探索从用户需求出发的,地铁运营仿真实训系统构建

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摘 要：地铁运营仿真实训系统，是通过仿真微缩地铁局部线路的相关软硬件系统，实现行车指挥和调度、信号系统等相关专业的综合联调模拟训练，或开展调车控制、信号局域网优化模式等课题科研的系统化平台。最近几年，由于其不影响地铁正常运营、具有较高的实战价值，一些地铁公司和轨道交通院校开始对相关系统进行研究与引入。但是，由于该系统涉及专业范围广，且实现相同功能的原理与地铁实际存在较大差异，会造成系统建设需求单位不能有效地把控如何进行体系设计、框架构建、过程控制、效果评价等问题。本文结合之前对地铁仿真实训系统的了解和研究，从通俗、简单、更关注效果的通用性用户需求角度，对系统内容及构建进行阐释，希望能够为相关需求单位提供借鉴和参考。
关键词：用户 需求 地铁 运营仿真实训系统
中图分类号：F203 文献标识码：A 文章编号：2096-0298（2018）03（a）-014-03
1 研究意义
地铁运营仿真实训系统，是通过综合运用与地铁实际信号、通信、机电、轨道、供电、调度等系统原理迥然不同的技术、逻辑与方法，在某一局部区域模拟真实地铁运作机理的载體。因此相关内容实际为地铁专业范畴外的全新领域，简单来说，就是“形似而神不似”。那么，如何有效地建设起该系统并使之符合应用需要呢？笔者在对之前建设过该系统的部分单位调研后发现，如果缺乏对该系统技术与知识的全面了解，那么与其东拼西凑、牵强附会，不如脚踏实地将用户需求作为抓手，贯穿在系统设计、构建、控制、评价的全过程中。
另外，对于市场上各种不一的就该系统组成部分和运作机理的表述，本人认为，系统可直观分为控制系统、硬件设施设备、软件系统三个组成部分；而整个系统的运作机理，概括而言，就是通过控制系统，将硬件和软件进行集成并模拟出地铁实际运行状态的过程。
综上所述，本文就是从用户需求的角度出发，对地铁运营仿真实训系统构建的论述，包括了系统定义及作用、建设前期需要明确和提供的信息、系统布局规划信息、系统各组成部分及需实现功能等内容。
2 地铁运营仿真实训系统定义
运营仿真实训系统是以地铁线路为制作蓝本，通过集成微缩的地铁设备（及其载体，如沙盘）等硬件与模拟地铁实际运行相关系统逻辑与功能的软件，仿真地铁运营中的各种状态及各专业的联动机制，作为以调度、信号专业为主的培训、科研平台。
3 地铁运营仿真实训系统作用
3.1 专业培训、演练
地铁运营仿真实训系统具备调度、信号等专业系统培训、演练作用，可令相关岗位员工以角色扮演形式，在实战氛围中加深对地铁运营作业流程、调度控制等方面的认识。
3.2 科研
地铁运营仿真实训系统能全面展示列车在区间运动过程中，信号机和转辙机之间的联锁管理，实现调车控制系统、微机联锁控制等内容，可为信号局域网研究、列车自动控制系统等技术研究课题提供实验场地，有一定科研价值。
4 建设地铁运营仿真实训系统需要确定的前期信息
4.1 确定仿真制作对象
即制作蓝本，如某城市某地铁的某段/某区域线路。
4.2 仿真制作对象概况
即需进行仿真制作对象的基本物理属性、主要特征、核心参数等内容。
4.2.1 线路
包括起点、终点、总长度、区间长度、布局方向、途经的重要坐标和建筑物、道岔（含正线、车场折返线）总数及位置、信号机总数及位置等信息。
4.2.2 车站
包括车站总数、地面车站及地下车站数、联锁站及分布等。
4.2.3 车辆段及控制中心
车辆段及控制中心位置、车辆段线路布局、车辆段主要建筑形态及分布等，其中的 道岔和信号机等设备在线路部分一并考虑。
4.2.4 列车
包括外观、型号、车厢长度、每列编组数等。
4.3 系统环境
即系统需制作、安装的场地等信息。
4.3.1 系统设置地点
即系统安装的地点。包括了地点的空间开放程度、建筑结构及布局等内容。
4.3.2 现场条件
包括了设置地点的电源电压和允许波动范围、总电量、温度区间、湿度平均值和极值、可承受压力及重量、数据及通信接口情况等。
4.3.3 消防
即需参照或执行的消防要求与标准。
4.3.4 其他环境内容
（1）环境基础建设。为保证系统安装，对设置地点中的地板、灯光照明、空调、电线铺设及电源接口、办公桌椅等原有设备设施的盘点及调整、配置策略。
