盧 鑫，劉 曄

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

隨著鐵路信號(hào)領(lǐng)域新的技術(shù)和新裝備層出不窮，培訓(xùn)出懂原理、善運(yùn)用、會(huì)檢修的信號(hào)從業(yè)人員成為保障國內(nèi)鐵路信號(hào)領(lǐng)域健康發(fā)展的必然要求。信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)就在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生。

現(xiàn)有的信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)，存在著種種弊端。部分受到?jīng)]有鐵路真實(shí)設(shè)備培訓(xùn)平臺(tái)的限制，采用教儀仿真式的培訓(xùn)平臺(tái)。主要依照課本理論知識(shí)，枯燥乏味地照本宣科，導(dǎo)致培訓(xùn)效果不理想，實(shí)操的設(shè)備與現(xiàn)場實(shí)際在用設(shè)備存在較大差距；部分培訓(xùn)系統(tǒng)僅針對(duì)單個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的某些單個(gè)設(shè)備，通過仿真信號(hào)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能，并沒有針對(duì)系統(tǒng)級(jí)和線路級(jí)信號(hào)設(shè)備全系統(tǒng)的培訓(xùn)功能，學(xué)習(xí)的深度和廣度受到影響。隨著鐵路高速發(fā)展和從業(yè)人員的增加，路局、工區(qū)和相關(guān)的職業(yè)學(xué)校都會(huì)有部分信號(hào)的室內(nèi)外實(shí)物設(shè)備，但是不全，全部購置又費(fèi)用太大，所以這些機(jī)構(gòu)迫切需要一種技術(shù)，能夠基于其現(xiàn)有的部分實(shí)物構(gòu)建整套的信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)。

本文提出一種虛實(shí)互動(dòng)的機(jī)制，能夠在不同實(shí)物設(shè)備條件，不同線路環(huán)境下，構(gòu)建整套信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)。利用本方法搭建的培訓(xùn)系統(tǒng)能夠充分利用不同機(jī)構(gòu)實(shí)際的硬件設(shè)備環(huán)境，完成整套信號(hào)系統(tǒng)的功能及實(shí)訓(xùn)實(shí)操的需求。

2 技術(shù)路線

本研究依托部分在用實(shí)物設(shè)備，來構(gòu)建整套的信號(hào)系統(tǒng)。主要通過虛擬模型和真實(shí)實(shí)物交互方式實(shí)現(xiàn)。目前現(xiàn)場在用的信號(hào)設(shè)備主要分為線路中心設(shè)備：無線閉塞中心（RBC）、臨時(shí)限速服務(wù)器（TSRS）、調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）中心；車站/中繼站設(shè)備：計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）、列控中心（TCC）、調(diào)度集中系統(tǒng)站機(jī)、集中監(jiān)測系統(tǒng)（CSM）、軌道電路室內(nèi)設(shè)備、道岔缺口監(jiān)測分機(jī)；室外設(shè)備：軌道電路室外設(shè)備、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、應(yīng)答器、信號(hào)機(jī)；車載設(shè)備：列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）、車載設(shè)備接口（DMI）、列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（ATO）等。

本研究應(yīng)用的實(shí)物條件如下，但不限于以下幾條。

1）實(shí)物條件為整站實(shí)物，本研究能夠構(gòu)建基于整站實(shí)物的全線路含多個(gè)車站和中繼站的信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)。

2）實(shí)物條件為車站室內(nèi)部分實(shí)物，本方法能構(gòu)建基于車站室內(nèi)部分實(shí)物的完整車站室內(nèi)設(shè)備，三站兩區(qū)間或者整條線路的信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)。

3）實(shí)物條件為軌旁設(shè)備實(shí)物，本方法能構(gòu)建基于軌旁設(shè)備實(shí)物的完整車站設(shè)備，構(gòu)建三站兩區(qū)間或者整條線路的信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)。

4）實(shí)物條件為室內(nèi)實(shí)物設(shè)備，本方法能基于室內(nèi)實(shí)物設(shè)備構(gòu)建含室外軌旁設(shè)備，完整的室內(nèi)外聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)及三站兩區(qū)間或者整條線路的信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)。

5）實(shí)物條件為車載實(shí)物，本方法能基于車載實(shí)物構(gòu)建含室外地面設(shè)備，完整的車地互通系統(tǒng)及三站兩區(qū)間或者整條線路的信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)。

