城市軌道交通CBTC信號控制及運營管理仿真實訓(xùn)系統(tǒng)

一、系統(tǒng)介紹

★城市軌道交通CBTC信號控制及運營管理仿真實訓(xùn)系統(tǒng)仿真沙盤

（一）城市軌道交通CBTC信號控制及運營管理仿真沙盤的總體功能及特點

圖1 城市軌道交通CBTC信號控制及運營管理仿真沙盤系統(tǒng)平面圖

1. 以微縮城市軌道交通設(shè)備模擬線路運行情況，可以實現(xiàn)線路上列車行車調(diào)度信號、指揮系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練。

2. 采用四個實體站+N個虛擬仿真站的方式實現(xiàn)完整的線路模擬系統(tǒng)，投資量小，但可以通過虛實結(jié)合的方式模擬完整地鐵線路。仿真小車在駛出真實線路區(qū)域后，將在虛擬存車線中運行。

3. 系統(tǒng)按CBTC系統(tǒng)實際分布及應(yīng)用等級劃分為控制中心仿真設(shè)備、車站級軌旁仿真設(shè)備、車載仿真設(shè)備三部分，系統(tǒng)劃分明細(xì)，各子系統(tǒng)間接口清晰，方便對各子系統(tǒng)的單獨學(xué)習(xí)和研究，亦可實現(xiàn)整個大系統(tǒng)的聯(lián)動實訓(xùn)。

4. 采用真實的轉(zhuǎn)轍機、信號機等室外信號設(shè)備，并與聯(lián)鎖系統(tǒng)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)對真實轉(zhuǎn)轍機的操縱、定/反位轉(zhuǎn)臺采集、信號點燈及真實軌旁信號設(shè)備的維護實訓(xùn)等。

5. 可進行CBTC和點式后備模式下的地鐵信號系統(tǒng)運營仿真實訓(xùn)，模擬信號系統(tǒng)故障降級模式下的系統(tǒng)運營；

6. 能夠模擬演示信號故障，演繹行車規(guī)則，訓(xùn)練行調(diào)和值班站長對事故處理的能力。

7. 能夠真實顯示出操作列車運行圖、列車閉塞、運行等；道岔能電控，庫內(nèi)調(diào)車。

8. 列車運營沙盤的行車調(diào)度能反映城市軌道交通現(xiàn)場行車組織與相關(guān)設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過編制調(diào)度指揮計劃和下達控制系統(tǒng)指令，實現(xiàn)列車在模擬線路上運行，直觀體現(xiàn)出各項行車組織作業(yè)與車站、線路、車輛等運輸設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，完成仿真實訓(xùn)系統(tǒng)制定的行車任務(wù)。

9. 實訓(xùn)系統(tǒng)載體是場站、行車、調(diào)度、信號等平臺建設(shè)內(nèi)容的集中體現(xiàn)，表現(xiàn)形式分為靜態(tài)展示和動態(tài)演示兩部分。靜態(tài)展示形象地表示地形地貌、場景綠化、城市建筑、高架橋梁、山形隧道和河流水系等基礎(chǔ)設(shè)施；動態(tài)演示是指根據(jù)行車調(diào)度系統(tǒng)下達的計劃，通過轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)指令，完成列車在實訓(xùn)系統(tǒng)載體上的調(diào)度運行控制，從而達到動態(tài)演示的目的。

10. 車站控制設(shè)備訓(xùn)練系統(tǒng)是城市軌道交通工程訓(xùn)練體系的重要組成部分，能幫助學(xué)生更直觀、更感性的理解信號和行車調(diào)度的理論知識，加深調(diào)度和車輛之間協(xié)調(diào)的認(rèn)識，同時利于學(xué)生在腦海中快速建立線路和車輛運行的立體圖。

11. 軌道交通綜合調(diào)度控制仿真教學(xué)系統(tǒng)包括ATC實訓(xùn)系統(tǒng)、聯(lián)鎖仿真實訓(xùn)系統(tǒng)、城市軌道交通ATS系統(tǒng)、軌道交通運營沙盤信息系統(tǒng)等，可作為軌道交通運營沙盤綜合實驗教學(xué)平臺。