（2）综合环境。应考虑设置地点所在区域的一般环境因素（如高温、潮湿等），以对材质进行选择。同时，应考虑到例如虫蛀、鼠患等潜在问题。
5 地铁运营仿真实训系统布局规划及相应要求
5.1 系统布局及造型
系统布局就是在综合考虑系统各组成设备后，在空间中进行排列组合而呈现的状态。这种布局与造型，还须考虑到检修维护及人员进出动线等因素。
5.2 系统的规格尺寸
5.2.1 系统主体
包括系统离地距离、系统的平面宽度、正线、车辆段及折返线部分长度、宽度、面积及布局，地铁线路及站点微缩在系统上比例与间距等。
规格尺寸设置应注意保证列车模型能完成可能需要的上坡、过弯等动作。
5.2.2 控制设备
即服务器数量、模拟控制中心及投影数据输入功能所需电脑数。其中模拟控制中心需明确各计算机需实现的功能与控制范围。在进行电脑设备规划时，还需考虑到教师机（用于设置相应故障、指引故障排查、检查故障处理等）与学生机（根据教师机指令，在系统局部实施相应操作和演练）的布局、配置。
5.2.3 配套设备
主要包括投影仪、投影幕/显示屏等在天花及墙面的安装与布置等相关内容。
6 用户在构建地铁运营仿真实训系统时需关注的需求
6.1 地铁运营仿真实训系统控制系统需求
6.1.1 系统控制的总体策略
分级、分层控制。
6.1.2 系统控制机制
按照不同功能的控制要求设立各自相对独立的处理器，利用适当的通信手段将分布的功能控制器连接起来，实现既集中又分散的集成控制系统。
6.1.3 局域网系统
一般而言采用星形结构。在相应服务器共同作用前提下，通过软硬件的集成控制模式，基本实现与地铁控制系统功能相匹配的架构体系。
（1）模拟控制中心。组成包括：数据库服务器及通信服务器，列车远程控制终端计算机，投影系统调监控制计算机，中心控制计算机（实现列车调度、运行图编制/调整与发布、故障设置等功能），教师机（作为调度运行、操作权限授予与监控、故障模拟与演示示范等功能的总控平台）。模拟控制中心监控屏幕采用投影机投影等形式实现，可完整显示线路运行状况及切換局部界面。
（2）车站（含联锁站）及车辆段。呈现控制中心与车站（尤其是联锁站）控制授权机制及LOW系统功能清单；展示车辆段操控列车、实现调度和故障模拟机制。
（3）系统拓扑图。需明晰系统拓扑图结构的最低配置要求。
6.1.4 计算机联锁仿真系统
该系统是以计算机为主要技术手段模拟车站联锁的信号设备。计算机联锁应具备大信息处理和联网能力，能满足仿真实训系统中车站（车辆段）和运输作业的需要。需明确以何线路采用何种系统为版本，建立计算机联锁仿真系统，总线采用工业何种总线开发通信协议。计算机联锁系统应至少满足以下5个原则。
第一，需明确应满足哪些国内/国际标准的有关技术要求。
第二，必须工作可靠并符合“故障—安全”原则。
第三，与其他设备进行通信，应遵循规定的通信协议。
第四，能与其他信号系统结合，并与其他信息管理系统交换数据。
第五，控制、展示方式简便。
6.1.5 列车控制系统
系统一般会采用列车和控制中心双向通信的控制模式，按照NMRA制定的DCC协议标准，可兼容多数列车模型芯片。列车控制系统应能模拟实现列车按计划运行图行驶，包括列车状态显示、通信、列车状态保存、遥控控制、ATC（ATS、ATP、ATO）等模式控制仿真等功能。
（1）原理与要求。将控制信号通过数字轨道传输至列车中的控制芯片，始终保持列车与控制中心双向通信，并以目标距离控制模式操控列车。
（2）需包括的内容。列车控制系统技术要求：采用的总控设备（如单片机），工业串口通信接受命令来源，控制命令转换信号的原理及机制，信号的读取、解码、分析、执行，列车模型运行的位置与系统沙盘区域占用识别，模拟电气设备控制。
列车控制系统控制设备要求：包含模拟控制中心总控设备接口协议、波特率、通信模式等，模拟控制中心载体驱动设备、列车模型总控设备、列车无线发送接收设备、列车模型位置信号读取设备、信号放大设备的运作机制、有效距离，输入信号及电压、输出信号、最大输出电流、支持功能、支持通信协议、功能及电机输出口最大输出电流、相应状态显示等内容。
6.2 地铁运营仿真实训系统硬件（设施设备）需求
