仿真技术在新建设铁路信号专业教学中的应用研究

陈宜滨 张杰 江泳 曹卫锋

摘  要：传统的列车运行控制实验系统有着占地面积大、成本高、维护成本大等问题，仿真系统逐渐成为实验室建设的首选目标。仿真系统不提供接口，实验过程等同于浏览学习软件的使用说明，实验者易忽略实验现象背后列车运行控制技术控制原理，达不到预期效果。文章拟通过采用自行开发仿真系统原型，提供源码和接口，通过课程教学演示讲解，实践环节培训开发等相结合的形式，达到建设专业、培养学生的目标，探索开放的仿真系统对新专业建设的作用。从后期学生毕业设计完成质量来看，这种新方式不仅有助于巩固专业知识，而且能够培养学生的动手编程能力，对郑州轻工业大学的轨道交通信号与控制专业发展具有实践意义，对同类专业的建设也具有一定的参考价值。

关键词：列车运行控制；系統仿真原型；教学实践

中图分类号：G640   文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2024）02-0059-04

中国高速铁路发展突飞猛进，为中国的经济、教育、社会发展等带来深刻影响［1-2］。中国分别于2005年、2017年开始工程认证和新工科建设，在工程教育认证和新工科背景下，高等学校对学生工程实践能力和科技创新能力的要求也随之不断提高，特别是针对理工科专业尤为突出，对此，国内学者对“新工科”背景下教学改革进行了一系列研究和实践［3-4］。在轨道交通行业，为了满足“智慧交通”世界一流学科建设的需要和高素质轨道交通通信与控制类专业人才需求，2013 年教育部将“轨道交通信号与控制专业”设置为自动化专业特设专业方向之一［5］。目前，除了传统铁路院校外，国内大多数本科院校开设了轨道交通信号与控制专业，除了部分开设比较早、轨道交通信号专业师资雄厚的院校外，大多数院校师资队伍、实验室建设相对滞后，为此由自动化类及铁路运输与工程教指委轨道交通信号与控制教学指导组发起，北京交通大学轨道交通控制研究所教学团队负责牵头建设，利用北京交通大学国家级轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心和国家虚拟仿真实验教学项目轨道交通列车运行控制等国家级专业实验平台、国家精品在线开放课程、国家级教材、国家级教学团队、国家级工程实践教育中心，由各个交通院校加入，共同建设了虚拟教研室平台。

郑州轻工业大学于2016年开设了轨道交通信号与控制专业，在专业建设初期，引进建设了列车模拟运行仿真实验室和基础信号设备实验室。列车模拟运行仿真实验室可以完成列车模拟运行，CTCS2/CTCSS3、CTCS3/CTCS2不同等级切换，进路选排、进路解锁等实验。基础信号设备实验室可以完成基础信号设备操作和站场场景模拟操作。当前真实平台的设备不仅价格昂贵，而且占地面积大，成套设备数量少，操作性低、可维护性成本巨大。此外，学生在实验时，因为程序源代码不开放，也没有对外接口，导致学生在模拟实验时候大多只是观察现象，却未能理解背后运行机理，难以达到教学效果。基于此拟通过全数字仿真技术，整合计算机技术、多媒体技术和网络通信技术模拟，采用数值计算模拟列车动力学模型，采用虚拟的应答器和地面RBC设备，模拟列车运行的控制的速度监控技术，实现形成许可生成、传输使用，模拟虚拟的地面限速服务器和数字线路，实现列车在CTCS-2/ CTCS-3下运行，能够实现比较常见的场景仿真，比如RBC切换，列车运行等级转换，提供运行演示效果和开发接口，在必要时提供完整代码供师生使用，从而服务铁路信号与控制专业。利用全数字仿真技术建设集实践教学、科学研究、科技服务于一体，功能完备的全数字列车运行仿真实验和教评系统，能够解决实验教学资金、设备、场地不足等问题。

一、仿真技术发展现状

国外铁路相关仿真发展较早且发展迅速，目前已有多种相对成熟的系统，比如瑞士苏黎世联邦研究院开发的OpenTrack系统、德国汉诺威大学（University of Hannover）和德国铁路管理咨询公司（RMCon）共同研发的RAILSYS系统、DONS模拟系统、LOGSIM系统、Villon软件、STRESI等系统。OpenTrack系统是由瑞士苏黎世的一个专门研究铁路仿真的带有技术性质的研究所开发的，主要是为了适配于“铁路网络运营管理系统”而存在，在OpenTrack系统这个系统中，分为三个系统，第一个是输入系统，将车辆或基础设备以及行车时间等存储；第二个是模拟系统，可以在仿真界面上直观看到列车运行效果；第三个是输出系统，主要显示列车的运营图或者轨道占用及数据统计的情况。它的功能十分强大，既可以实现关于列车运行时的调度仿真，也可以根据站内的情况来分析出线路的运能，还可以很完善合理地优化列车的运行。

