城市轨道交通沙盘模型综合设计＊

2022-04-25罗育辉

科技与创新 2022年8期

罗育辉

（广州铁路职业技术学院，广东广州 510430）

轨道沙盘模型不仅在轨道交通运营单位中应用，在教育机构或各大专院校和职业培训学院也得到了广泛应用，该模型通过缩小隧道、火车、站台等设备设施来仿真实际运营场景，以静态形式呈现静态地形、景观、绿地、城市建设、桥梁、洞穴和水系等；以动态形式演示火车依据控制系统命令在沙盘上运行，实现仿真演练的目的，通过演练来提高人们对轨道交通的认识。由此可节省物质和财政资源，能够产生重大的经济和社会影响[1]。

安全是城市交通的基础。模型核心的安全模拟是对列车的控制，如模拟行动、铁路救援等。模型系统运行的最重要前提是通过分支和灯光准确识别附件的位置来控制模型系统。

“引导模式”功能已由机器[2]可编程逻辑（PⅠC）和单机完成；为了能够在at-96 的帮助下为控制中心建造配电盘、灯泡和箭头，已经为城市铁路系统开发了一个综合培训系统。开发了DMV 控制的轨道交通控制系统作为控制点：信号输出和道岔由工业管理局通过出口控制电源板和继电器，用于驱动轨道上的电源电路，以确保列车反向运行，但实施管理机制具有成本高、完整性不足的特点，不利于推广。文献中开发的城市轨道交通ATC（automatic train control）仿真系统[3]用于通过调制解调器接收的交通流信号控制列车，控制箭头、信号灯和列车定位，并使用单层计算机MSP430 在PC（计算机）端模拟和控制各个目标。其中一个控制面板集成了分布式控制和本地箭头信号灯，导致现场电线移动，系统服务效率低。根据研究[4]，铁路运输开发的铁路运输综合工作平台提供机车管理。为此，C8051F330 用于提供点火装置，并用于控制箭头、聚光灯和带有小光束的插座的位置。然而，由于机车动力转向系统和网络连接与干电池的组合是可用的，因此不以相同的方式进行比较。

1 列车模型控制系统设备基础

列车模型控制系统设备主要包括列车模型、道岔、信号灯、道岔、列车定位装置等。由于列车基本模型已经配备了解码模块，本节仅介绍了列车模型的数字指令控制原理，不再致力于列车解码，并且不再详细阐述列车模型的基本知识。

在列车模型控制系统中，模型列车通过金属轮获得加载到轨道上的驱动电流，提供了列车的速度和方向控制。

根据电流信号的不同，列车模型控制可分为直流直接控制（以下简称“DC”）和数字指令控制（以下简称“DCC”），但在同一间隔内，DC 不能独立控制列车运行，存在缺陷，与小速度下列车运行不平整有关，因此DC 控制只能用于演示沙盘等场景。基于DC设计改进的DCC 控制机制，利用数字电流信号对列车模型进行控制，进入轨道。列车模型将轨道上的数字电流整流为驱动器，并通过解码器接收列车地址、行驶方向和车速信号，提供模型列车的独立控制。

当前的DCC 信号由二次信号调制，如图1 所示。二次波的大小是根据不同比例的列车模型确定的，例如以HO 比例的列车模型对应的方波幅值为14.5 V。在方波电流信号中，短波表示的是1，其周期为116 μs，长波代表的是0，周期循环232 μs；延伸0 表示数据包的结束，周期循环在95 μs～9.9 ms 之间。

图1 DCC 信号时序示意图

数字指令控制（数据包由引导位、地址字节、信息字节、控制字节组成，其中指令位由1 位大于14 位、每个字节之间不大于4 位和0 位组成。DCC 信号不仅提供传统的列车速度和方向控制、列车LED 和声音控制、信号灯道岔解码，它还允许对地址字节的变量进行解码。

信号灯一般采用简单的荧光二极管，通过开关输出驱动器显示的箭头根据实际需要购买。因此，本文中不再进一步描述这一点。道岔转换和列车位置确定以多种方式进行，因为它构成了列车模型控制系统的核心。下面分阶段分析这些原则、优点和缺点。

模型系统的控制分支可以从属于过渡和电磁位移。后出口由一个小型旋转机器组成，该机器由钢丝绳启动，并由控制保护装置的机构控制。缺点包括难以安装控制装置、故障的可靠性和难以并行时间。当2个电磁线圈连接到内部闭合弹簧上，且控制装置适应旋转驱动电流时，将发生电磁放电闭合，并将拨叉移向箭头方向。开关变换器可以使用DCC 传输控制信息，然后通过专用解码模块或专用卡管理直接实现。