设施设备等硬件包含列车运行沙盘盘体、轨道线路、道床、列车、车站及车辆段建筑、接触网、道岔与电动转辙机、信号设备、模拟控制中心、学生机、投影机与投影幕、装饰设置、其他配套设备设施等。其中，轨道线路、道床、列车、车站及车辆段建筑、接触网、道岔与电动转辙机、信号设备、模拟控制中心等，其实都是对实际设施设备进行微缩的模型，在陈述中不再另行标注。
在设计、制作、安装中，总体需遵循安全、环保、人本的原则，设备应具有消防、安全合格证书、说明书等证明，安装工艺应符合消防验收标准及相应作业要求。总体上还需注意以下四点要求。
第一，软硬件配套一致：如模拟控制中心操作平台与系统软件接口统一安装。
第二，端口及相关设备配备齐全：根据实际需要，配置必要网络端口，并采用相应交换机、电源模块盒、语音网络端口等。
第三，设备操作简易：所用设施设备应易用，故障定位简便，易维护。
第四，相关资料完备，应提供布线设计、施工图纸以及竣工图纸。6.2.1 沙盘盘体
沙盘盘体是作为系统硬件部分中包括轨道线路、道床、列车、车站及车辆段建筑、接触网、道岔与电动转辙机、信号设备、模拟控制中心等的载体；同时盘底布置相应的数据、电源线路等，支持盘面硬件的运行。
（1）沙盘台面部分。需要关注采用的材质、骨架的垂直方向支撑构建（如方形钢管尺寸）、横向方向支撑构件（型号、标准）、盘面受重亢余度和承重数、防火标准及其他相关要求，如防虫蛀、防潮、防鼠害、防漏电等。
（2）沙盘底层及裙边。涉及底层部分密闭性要求、油漆喷涂处理标准、预留设备维修口、整体美观要求等；裙边材料及防火要求、装饰板材质、工艺、保持良好状态的年限要求。
（3）沙盘台面围边。围边材质、表面处理、护栏外观装饰的布置及材质。
6.2.2 轨道线路
包括了制作蓝本、供电方式和带电电压（若列车模型供电方式为轨道供电）、依据标准、轨道类型、运行状态及连续运行时长、外观、安装要求、各部分（正线、车辆段及折返线）微缩比例等内容。
6.2.3 列车
即动力来源与供电方式、模型制作蓝本与外观、微缩比例、编组数、车轮材质及性能要求、标准依据、通信模块、控制方式与精度要求、音效、接口类型与控制协议、总线协议与传输协议、操作系统、列车总数、同时在正线运行列车数、速度级别、工作电压及电流等指标。
6.2.4 车站及车辆段建筑
（1）车站。包括要制作的车站数、各车站的形态（混合式、侧式、岛式）、微缩比例、制作建筑结构及设备模型内容、材质与外观要求、灯光联动效果、轨道/轨旁设备（如道岔、信号机等）联动设置、维修与保洁要求、装饰性内容制作要求。
（2）车辆段。即需制作的区域及建筑、灯光联动效果、材质与外观要求、微缩比例、拆卸及组装的方式、维修与保洁要求等。
6.2.5 接触网
接触网不供电，可选择以演示实际运行情况。
6.2.6 道岔与电动转辙机
应注意布局位置（即线路微缩后的相对位置）与地址设置、微缩比例、制作数量、驱动机制、外观要求、操作方法与联动状态、位置信息传输机制、制作材质、电压变化范围、控制与联动等。
6.2.7 信号设备
一般以信号灯形态出现。包括按照专业规范形成的布局位置（即线路微缩后的相对位置）、制作数量、运作原理、拆装要求、材质要求、外观要求、安装方式、接口类型、总线和控制协议、操作系统、工作电压与电流等内容。
其中的运作原理，一般而言，包括了以不同分界点按进路式逐段开通、信号机与列车进出站动作联动、道岔与信号机逻辑联动、进出折返线列车与信号机联动四个部分，也可根据实际调整。
6.2.8 控制中心及学生机
设备（如电脑）组成及功能分工、设备数量、各设备控制分别控制的系统设备与区域布局、安装的位置与要求、硬件配置要求、候选品牌及型号、需配置的配件（如支架等）、需注意安全事宜等。
6.2.9 投影机与投影幕（或采取其他显示形式）
应关注设备数量、安装位置、安装工艺、候选品牌或核心部件的规格参数要求、投影的功能与效果等内容。
6.2.10 装饰设置
包括系统沙盘台面部分的绿化草地布置、微缩实体控制中心、（除车辆段建筑外）其他标志性建筑等内容。可围绕采用材质、展示风格、展示效果、展示形式等要求来考虑。
6.2.11 配套设施设备与其他
主要有电线与电源，其他弱电设备，数据传输线，灯具，元器件，设备接口的品牌、材质、规格，作业人员资质要求，作业标准，排列美观性等内容。