12. 軌道交通運輸線路仿真實訓(xùn)系統(tǒng)：集成了常見的軌道交通固定及移動設(shè)備，可仿真城軌系統(tǒng)的運行過程，并可與軌道交通綜合調(diào)度控制仿真教學(xué)系統(tǒng)集成，形成軟硬件結(jié)合的一體化仿真實訓(xùn)平臺。

13. 系統(tǒng)提供教學(xué)組織管理功能，用于教師組織學(xué)生進行教學(xué)和實驗。

14. 系統(tǒng)性能滿足連續(xù)工作時間不低于12小時，能夠適應(yīng)-10～50攝氏度及不高于85%相對濕度的環(huán)境。

15. 具備為用戶提供所有控制系統(tǒng)的通信及接口協(xié)議，所有控制及數(shù)據(jù)信號均能進入以太網(wǎng)的能力。

16. 軌道交通列車運營沙盤在設(shè)計時統(tǒng)一布局，操作上能相互獨立，也能相互關(guān)聯(lián)。

17. 地鐵信號系統(tǒng)的車地通信采用無線通信技術(shù)，采用自由無線通信技術(shù)模擬實現(xiàn)。

18. 實訓(xùn)系統(tǒng)臺體模型及控制系統(tǒng)能為系統(tǒng)后續(xù)升級拓展提供接口和詳細(xì)說明書。

19. 系統(tǒng)采用分布式仿真計算架構(gòu)，可以采用可伸縮的部署方案，對于軟件模塊的部署沒有工作站的劃分限制。甚至一個工作站可以運行多個車站的仿真單元。可以根據(jù)現(xiàn)場的運算負(fù)載進行動態(tài)的調(diào)整。

城市軌道交通CBTC信號控制及運營管理仿真系統(tǒng)沙盤的實體線路單軌圖如下圖所示：

圖2 CBTC信號控制系統(tǒng)沙盤的實體線路單軌圖

（二）組成及架構(gòu)

城市軌道交通CBTC信號控制及運營管理仿真系統(tǒng)由控制中心仿真設(shè)備、車站級軌旁仿真設(shè)備、車載仿真設(shè)備三部分組成，具體組成及功能如下：

表1城市軌道交通CBTC信號控制及運營管理仿真系統(tǒng)設(shè)備組成

各子系統(tǒng)的具體組成及功能描述如下：

1）控制中心仿真子系統(tǒng)：

控制中心仿真系統(tǒng)采用與南京地鐵2號線控制中心OCC相同的人機界面和符號集表示方式，可在以下方面對調(diào)度人員進行ATS相關(guān)的模擬培訓(xùn)：

• 進行列車識別號的管理；
• 模擬列車和車次號步進，模擬線路上列車的運營；
• 在大屏幕上綜合顯示全線線路狀況、列車位置及狀態(tài)；
• 生成列車運行的各種數(shù)據(jù)和報表及打??；
• 進行用戶權(quán)限管理；
• 信號設(shè)備模擬：可以模擬車輛段和正線信號設(shè)備的狀態(tài)變化，并響應(yīng)培訓(xùn)學(xué)員在培訓(xùn)工作站上對信號設(shè)備的操作；
• 故障模擬：模擬控制中心軌道/計軸故障及故障恢復(fù)；模擬道岔狀態(tài)故障及故障恢復(fù)；模擬信號機故障及故障恢復(fù)；模擬控制中心外部外部接口故障等；
• 場景保存與調(diào)用：模擬系統(tǒng)可以將當(dāng)前的模擬場景保存到硬盤，并可以在下次模擬時快速調(diào)用恢復(fù)場景。