6）實(shí)物條件為地面實(shí)物設(shè)備的，本方法能基于室內(nèi)地面實(shí)物設(shè)備構(gòu)建含車載設(shè)備，完整地車地互通系統(tǒng)及三站兩區(qū)間或者整條線路的信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)。

3 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

本研究能夠基于如上但不限于的實(shí)物條件，快速構(gòu)建完整的信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)。支撐這種機(jī)制實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)主要分為：底層支撐層；培訓(xùn)綜合管理層；培訓(xùn)綜合調(diào)度層；培訓(xùn)綜合執(zhí)行層，如圖1 所示。

圖1 機(jī)制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Mechanism structure diagram

下面分別對(duì)各個(gè)層進(jìn)行介紹。

3.1 底層支撐層

底層支撐層主要完成底層通信網(wǎng)絡(luò)的建立；數(shù)據(jù)以及消息的分發(fā)；系統(tǒng)時(shí)間同步；實(shí)物設(shè)備的接入等。為系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)傳輸，通信和連接作支撐。

底層通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽各個(gè)通信接口。各模型相互之間交換的原始數(shù)據(jù)包傳送給數(shù)據(jù)緩存與處理單元。數(shù)據(jù)緩存與處理單元將原始數(shù)據(jù)包按照與培訓(xùn)綜合調(diào)度層的通信協(xié)議打包。數(shù)據(jù)上傳周期性地從待發(fā)送緩存隊(duì)列中取出所有數(shù)據(jù)，發(fā)送給培訓(xùn)綜合調(diào)度層。

實(shí)物設(shè)備接入模塊，主要是接入如上文所述的信號(hào)系統(tǒng)的各種實(shí)物設(shè)備，以滿足各種實(shí)物條件的需要；為保證數(shù)據(jù)安全性，本方法將既有信號(hào)設(shè)備的維護(hù)監(jiān)測機(jī)、維護(hù)終端等信號(hào)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集壓縮后，按照定義的格式將數(shù)據(jù)發(fā)送給培訓(xùn)綜合調(diào)度層，不對(duì)信號(hào)實(shí)物設(shè)備進(jìn)行任何修改，確保信號(hào)設(shè)備的可靠性。其特點(diǎn)是可以靈活配置被采集設(shè)備的類型以及數(shù)目，適配所有的被采集設(shè)備，能夠?qū)⒉煌愋偷臄?shù)據(jù)匯總，將異源數(shù)據(jù)同源化。

3.2 培訓(xùn)綜合管理層

本層主要管理信號(hào)設(shè)備模型庫、線路模型庫、高鐵運(yùn)行案例庫、車載設(shè)備工作模式庫和典型故障場景等。

1）設(shè)備模型庫：CTC 模型，聯(lián)鎖模型，TCC模型，軌道電路模型，道岔模型，信號(hào)機(jī)模型，應(yīng)答器模型，RBC 模型，TSRS 模型，模擬駕駛臺(tái)，應(yīng)答器傳輸模塊（BTM）模型、ATP 模型和DMI模型。本發(fā)明各種信號(hào)模型與實(shí)物，應(yīng)用邏輯完全一致；通信格式完全一致；人機(jī)界面完全一致。能充分滿足培訓(xùn)系統(tǒng)的要求。

2）地理線路模型：通過按照固定線路信息錄入，完成不同線路環(huán)境的實(shí)現(xiàn)。高鐵案例庫中包含的14 個(gè)運(yùn)營場景包含：注冊(cè)與啟動(dòng)，注銷，等級(jí)轉(zhuǎn)換，RBC 切換，行車許可，重聯(lián)與摘解，調(diào)車作業(yè)，人工解鎖進(jìn)路，進(jìn)出動(dòng)車段，特殊進(jìn)路，自動(dòng)過分相，降級(jí)，臨時(shí)限速，災(zāi)害防護(hù)；9 個(gè)車載工作模式：待機(jī)模式、完全監(jiān)控模式、部分監(jiān)控模式、引導(dǎo)模式、目視行車模式、調(diào)車監(jiān)控模式、機(jī)車信號(hào)模式、隔離模式、休眠模式。

3）典型故障場景：CTC 故障，列控中心故障，安全數(shù)據(jù)網(wǎng)故障，RBC 故障，TSRS 故障，轉(zhuǎn)轍機(jī)故障，軌道電路故障，集中監(jiān)控故障，聯(lián)鎖故障，信號(hào)機(jī)故障等。