列车模型位置是列车位置反馈的检测，是保证区间闭塞控制的基础。主要采用机械微动开关、电流传感器、光电传感器、霍尔传感器、干单簧管等工具。机械微动开关将机械触点置于轨道上，以确定列车位置。该方法具有机械断路器使用寿命短、接触试验影响列车运行等缺点。通过将轨道划分为多个区段并确保不同区段的物理和电气隔离来确定电流，当列车在区段内时，轨道电源可能导致该区段内轨道电流的变化，这将允许通过电流测量确定列车的位置。光电传感器设计用于在轨道间隔内堆叠光电，当列车通过时，光电池到灯的信号反射到列车底部，通过信号调理电路产生0 或1 信号，信号调理电路可以判断列车并确定其位置。霍尔传感器类似于光电参数，当列车通过霍尔传感器时，在列车后部安装一个小磁铁，由于磁场的变化，产生霍尔电位差，信号调整后产生0 或1信号。干单簧管还配备了一个小磁铁在列车底部，当火车经过时，它会使单簧管的弹簧磁化，它被磁铁吸引，转化为吸力，并进入常开触点状态，以便通过数字输入模块对列车进行定向。单簧管具有结构简单、体积小、使用寿命长、工作可靠等优点，已成为列车非接触定位的主要方式。

在分析既有铁路线路的需求和扩建的基础上，开发了沙质车站的形式和回归建筑风格。铁路轨道一般分为车站和区段。车站设有客货装卸平台。在进站进路上，根据正常折返运行的需要设置停车线，或在特殊情况下安排列车运行。在一些车站、车辆回流线、停车场车辆或中间站被遣返。

根据实际需要和轨道交通的实际配置，对沙盘模型覆盖的A、B、C3 条线路设计了以下缓冲方案。

A 线由1 条自上而下的直线和5 个车站组成，均为岛式站台。A1 站下侧设1 个交叉口，共有4 组道岔；A3 站有1 个带有4 个箭头的八角形出口；第5 段有交叉口和4 组道岔。正常情况下，列车在交叉口A1 和A5 车站运行。

B 线由1 条自下而上的直线组成，车站由6 条环线设计，其中B5、B6 站为侧站台，其余为岛式站台。从B4 站下侧设置回流线，用3 个箭头与正交线连接；在B6 站底部安装1 条带2 个箭头的单线；列车在环B上运行，无需返回。

C 线由4 个车站组成，每个车站都是一个岛式站台。C1 站下部设置2 条折返线和2 条存储线，分别位于2 条正交线的延长线上，2 条折返线由6 个箭头组成的交叉过渡线连接；为了转移到C4 站，安装了1 个带有4 组道岔的交叉口。正常情况下，C1 终点站列车采用单道岔和交叉口，C4 终点站列车采用交叉口办理折返。

2 管理结构

根据实际轨道运动信号系统的工作原理，根据实际信号设备的配置，在沙地上设置信号设备、轨道电路、道岔、道岔等设备，模拟线路运行时真实报警系统设备的运行，并实现了沙地模型的仿真演示和教学功能。

沙箱本体的轨道、道岔、信号机、道岔机采用德国进口标准的1∶87 通用模块。为了确保控制系统中车辆、线路、开关和信号机的控制，建议使用底部控制包（最初由奥地利Rocco 进口），以提供对车辆、线路、开关和信号机的控制。主要硬件组件如表1 所示。

表1 沙盘模型主要设备

沙箱控制功能主要由主控制器和子系统的分布式系统完成。主控制器和相应子项目的系统位于一条直线上，即3 个正交复合体A、B 和C。有3 个独立的系统来降低系统的复杂性并提高系统的可用性。每个基本控制系统的总体结构由5 个轨道区段组成：一个车辆段中，每个轨道区段沿下降线通过，下降线分为2部分，每个部分与这2 部分隔离。列车可自动通过隔离区段，无需“相位交叉”特殊操作。

3 硬件设备

硬件设备主要包括配电二次系统和警察二次系统。配电二次系统包括道路分岔系统、信号子系统、反馈子系统和轨道电子系统，用于控制系统中的真实轨道模拟。

道路分岔系统包括道岔变流器壳体（含分岔节点）、双线圈变流器、道岔译码控制器等。信号子系统。系统包括信号机外壳、信号解码装置、信号电源等。

反馈子系统，由8 路反馈模块、车辆反馈传感器和电磁铁组成。车辆反馈传感器来自控制总线中的编码器。高级机器用于引入逻辑评估，这将是服务器区域反馈子系统。轨道电子系统，对于这种车型，每辆车都使用自己的电源，其中车辆分为2 部分，2 部分是分开的。列车应在无专用道岔或道岔的情况下自动运行。轨道电子学是主要的组成部分。

主控制装置的模块可分为外部模块，用于车辆管理、数据传输和拆卸的建筑组件。各模块与硬件控制紧密相连，确保整个砂体运动可控。

沙盒的硬件系统由3 个独立的系统A、B、C 组成。系统由1 个主控制器、4 个放大器、多个指针、跨网络解码器和多个跨网络编码组件组成。主控制器负责与上位机通信，接收沙箱运动覆盖命令。开关设备的控制代码和信号代码。主机也从收发器传输到反馈系统。控制中心连接到4 个放大器。在轨道上，6 列城市轨道交通提供4 个放大器。2 个车库中有1 个放大器，主体部分有2 个放大器。