时自动改变线路运行方向,当出现“双接”或区间轨道故障时,可以采取辅助办理方式改变运行方向。

4）能够与机车信号发码器连接,由发码器发送机车占用区段的低频编码值。

5）具有设置站内信号机断丝、道岔断表示、轨道电路故障占用等仿真功能；同时可以设置区间信号机断丝、区间轨道电路占用、方向电路双接故障等功能。

6）在仿真界面的线路上可以设置列车信息,操作人员可控制列车自动或手动运行。

2.2 机车信号频率发生器改造升级

机车信号频率发生器主要由控制面板电路和频率发生器组成。控制面板负责选择功能、设置频率；频率发生器负责产生移频信息,并发送到钢轨上。控制面板上有12个按键和2个LED显示条,将手动操作改造为与联锁仿真系统连接,根据列车在线路的位置自动选择设置频率。同时将控制面板软件化,即实现用鼠标点击的方式,在电脑仿真界面上手动控制发送频率信息,并能接收车站联锁仿真系统的编码信息,控制频率发生器设置频率。

2.3 车站联锁仿真系统与频率发生器接口

车站联锁仿真系统与频率发生器采用串口或网络（UDP）2种常用的通信方式,通信稳定,易于日常维护管理。具体连接方式见图2。

图2 车站联锁仿真系统与频率发生器接口

2.4 软硬件开发环境

在Windows平台下,软件开发采用面向对象的C#语言,通过提供大量的开发控件,辅助开发人员建立复杂应用；硬件采用单片机电路板。

3 设计实现

3.1 车站联锁仿真系统

车站联锁仿真系统以计算机联锁为基础,运用软件工程开发模式,进行模块化、分层化设计［3］,从而保证系统具有广泛的适用性和可维护性。根据对车站仿真系统的需求,系统可分为以下3个功能模块。

1）车站联锁逻辑模块,实现进路选择、锁闭、开放信号、解锁等进路控制的全部过程。按照最新《铁路车站计算机联锁技术条件》（TB/T 3027-2015）的内容要求,参考6502电气集中电路控制逻辑特点［4］,可以把软件细分为进路建立模块、道岔模块、信号模块、区段模块、人工及故障解锁模块等子模块［5］。在有操作命令时,调用对应子模块进行联锁逻辑运算,并且进行联锁进路处理。联锁逻辑运算流程图和联锁进路处理流程图分别如图3,图4所示。

图3 联锁逻辑运算流程图

图4 联锁进路处理流程图

2）操作显示界面模块,主要实现显示站场图形和下达操作命令功能。遵循模块化设计方法,操作显示软件划分为：站内站场/区间显示、人工操作命令处理、自动模拟列车运行、与其他模块通信等子功能模块［5］,见图5。软件首先初始化站场图形；再根据操作人员的命令,进行编码后发送到联锁逻辑模块；最后根据接收联锁的状态信息,处理后不断刷新整个站场界面。为了使界面显示具有通用性,其包含的信号机、道岔、轨道区段、文字、按钮图形以及操作方式都按照国家铁路局《车站计算机联锁操作显示技术规范》的要求［5-6］进行规范性设计。

图5 操作显示模块结构

3）故障设置模块,见图6。为了仿真软件更贴近现场实际情况,联锁仿真系统需要有模拟信号设备故障的功能。具体分为信号、道岔、轨道、区间4大类,包括信号机断丝及恢复、道岔断表示及恢复、轨道电路故障、轨道停电、区间方向“双接”设置等［7］。

图6 故障设置功能模块

3.2 频率发生器改造设计

升级后的频率发生器面板见图7。控制部分开发设计分为面板仿真界面软件和智能控制电路板2部分。

图7 频率发生器面板

仿真软件界面完全仿真控制器面板,并增加了按钮动作的记录功能。该软件接收联锁操作显示软件的码序命令,同时也可用鼠标手动操作。智能控制电路板卡基于STM 32主控芯片的控制器开发,实现多路数据的采集和输出。控制器包括通信模块、继电器I/O模块、组态逻辑运算模块等。智能控制电路板与仿真界面软件采取RS-232串口通信方式。

仿真界面软件与联锁操作软件采用UDP网络通信方式,操作表示主机每隔500 ms向编码器界面软件发送编码信息。通信内容格式见表1。

表1 操作表示主机与编码器界面软件通信内容格式

4 功能应用

1）发码功能演示。联锁仿真系统运行界面见图8,在进站信号机显示黄闪黄（USU）信号时,演示机车信号接收双黄闪码的情况,可在联锁仿真界面上办理一条弯进直出（经过大号码道岔侧向）的列车进路,在S进站信号机外方S3JG区段设置机车占用,此时该区段发送低频19.1（UUS）码,同时自动控制机车信号显示一个双半黄色闪光［8］。

图8 联锁仿真系统运行界面

2）联锁操作功能演示。在IAG设置故障,模拟进站内方区段第一区段发生故障后,再开放引导信号,此时需要在15 s内重复按压引导信号,否则信号会关闭。

3）区间信号故障红灯转移功能演示。设置区间通过信号故障不能点亮,其后方通过信号机自动转为红灯状态,相应码序也跟随变化。

4）区间改方操作演示。办理改方操作有正常改方和辅助改方2种情况。正常改方时,需本区间无车且对方车站没有办理向该口的发车进路。例如向X口反向发车,检查区间灯空闲,先按压允许改方,再排列SⅡ至X的列车进路,区间就自动转换发车方向。辅助改方办理时,先设置区间某区段故障或“双接”故障,然后对两站进行辅助办理操作完成区间改方［9］。

此外,通过联锁仿真系统,还可以进行调车进路办理,进路总人解、故障解锁、道岔单操单锁、引导总锁闭等基础操作［10］,实现接发车培训及非正常作业情况时的演练功能；同时,联锁仿真系统与机车信号仿真系统密切融合,形成联动,为教师和学员创造出一个虚实结合、多场景的机车信号专业知识教学、实践的环境。

5 结束语

经过改造的机车信号仿真系统,在充分了解既有设备的薄弱环节情况下,运用合理成熟的软硬件开发技术,借鉴同类型系统设计开发的先进经验,使用成熟的开发平台和应用环境,使系统在功能和技术上保持先进性,为院校教学资源的优化配置、培养高素质和有创新精神的人才提供有力保证。通过在南京铁道职业技术学院的实际测试应用结果表明,该系统达到既定的设计目标,取得了良好的教学效果。