陳宜濱 張杰 江泳 曹衛(wèi)鋒

摘 ?要：傳統(tǒng)的列車運(yùn)行控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有著占地面積大、成本高、維護(hù)成本大等問題，仿真系統(tǒng)逐漸成為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的首選目標(biāo)。仿真系統(tǒng)不提供接口，實(shí)驗(yàn)過程等同于瀏覽學(xué)習(xí)軟件的使用說明，實(shí)驗(yàn)者易忽略實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后列車運(yùn)行控制技術(shù)控制原理，達(dá)不到預(yù)期效果。文章擬通過采用自行開發(fā)仿真系統(tǒng)原型，提供源碼和接口，通過課程教學(xué)演示講解，實(shí)踐環(huán)節(jié)培訓(xùn)開發(fā)等相結(jié)合的形式，達(dá)到建設(shè)專業(yè)、培養(yǎng)學(xué)生的目標(biāo)，探索開放的仿真系統(tǒng)對(duì)新專業(yè)建設(shè)的作用。從后期學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)完成質(zhì)量來看，這種新方式不僅有助于鞏固專業(yè)知識(shí)，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手編程能力，對(duì)鄭州輕工業(yè)大學(xué)的軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)發(fā)展具有實(shí)踐意義，對(duì)同類專業(yè)的建設(shè)也具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：列車運(yùn)行控制；系統(tǒng)仿真原型；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G640 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1673-7164（2024）02-0059-04

中國(guó)高速鐵路發(fā)展突飛猛進(jìn)，為中國(guó)的經(jīng)濟(jì)、教育、社會(huì)發(fā)展等帶來深刻影響［1-2］。中國(guó)分別于2005年、2017年開始工程認(rèn)證和新工科建設(shè)，在工程教育認(rèn)證和新工科背景下，高等學(xué)校對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力和科技創(chuàng)新能力的要求也隨之不斷提高，特別是針對(duì)理工科專業(yè)尤為突出，對(duì)此，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)“新工科”背景下教學(xué)改革進(jìn)行了一系列研究和實(shí)踐［3-4］。在軌道交通行業(yè)，為了滿足“智慧交通”世界一流學(xué)科建設(shè)的需要和高素質(zhì)軌道交通通信與控制類專業(yè)人才需求，2013 年教育部將“軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)”設(shè)置為自動(dòng)化專業(yè)特設(shè)專業(yè)方向之一［5］。目前，除了傳統(tǒng)鐵路院校外，國(guó)內(nèi)大多數(shù)本科院校開設(shè)了軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)，除了部分開設(shè)比較早、軌道交通信號(hào)專業(yè)師資雄厚的院校外，大多數(shù)院校師資隊(duì)伍、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)相對(duì)滯后，為此由自動(dòng)化類及鐵路運(yùn)輸與工程教指委軌道交通信號(hào)與控制教學(xué)指導(dǎo)組發(fā)起，北京交通大學(xué)軌道交通控制研究所教學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)牽頭建設(shè)，利用北京交通大學(xué)國(guó)家級(jí)軌道交通通信與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目軌道交通列車運(yùn)行控制等國(guó)家級(jí)專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、國(guó)家精品在線開放課程、國(guó)家級(jí)教材、國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)、國(guó)家級(jí)工程實(shí)踐教育中心，由各個(gè)交通院校加入，共同建設(shè)了虛擬教研室平臺(tái)。