在国内，轨道交通相关的仿真研究开始虽然较晚，但发展迅速同样有诸多技术和方法，目前最比较流行的仿真技术有纯软件仿真、沙盘仿真系统、实际车站仿真实验平台等方法［6］。纯软件仿真系统，其系统可通过简单的软件下载和使用来满足教师和教师、教师和学员、学员和学员之间的沟通交流。随着互联网的发展和信息化的普及，纯软件仿真系统发生了许多变化，从上述形式已发展到教师、学员之间可凭借互联网来进行数据传输工作。在众多车站软件仿真系统中值得一提的是通用列车模拟系统，基于列车牵引力动力学建模，构建有关具体线路、运行车辆、基本信号设备的数据存储，将定时、节能、节时作为牵引策略的基准，运用迭代方法来优化非线性问题，可以更加真实、灵活地模拟实际列车运行情况。沙盘模拟仿真系统，主要以计算机连锁、接口单元、采集驱动单元和轨道沙盘为主，配合驱动程序组建而成。

2000年以二维窗口形式，出现了模拟列车运行的运行控制系统、车站仿真等系统［7］，2011年周研等开发了研发了基于京津城际铁路的半实物列车运行仿真控制系统，仿真列车运行控制系统［8］，这种系统真实有效地模拟了现场的设备情况和运行状况等内容，对于全真实物来说，降低了培训成本和周期，但缺点在于其与实物现场体验相比感觉较差。相对于以上介绍的两种仿真方法而言，实际车站仿真更加贴合现实效果，能够更加真实、直观地感受，然而构建类似平台却花费巨大。总体来说，纯软件仿真具有无可比拟的优越性，占地面积小、易压缩和更新，仅用计算机即可，便利性将成为其应用的突出优势。

二、仿真系统的构建

列车运行控制课程组分别以MATLAB编程和B/S架构web的编程方式，实现了两套列车仿真技术的框架，以便学生能更容易地运用仿真技术，熟悉和掌握列车运行控制技术。列车运行仿真系统的建设目标是拟通过全数字仿真技术，整合计算机技术、多媒体技术和网络通讯技术模拟，采用数值计算在计算上模拟列车动力学模型，采用虚拟的应答器和地面RBC设备，模拟列车运行的控制的速度监控技术，实现形成许可生成、传输使用，模拟虚拟的地面限速服务器和数字线路，实现列车在CTCS-2/CTCS-3下运行，能够实现比较常见场景仿真，比如RBC切换，列车运行等级转换。

（一）基于matlab的列车运行控制仿真技术

在仿真系统的初步阶段采用MATLAB编程，通过虚拟串口模拟应答器的读写，分别实现了应答器模拟程序和列车运行控制程序。应答器模拟程序实现了完整的报文结构，学生可以理解并修改报文信息，最后形成标准的应答器报文，并通过串口发送，能够帮助学生理解应答器报文的应用方式。列车运行控制程序完成应答器报文的解析获取行车许可，能够实时绘制多种限制速度曲线，考虑车尾效应，计算并绘制最限制速度曲线，生成“目标—距离”列车运行监控曲线，系统框图如图1所示。

（二）基于B/S架构的web列车典型场景仿真和管理综合评价系统

基于web的列车典型仿真和管理综合评价系统采用B/S架构，对客户端整体进行设计，包括客户端前端、后端的设计，数据库的创建以及服务器的选择，完成客户端系统的平台管理和虚拟仿真操作功能。轨道交通信号虚拟仿真系统客户端的设计主要分四个模块进行，以实现客户端的实际操作以及仿真功能。客户端整体设计思路登录系统、用户注册系统、管理操作系统的设计，以及轨道信号模拟仿真系统的设计，设计思路如图2（a）所示。客户端设计主要包括对客户端前端网页端设计、后端实现业务逻辑的程序编写以及后台数据库的创建，而一般的客户端系统工作流程是用户通过客户端前端网页选择要实现的目标，前端会将用户的请求发送给服务器识别，然后通过后端程序找到对应的业务逻辑处理方式实现对应的操作，将请求发送给对应的数据库找到相对应的数據或者信息操作，反馈给后端服务器，并最终将运行结果反馈给前端用户，实现并且满足用户对相关操作的需求，客户端系统原理图如2（b）所示。

三、仿真系统在教学中的应用

（一）仿真在实验环境中的应用

郑州轻工业大学轨道信号与控制专业目前建设有列车模拟运行仿真实验室和基础信号设备实验室，列车模拟运行仿真实验室可以实验列车模拟运行，可以完成CTCS2/CTCSS3、CTCS3/CTCS2不同等级切换实验，进路选排，进路解锁等实验。