4）虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)中各種三維模型庫、場景模型庫、基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)課件等。本層實(shí)行智能管理方式，各模型均可支持系統(tǒng)版本升級(jí)，線路場景擴(kuò)展，三維模型具有可編輯性，課件學(xué)習(xí)可按照需求編輯。

3.3 培訓(xùn)綜合調(diào)度層

培訓(xùn)綜合調(diào)度層是此研究的核心，系統(tǒng)框架根據(jù)配置文件，動(dòng)態(tài)加載相應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理和表示模塊，使系統(tǒng)的部署更加靈活快速。

為便于在培訓(xùn)綜合調(diào)度層與培訓(xùn)綜合執(zhí)行交互層內(nèi)部及兩個(gè)子系統(tǒng)之間傳遞數(shù)據(jù)，即通過消息幀如圖2 所示，通過分析信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的信息，定義一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)容為：消息類型；消息標(biāo)識(shí)符；時(shí)間戳；字符串鍵值對(duì)；字符串?dāng)?shù)組鍵值對(duì)；信息包鍵值對(duì)；信息包數(shù)組鍵值對(duì)（存儲(chǔ)信息包數(shù)組信息的哈希表，哈希表的鍵為字符串類型，值是信息包數(shù)組類型，用于名稱與多個(gè)并列信息包的對(duì)應(yīng)）。對(duì)于上述提到的信息包，其由以下幾部分組成：字符串鍵值對(duì)；字符串?dāng)?shù)組鍵值對(duì)；信息包鍵值對(duì)；信息包數(shù)組鍵值對(duì)。

圖2 消息幀幀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Message frame structure diagram

由于消息的層次化結(jié)構(gòu)，使得其與XML 的相互轉(zhuǎn)換變得極為自然和容易，不僅能在網(wǎng)絡(luò)傳輸、調(diào)用既有的XML 相應(yīng)方法上獲得便利，而且能夠在異構(gòu)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)消息通信。本研究通過此方法實(shí)現(xiàn)消息的通信。

培訓(xùn)綜合調(diào)度層接收底層支撐層各類設(shè)備數(shù)據(jù)信息，根據(jù)數(shù)據(jù)的類型不同，調(diào)用不同的數(shù)據(jù)解析單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理。

無論采用哪種方式，航運(yùn)業(yè)的低硫化、環(huán)?；?、清潔化趨勢已經(jīng)成為潮流，航運(yùn)公司正在積極加大節(jié)能減排和清潔能源技術(shù)的研發(fā)投入，一方面會(huì)通過降速航行、安裝節(jié)能設(shè)備、強(qiáng)化燃油管理等方式降低燃油消耗，另一方面會(huì)在清潔能源技術(shù)方面加大投入，液化天然氣、液化石油氣、甲醇、氫能源、太陽能等清潔能源的應(yīng)用會(huì)大大加速。國際海事組織低硫新政策將進(jìn)一步加快推動(dòng)全球航運(yùn)業(yè)的綠色發(fā)展。

考慮到壓縮數(shù)據(jù)本身如果在數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候進(jìn)行，而數(shù)據(jù)發(fā)送只有一個(gè)線程，所有的負(fù)荷都集中在該線程上，為實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，在處理過程中，接收線程在接收數(shù)據(jù)的過程中就完成數(shù)據(jù)的壓縮工作，這樣可以將更多的負(fù)荷平均到多個(gè)接收線程中，達(dá)到負(fù)載均衡的目的。采用節(jié)點(diǎn)采集的機(jī)制，可以更加有效地利用云平臺(tái)多處理器并發(fā)的硬件優(yōu)勢，達(dá)到提高系統(tǒng)響應(yīng)速度的目的。

3.4 培訓(xùn)綜合執(zhí)行交互層

考慮到培訓(xùn)系統(tǒng)中各層間的功能劃分以及“高內(nèi)聚，低耦合”的設(shè)計(jì)要求，遂將培訓(xùn)系統(tǒng)中與用戶交互的展示和操作界面部分和培訓(xùn)執(zhí)行提取出來，整合成“培訓(xùn)綜合執(zhí)行交互層”進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。

信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需要將底層設(shè)備的數(shù)據(jù)和培訓(xùn)系統(tǒng)的各種的結(jié)果等通過直觀的方式展現(xiàn)給用戶，故需要具備能夠?qū)⑽淖?、圖表、動(dòng)畫等多種手段進(jìn)行展示的執(zhí)行交互層。同時(shí)，培訓(xùn)系統(tǒng)還需要向用戶提供便捷、靈活的操作界面，以接受用戶輸入的指令。