鄭州輕工業(yè)大學(xué)于2016年開設(shè)了軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)，在專業(yè)建設(shè)初期，引進(jìn)建設(shè)了列車模擬運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)室和基礎(chǔ)信號(hào)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室。列車模擬運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)室可以完成列車模擬運(yùn)行，CTCS2/CTCSS3、CTCS3/CTCS2不同等級(jí)切換，進(jìn)路選排、進(jìn)路解鎖等實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)信號(hào)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室可以完成基礎(chǔ)信號(hào)設(shè)備操作和站場(chǎng)場(chǎng)景模擬操作。當(dāng)前真實(shí)平臺(tái)的設(shè)備不僅價(jià)格昂貴，而且占地面積大，成套設(shè)備數(shù)量少，操作性低、可維護(hù)性成本巨大。此外，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)，因?yàn)槌绦蛟创a不開放，也沒有對(duì)外接口，導(dǎo)致學(xué)生在模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)候大多只是觀察現(xiàn)象，卻未能理解背后運(yùn)行機(jī)理，難以達(dá)到教學(xué)效果。基于此擬通過全數(shù)字仿真技術(shù)，整合計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)模擬，采用數(shù)值計(jì)算模擬列車動(dòng)力學(xué)模型，采用虛擬的應(yīng)答器和地面RBC設(shè)備，模擬列車運(yùn)行的控制的速度監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)形成許可生成、傳輸使用，模擬虛擬的地面限速服務(wù)器和數(shù)字線路，實(shí)現(xiàn)列車在CTCS-2/ CTCS-3下運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)比較常見的場(chǎng)景仿真，比如RBC切換，列車運(yùn)行等級(jí)轉(zhuǎn)換，提供運(yùn)行演示效果和開發(fā)接口，在必要時(shí)提供完整代碼供師生使用，從而服務(wù)鐵路信號(hào)與控制專業(yè)。利用全數(shù)字仿真技術(shù)建設(shè)集實(shí)踐教學(xué)、科學(xué)研究、科技服務(wù)于一體，功能完備的全數(shù)字列車運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)和教評(píng)系統(tǒng)，能夠解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)資金、設(shè)備、場(chǎng)地不足等問題。

一、仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外鐵路相關(guān)仿真發(fā)展較早且發(fā)展迅速，目前已有多種相對(duì)成熟的系統(tǒng)，比如瑞士蘇黎世聯(lián)邦研究院開發(fā)的OpenTrack系統(tǒng)、德國(guó)漢諾威大學(xué)（University of Hannover）和德國(guó)鐵路管理咨詢公司（RMCon）共同研發(fā)的RAILSYS系統(tǒng)、DONS模擬系統(tǒng)、LOGSIM系統(tǒng)、Villon軟件、STRESI等系統(tǒng)。OpenTrack系統(tǒng)是由瑞士蘇黎世的一個(gè)專門研究鐵路仿真的帶有技術(shù)性質(zhì)的研究所開發(fā)的，主要是為了適配于“鐵路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)”而存在，在OpenTrack系統(tǒng)這個(gè)系統(tǒng)中，分為三個(gè)系統(tǒng)，第一個(gè)是輸入系統(tǒng)，將車輛或基礎(chǔ)設(shè)備以及行車時(shí)間等存儲(chǔ)；第二個(gè)是模擬系統(tǒng)，可以在仿真界面上直觀看到列車運(yùn)行效果；第三個(gè)是輸出系統(tǒng)，主要顯示列車的運(yùn)營(yíng)圖或者軌道占用及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的情況。它的功能十分強(qiáng)大，既可以實(shí)現(xiàn)關(guān)于列車運(yùn)行時(shí)的調(diào)度仿真，也可以根據(jù)站內(nèi)的情況來分析出線路的運(yùn)能，還可以很完善合理地優(yōu)化列車的運(yùn)行。