6.3 软件系统和功能需求
软件系统包含仿真控制与调度模拟两部分功能，能实现正线正常和后备模式的功能模拟及车辆段的联锁控制模拟，具体包含运行组织编制子系统、控制中心模拟子系统、ATP/ATO模拟子系统、LOW车站模拟子系统、列车驾驶模拟子系统、通信子系统、教学与故障模拟子系统等。
6.3.1 仿真控制与调度模拟
（1）仿真控制。仿真控制应实现的功能和要求，包括应能通过控制系统与沙盘联动、能实现列车运行操作、具备可靠抗干扰技术和措施、符合行业有关技术标准和安全认证、硬件和软件结构模块化及标准化、具有对联锁设备监测功能等。
（2）调度系统。调度系统控制功能包括了三个方面。
第一，运行过程中，应能动态显示计划运行图和实迹运行图等功能。
第二，能够实现列车行车调度。
第三，能够模拟故障并监控、检查相应的故障排查有效性。
6.3.2 运行组织编制子系统
运行组织编制子系统包括基础数据管理、运行图自动编制、运行图调整、分号图的编制及运行图的分解等内容，主要解决列车班次计划的优化，采用高低密度结合，分析不同客流条件下运输组织方案的优化问题；可实现论证期运输组织效果分析、实施期运输组织计划编制的用途。
该系统应具有可以快速调整和重新编制全部路网运行图、指定区段的运行图、节假日分号运行图并对运行图进行分解等功能。通过自动或人机交互的方式，生成列车运行图。要求简单、直观、便捷地实现以下内容。
（1）构建路网。根据现有的路网结构及其逻辑关系、车站和区间平面图，通过可视化编辑工具生成数字化路网结构。
（2）运行图要素数据输入。通过可视化工具，根据路網结构系统生成的路网，录入所需运行图要素数值并推算出各站、各区间、各线路的连接情况和相互连接关系，为运行图铺画提供数据基础。
（3）列车运行图编制。在运行图各要素和资料的基础上设定运行图结构、定义运行图上运行的列车、输入时刻表和完成运行图编制。具体包括实时铺画列车运行图、调入已经编制完成的运行图、多人协同铺画运行图等。
（4）基本运行图的下发和实施。
6.3.3 控制中心模拟子系统
其要求可包括以下内容。
（1）操作界面应真实模拟制作蓝本驾驶系统界面。
（2）现实中的列车自动控制系统功能均应予以实现。
（3）明确系统构成及列车运行的自动管理和监控功能，如根据联锁表、计划运行图及列车位置生成输出进路控制命令，列车识别跟踪、传递和显示，对区间、道岔、信号机和列车监视，具备自动/人工运行切换、时刻表编制和管理、系统状态显示、列车运行及信号设备的监视和报警、实现/取消紧急停车、扣车/终止扣车等功能。
6.3.4 ATP/ATO模拟子系统
（1）ATP系统要求。模拟实际情形，实现包括提供列车速度保护、确保列车进路正确及列车的运行安全、防止列车超速运行、实现与相关系统的接口等目标。
（2）ATO系统要求。模拟实际情形，保证列车自动驾驶（如启动、牵引、巡航、惰行）和制动的控制、精确停车、列车调整、列车识别等。
6.3.5 LOW车站模拟子系统
应在对制作蓝本LOW操作界面进行仿真的前提下，实现中央故障或授权操作时LOW本地操作模式，进行进路、自动闭塞、道岔等控制，实现轨道空闲处理，对设备故障或重要信息给出提示。
6.3.6 列车驾驶模拟子系统
系统可对列车模型实施管理，显示列车状态，并运用Windows系统界面，对每台列车实施手动操作控制，能正确显示相对应列车在沙盘上的具体位置、列车车次号及车辆编组号，能实现列车反方向及双向运行，能满足精度定点停车等。
6.3.7 通信子系统
应注重对系统数据交换、将生成的数据存入后台数据库、保存系统初始及运行产生数据、承载各系统间数据转换、接收并发布列车控制命令等功能实现。
6.3.8 教学与故障模拟子系统
教学与故障模拟子系统，应包括教师机监控系统、车站信号联锁站教学与故障演练、车辆段信号联锁站模拟教学与故障演练、行车组织演练、多岗位（调度、车站、司机等）联合演练等一系列功能。
7 结语
本文通过从用户需求出发，对地铁运营仿真实训系统中的控制系统、软件系统、硬件系统建设需求及注意事项的盘点与罗列，在一定程度上，可启发读者形成系统建设的总体思路与框架，为相关实践提供参考和借鉴。
参考文献
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