郑州轻工业大学列车运行控制研究组将构建的系统仿真系统，以源码和接口形式作为原有实验系统的补充，通过列车动力学模型的数值计算，模拟列车运行，并通过图形化方式显示在界面上。将列车运行速度监控作为中心，整个系统采用典型的三站两区间结构，模拟实现完整列车运行，主要包括典型的等级转换，列车运行场景、应答器读写、RBC切换等。系统构建充分考虑现在学生的迫切需求，设计了良好的对外接口，可以很好地切合学生实验和实训需求。并且在实验课上讲解系统的架构图、信息的传递方式和接口使用以及设计原理。在此基础上，学生在原型系统原型基础完成列车模拟运行，进路选排、进路解锁和各种典型场景的仿真，可以通过接口界面实时看到仿真效果。通过在界面上，按压始端和终端按钮，自动选排进路，当有敌对关系存在时，给出进路敌对关系提示，当进路建立以后点击模拟列车运行，可以启动模拟列车，其他典型场景选择不同界面按钮可以显示相应的仿真界面，然后启动仿真。

（二）仿真在教学中的使用

在教学过程中，教师可通过使用web软件仿真系统，在课堂上直接演示典型场景，讲解列车运行场景，调动学生的积极性，在演示典型场景仿真的同时，对仿真背后的仿真原理也进行了讲解，对学生将来从事该方面的开发工作以及毕业设计提供了一定的帮助。直接使用程序接口讲解应答器的，使学生提高了对应答器工作原理，编码和解码有了较为深刻认识。

（三）仿真在毕业设计中的应用

郑州轻工业大学自2016年招生第一届学生以来，已有三届毕业学生，列车运行仿真系统在毕业设计中都起到了非常重要的作用。以列车典型场景仿真，列车运行监控、列车追踪、列车进路优化以及典型三车站两区间为题设计题目在设计题目都是比较热门有特色题目，学生参与度和完成度都非常高，毕业设计的论文质量也比较高。这些题目在一定程度上要求学生不仅要对信号专业有一定了解，还对学生的编程能力有较高的要求，理论上可能是比较冷门的题目，实际上学生的参与度反而很高，通过学生谈话发现了，学生对这些题目兴趣和信心来自自建设系统在教学和实验环境中的应用。

四、结语

通过仿真在教学环节、实验环节和毕业中的应用可以看出，仿真系统能够解决实验的空间限制，能够减少实验以及培训过程中财力、物力上的消耗，提高实验教学设计的真实性和直观性。对复杂实验的重复操作，不需配备实验教学器材、相关使用元件，即可实验重复实验和操作。通过仿真技术的使用，提高了学生技能操作的核心水平，学生能够应用轨道交通信号与控制专业课程中所学的相关专业知识，结合仿真技术能够更加生动、立体地进行研究实验学习，大幅提升学习的动力与兴趣，巩固了所学专业知识，提高了编程能力，丰富学生学习途径，增强了学生的动手能力，为他们将来适应工作也奠定了一定基础。

参考文献：

［1］ 王美昌. 基于高速铁路交通的经济发展效应研究［D］. 南京：东南大学，2020.

［2］ 郑拓. 我国高速铁路与经济发展研究［J］. 铁道学报，2020，42（07）： 34-41.

［3］ 程英鸽，贺园园，刘石，等. 虚拟仿真技术在交通工程专业人才培养中的应用探索［J］. 时代汽车，2021（22）：55-56.

［4］ 杨京渝，彭丽，蔡振华. 新工科下虚拟仿真技术平台在电气类专业中的应用探讨［J］. 科技风，2021（29）：111-113.

［5］ 张红涛，陈露露，谭联，等. 虚拟仿真类实验教学资源省际高校共建共享的研究［J］. 实验技术与管理，2021，38（05）：26-28.

［6］ 方惠惠，王春. 轨道交通运行仿真的应用与发展［J］. 价值工程，2018，37（31）：239-242.

［7］ 罗昊，周磊山，景云. 高铁行车调度指挥虚拟仿真实验平台及其应用［J］. 实验技术与管理，2021，38（10）：140-145.

［8］ 周妍，周磊山. 高速铁路行车调度指挥一体化仿真实验平台设计与研究［J］. 铁道学报，2012，34（06）：1-7.

（责任编辑：邹宇铭）

基金项目：北京交通大学国家级轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心虚拟教研室专项开放课题“基于虚拟教研室合作模式的列车运行仿真实验开发与研究”（课题编号：2021RTCC05）。

作者简介：陈宜滨（1980—），男，博士，郑州轻工业大学副教授，研究方向为轨道交通、计算机视觉；张杰（1986—），男，博士，郑州轻工业大学副教授，研究方向为轨道交通、高等教育教学；江泳 （1975—），男，硕士，郑州轻工业大学副教授，研究方向为轨道交通、电子信息技术；曹卫锋（1975—），男，硕士，郑州轻工业大学教授，研究方向为轨道交通、高等教育教学。