在國(guó)內(nèi)，軌道交通相關(guān)的仿真研究開始雖然較晚，但發(fā)展迅速同樣有諸多技術(shù)和方法，目前最比較流行的仿真技術(shù)有純軟件仿真、沙盤仿真系統(tǒng)、實(shí)際車站仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等方法［6］。純軟件仿真系統(tǒng)，其系統(tǒng)可通過簡(jiǎn)單的軟件下載和使用來滿足教師和教師、教師和學(xué)員、學(xué)員和學(xué)員之間的溝通交流。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和信息化的普及，純軟件仿真系統(tǒng)發(fā)生了許多變化，從上述形式已發(fā)展到教師、學(xué)員之間可憑借互聯(lián)網(wǎng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作。在眾多車站軟件仿真系統(tǒng)中值得一提的是通用列車模擬系統(tǒng)，基于列車牽引力動(dòng)力學(xué)建模，構(gòu)建有關(guān)具體線路、運(yùn)行車輛、基本信號(hào)設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，將定時(shí)、節(jié)能、節(jié)時(shí)作為牽引策略的基準(zhǔn)，運(yùn)用迭代方法來優(yōu)化非線性問題，可以更加真實(shí)、靈活地模擬實(shí)際列車運(yùn)行情況。沙盤模擬仿真系統(tǒng)，主要以計(jì)算機(jī)連鎖、接口單元、采集驅(qū)動(dòng)單元和軌道沙盤為主，配合驅(qū)動(dòng)程序組建而成。

2000年以二維窗口形式，出現(xiàn)了模擬列車運(yùn)行的運(yùn)行控制系統(tǒng)、車站仿真等系統(tǒng)［7］，2011年周研等開發(fā)了研發(fā)了基于京津城際鐵路的半實(shí)物列車運(yùn)行仿真控制系統(tǒng)，仿真列車運(yùn)行控制系統(tǒng)［8］，這種系統(tǒng)真實(shí)有效地模擬了現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備情況和運(yùn)行狀況等內(nèi)容，對(duì)于全真實(shí)物來說，降低了培訓(xùn)成本和周期，但缺點(diǎn)在于其與實(shí)物現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)相比感覺較差。相對(duì)于以上介紹的兩種仿真方法而言，實(shí)際車站仿真更加貼合現(xiàn)實(shí)效果，能夠更加真實(shí)、直觀地感受，然而構(gòu)建類似平臺(tái)卻花費(fèi)巨大?？傮w來說，純軟件仿真具有無可比擬的優(yōu)越性，占地面積小、易壓縮和更新，僅用計(jì)算機(jī)即可，便利性將成為其應(yīng)用的突出優(yōu)勢(shì)。

二、仿真系統(tǒng)的構(gòu)建

列車運(yùn)行控制課程組分別以MATLAB編程和B/S架構(gòu)web的編程方式，實(shí)現(xiàn)了兩套列車仿真技術(shù)的框架，以便學(xué)生能更容易地運(yùn)用仿真技術(shù)，熟悉和掌握列車運(yùn)行控制技術(shù)。列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是擬通過全數(shù)字仿真技術(shù)，整合計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)模擬，采用數(shù)值計(jì)算在計(jì)算上模擬列車動(dòng)力學(xué)模型，采用虛擬的應(yīng)答器和地面RBC設(shè)備，模擬列車運(yùn)行的控制的速度監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)形成許可生成、傳輸使用，模擬虛擬的地面限速服務(wù)器和數(shù)字線路，實(shí)現(xiàn)列車在CTCS-2/CTCS-3下運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)比較常見場(chǎng)景仿真，比如RBC切換，列車運(yùn)行等級(jí)轉(zhuǎn)換。

（一）基于matlab的列車運(yùn)行控制仿真技術(shù)

在仿真系統(tǒng)的初步階段采用MATLAB編程，通過虛擬串口模擬應(yīng)答器的讀寫，分別實(shí)現(xiàn)了應(yīng)答器模擬程序和列車運(yùn)行控制程序。應(yīng)答器模擬程序?qū)崿F(xiàn)了完整的報(bào)文結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以理解并修改報(bào)文信息，最后形成標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)答器報(bào)文，并通過串口發(fā)送，能夠幫助學(xué)生理解應(yīng)答器報(bào)文的應(yīng)用方式。列車運(yùn)行控制程序完成應(yīng)答器報(bào)文的解析獲取行車許可，能夠?qū)崟r(shí)繪制多種限制速度曲線，考慮車尾效應(yīng)，計(jì)算并繪制最限制速度曲線，生成“目標(biāo)—距離”列車運(yùn)行監(jiān)控曲線，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