本方法能夠快速靈活的實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。腳本通過XML 消息通信的方式完成腳本注入。培訓(xùn)腳本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也采用消息幀的形式。其相應(yīng)的內(nèi)容包含：線路信息，車站信息，設(shè)備信息，車地信信息，車載信息，案例信息等。

培訓(xùn)綜合執(zhí)行交互層包含虛實(shí)互動(dòng)的三維培訓(xùn)漫游功能；培訓(xùn)綜合執(zhí)行交互層包含“學(xué)練考”結(jié)合的教學(xué)考試功能。

4 運(yùn)行機(jī)制

本研究提出的虛實(shí)互動(dòng)的機(jī)制可根據(jù)培訓(xùn)內(nèi)容靈活構(gòu)建培訓(xùn)系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制如圖3 所示。

圖3 機(jī)制流程圖Fig.3 Mechanism flow chart

1）制訂培訓(xùn)計(jì)劃，按照培訓(xùn)腳本數(shù)據(jù)格式編制腳本。

2）向培訓(xùn)綜合執(zhí)行交互層注入培訓(xùn)腳本。

3）培訓(xùn)綜合執(zhí)行交互層將培訓(xùn)腳本傳輸至培訓(xùn)綜合調(diào)度層，依據(jù)配置文件，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理，表示模塊的解析。

4）培訓(xùn)綜合管理層依照培訓(xùn)綜合調(diào)度層消息生成線路環(huán)境，各種模型及案例庫。

5）培訓(xùn)綜合調(diào)度層驅(qū)動(dòng)底層支撐層，通過底層通信網(wǎng)絡(luò)的建立；數(shù)據(jù)以及消息的分發(fā)；系統(tǒng)時(shí)間同步；實(shí)物設(shè)備的接入，構(gòu)建成完整的培訓(xùn)系統(tǒng)。通過消息訂閱的方式來獲取底層設(shè)備信息狀態(tài)。

6）系統(tǒng)構(gòu)建正常，既按照操作指令完成培訓(xùn)任務(wù)。

通過本方法，能夠快速在既有實(shí)物設(shè)備基礎(chǔ)上建立信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)。本方法硬件部署采取云平臺(tái)共享硬件資源的開放方式，系統(tǒng)可以構(gòu)建在若干虛擬機(jī)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部署的分散式。同時(shí)各種培訓(xùn)交互界面，也采取相應(yīng)的虛擬機(jī)共享方式，使其培訓(xùn)的地點(diǎn)不必局限于一地。

5 應(yīng)用與總結(jié)

本研究目前已成功應(yīng)用于大鐵信號(hào)培訓(xùn)和城軌信號(hào)培訓(xùn)領(lǐng)域等。同時(shí)其產(chǎn)品已經(jīng)成功在鐵路局職培基地和鐵路院校實(shí)訓(xùn)基地完成工程實(shí)施和應(yīng)用。自應(yīng)用以來以其真實(shí)生動(dòng)、界面友好，能夠滿足信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)用、檢修、故障處理等方面的需求，深受使用者的歡迎和好評(píng)。下一步本研究將應(yīng)用于鐵路調(diào)度和運(yùn)輸培訓(xùn)等領(lǐng)域中。

本研究提供一種虛實(shí)互動(dòng)的方式來構(gòu)建信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)，研究的重點(diǎn)不在于通過純模擬方式在固定的線路環(huán)境下建立信號(hào)仿真平臺(tái)。而是針對(duì)信號(hào)的培訓(xùn)特點(diǎn)，依托信號(hào)系統(tǒng)各種實(shí)物設(shè)備，建立能夠適應(yīng)不同實(shí)物設(shè)備條件，不同線路環(huán)境下，快速搭建整套信號(hào)培訓(xùn)系統(tǒng)。搭建好的培訓(xùn)系統(tǒng)能夠充分利用不同使用單位的硬件設(shè)備環(huán)境，完成整套培訓(xùn)系統(tǒng)的功能及實(shí)訓(xùn)實(shí)操；本方法還預(yù)留信號(hào)設(shè)備擴(kuò)充的接口，當(dāng)業(yè)主后期具備資金購置新的信號(hào)設(shè)備時(shí)，培訓(xùn)系統(tǒng)能快速地將這些信號(hào)設(shè)備納入系統(tǒng)中來。