（二）基于B/S架構(gòu)的web列車典型場(chǎng)景仿真和管理綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)

基于web的列車典型仿真和管理綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，對(duì)客戶端整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括客戶端前端、后端的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建以及服務(wù)器的選擇，完成客戶端系統(tǒng)的平臺(tái)管理和虛擬仿真操作功能。軌道交通信號(hào)虛擬仿真系統(tǒng)客戶端的設(shè)計(jì)主要分四個(gè)模塊進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)客戶端的實(shí)際操作以及仿真功能?？蛻舳苏w設(shè)計(jì)思路登錄系統(tǒng)、用戶注冊(cè)系統(tǒng)、管理操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及軌道信號(hào)模擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路如圖2（a）所示。客戶端設(shè)計(jì)主要包括對(duì)客戶端前端網(wǎng)頁端設(shè)計(jì)、后端實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的程序編寫以及后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建，而一般的客戶端系統(tǒng)工作流程是用戶通過客戶端前端網(wǎng)頁選擇要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，前端會(huì)將用戶的請(qǐng)求發(fā)送給服務(wù)器識(shí)別，然后通過后端程序找到對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯處理方式實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的操作，將請(qǐng)求發(fā)送給對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)找到相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)或者信息操作，反饋給后端服務(wù)器，并最終將運(yùn)行結(jié)果反饋給前端用戶，實(shí)現(xiàn)并且滿足用戶對(duì)相關(guān)操作的需求，客戶端系統(tǒng)原理圖如2（b）所示。

三、仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用

（一）仿真在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的應(yīng)用

鄭州輕工業(yè)大學(xué)軌道信號(hào)與控制專業(yè)目前建設(shè)有列車模擬運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)室和基礎(chǔ)信號(hào)設(shè)備實(shí)驗(yàn)室，列車模擬運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)驗(yàn)列車模擬運(yùn)行，可以完成CTCS2/CTCSS3、CTCS3/CTCS2不同等級(jí)切換實(shí)驗(yàn)，進(jìn)路選排，進(jìn)路解鎖等實(shí)驗(yàn)。

鄭州輕工業(yè)大學(xué)列車運(yùn)行控制研究組將構(gòu)建的系統(tǒng)仿真系統(tǒng)，以源碼和接口形式作為原有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的補(bǔ)充，通過列車動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)值計(jì)算，模擬列車運(yùn)行，并通過圖形化方式顯示在界面上。將列車運(yùn)行速度監(jiān)控作為中心，整個(gè)系統(tǒng)采用典型的三站兩區(qū)間結(jié)構(gòu)，模擬實(shí)現(xiàn)完整列車運(yùn)行，主要包括典型的等級(jí)轉(zhuǎn)換，列車運(yùn)行場(chǎng)景、應(yīng)答器讀寫、RBC切換等。系統(tǒng)構(gòu)建充分考慮現(xiàn)在學(xué)生的迫切需求，設(shè)計(jì)了良好的對(duì)外接口，可以很好地切合學(xué)生實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)需求。并且在實(shí)驗(yàn)課上講解系統(tǒng)的架構(gòu)圖、信息的傳遞方式和接口使用以及設(shè)計(jì)原理。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生在原型系統(tǒng)原型基礎(chǔ)完成列車模擬運(yùn)行，進(jìn)路選排、進(jìn)路解鎖和各種典型場(chǎng)景的仿真，可以通過接口界面實(shí)時(shí)看到仿真效果。通過在界面上，按壓始端和終端按鈕，自動(dòng)選排進(jìn)路，當(dāng)有敵對(duì)關(guān)系存在時(shí)，給出進(jìn)路敵對(duì)關(guān)系提示，當(dāng)進(jìn)路建立以后點(diǎn)擊模擬列車運(yùn)行，可以啟動(dòng)模擬列車，其他典型場(chǎng)景選擇不同界面按鈕可以顯示相應(yīng)的仿真界面，然后啟動(dòng)仿真。

（二）仿真在教學(xué)中的使用

在教學(xué)過程中，教師可通過使用web軟件仿真系統(tǒng)，在課堂上直接演示典型場(chǎng)景，講解列車運(yùn)行場(chǎng)景，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，在演示典型場(chǎng)景仿真的同時(shí)，對(duì)仿真背后的仿真原理也進(jìn)行了講解，對(duì)學(xué)生將來從事該方面的開發(fā)工作以及畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了一定的幫助。直接使用程序接口講解應(yīng)答器的，使學(xué)生提高了對(duì)應(yīng)答器工作原理，編碼和解碼有了較為深刻認(rèn)識(shí)。

（三）仿真在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

鄭州輕工業(yè)大學(xué)自2016年招生第一屆學(xué)生以來，已有三屆畢業(yè)學(xué)生，列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中都起到了非常重要的作用。以列車典型場(chǎng)景仿真，列車運(yùn)行監(jiān)控、列車追蹤、列車進(jìn)路優(yōu)化以及典型三車站兩區(qū)間為題設(shè)計(jì)題目在設(shè)計(jì)題目都是比較熱門有特色題目，學(xué)生參與度和完成度都非常高，畢業(yè)設(shè)計(jì)的論文質(zhì)量也比較高。這些題目在一定程度上要求學(xué)生不僅要對(duì)信號(hào)專業(yè)有一定了解，還對(duì)學(xué)生的編程能力有較高的要求，理論上可能是比較冷門的題目，實(shí)際上學(xué)生的參與度反而很高，通過學(xué)生談話發(fā)現(xiàn)了，學(xué)生對(duì)這些題目興趣和信心來自自建設(shè)系統(tǒng)在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的應(yīng)用。

四、結(jié)語

通過仿真在教學(xué)環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和畢業(yè)中的應(yīng)用可以看出，仿真系統(tǒng)能夠解決實(shí)驗(yàn)的空間限制，能夠減少實(shí)驗(yàn)以及培訓(xùn)過程中財(cái)力、物力上的消耗，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的真實(shí)性和直觀性。對(duì)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的重復(fù)操作，不需配備實(shí)驗(yàn)教學(xué)器材、相關(guān)使用元件，即可實(shí)驗(yàn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)和操作。通過仿真技術(shù)的使用，提高了學(xué)生技能操作的核心水平，學(xué)生能夠應(yīng)用軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)課程中所學(xué)的相關(guān)專業(yè)知識(shí)，結(jié)合仿真技術(shù)能夠更加生動(dòng)、立體地進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，大幅提升學(xué)習(xí)的動(dòng)力與興趣，鞏固了所學(xué)專業(yè)知識(shí)，提高了編程能力，豐富學(xué)生學(xué)習(xí)途徑，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，為他們將來適應(yīng)工作也奠定了一定基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：鄒宇銘）

基金項(xiàng)目：北京交通大學(xué)國(guó)家級(jí)軌道交通通信與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心虛擬教研室專項(xiàng)開放課題“基于虛擬教研室合作模式的列車運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)與研究”（課題編號(hào)：2021RTCC05）。

作者簡(jiǎn)介：陳宜濱（1980—），男，博士，鄭州輕工業(yè)大學(xué)副教授，研究方向?yàn)檐壍澜煌ā⒂?jì)算機(jī)視覺；張杰（1986—），男，博士，鄭州輕工業(yè)大學(xué)副教授，研究方向?yàn)檐壍澜煌?、高等教育教學(xué)；江泳 （1975—），男，碩士，鄭州輕工業(yè)大學(xué)副教授，研究方向?yàn)檐壍澜煌?、電子信息技術(shù)；曹衛(wèi)鋒（1975—），男，碩士，鄭州輕工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)檐壍澜煌?、高等教育教學(xué)。