設(shè)備組成：控制中心仿真設(shè)備組成如下圖所示：

圖3 控制中心仿真設(shè)備組成

此次提供的控制中心仿真設(shè)備參考西門子信號系統(tǒng)ATS功能及顯示方式，力求和實際系統(tǒng)的*。系統(tǒng)實物設(shè)備包括：

1）綜合顯示大屏：采用8臺46寸液晶LCD（2行×4列）組成的大屏幕顯示陣列、支架和分屏器組成，用于模擬顯示線路上的所有列車、軌道區(qū)段、道岔、信號機、車站等的實時狀態(tài)，顯示的內(nèi)容和符號定義與真實系統(tǒng)**；

2）中央ATS服務(wù)器：用于模擬中央ATS系統(tǒng)處理服務(wù)器的列車車次號管理、自動進路設(shè)置、列車調(diào)整、用戶權(quán)限管理、控制權(quán)管理、記錄和回放、報警及事件管理等功能；

3）培訓(xùn)模擬器：可模擬線路和軌旁設(shè)備狀態(tài)，可模擬一定數(shù)量的點式或CBTC列車，并能根據(jù)排列出的進路自動控制多列車運行，可模擬和生成控制中心常見故障；

4）調(diào)度員工作站HMI：兩臺調(diào)度員培訓(xùn)工作站HMI可以讓學(xué)員實際操作ATS人機界面，完成人工進路設(shè)置、部分或全部信號機自排全開/自排全關(guān)、追蹤全開/追蹤全關(guān)、單獨操作或鎖閉軌旁信號設(shè)備、車次號操作、控制權(quán)的交接、設(shè)置緊急停車、扣車、跳停指令、聯(lián)鎖相關(guān)的道岔單操、道岔單鎖、關(guān)閉信號、重新開放信號、封鎖（單個或全區(qū)）信號、區(qū)段封鎖等功能。學(xué)員也可分析和處理工作站上出現(xiàn)的相關(guān)事件信息和故障報警信息；

5）打印機：可生成列車運行的各種數(shù)據(jù)報表，能生成學(xué)員模擬和操作記錄；

6）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：構(gòu)成冗余的控制中心網(wǎng)絡(luò)。

2）車站級軌旁仿真子系統(tǒng)：

車站級軌旁仿真設(shè)備是基于城市軌道交通主流ATC軌旁系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)備研發(fā)的一套服務(wù)于用戶培訓(xùn)的分布式仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用*的分布式仿真技術(shù)，將地理位置上獨立分布的不同軟硬件設(shè)備有效整合，構(gòu)建成一套實物與仿真模擬設(shè)備相結(jié)合的車站級軌旁ATC仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下功能特點：

• 可實現(xiàn)對行車管理人員（調(diào)度員、車站值班員）和信號設(shè)備維護人員進行軌旁ATC系統(tǒng)功能和原理的培訓(xùn)；
• 可以培養(yǎng)信號維修人員發(fā)現(xiàn)和處理軌旁信號設(shè)備故障的能力，考核維修人員的工作水平。
• 通過現(xiàn)地工作站可實現(xiàn)車站級本地ATS相關(guān)功能。通過對車站值班員進行培訓(xùn)，可使其全面掌握站級ATS系統(tǒng)的相關(guān)操作；
• 對軌旁室外信號基礎(chǔ)設(shè)備維護人員進行培訓(xùn)，使其熟悉并掌握各種軌旁設(shè)備的功能及原理；
• 真實的計軸系統(tǒng)配合仿真小車，可以模擬一個計軸軌道區(qū)段的占用和出清，使學(xué)員能對計軸和軌道區(qū)段相關(guān)功能及原理有更進一步的認(rèn)識；
• 可仿真實現(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)相關(guān)功能，通過與真實的西門子S700K轉(zhuǎn)轍機和真實信號機的連接，了解聯(lián)鎖系統(tǒng)、轉(zhuǎn)轍機、信號機相關(guān)維護、接口原理、操作方法、常見故障識別與處理等；
• 采用真實的電源屏系統(tǒng)，可以開展電源屏的操作、使用、維護及常見故常排除等實訓(xùn)教學(xué)。

設(shè)備組成：車站級軌旁仿真設(shè)備組成如下圖所示：

圖4 車站級軌旁仿真設(shè)備組成

車站級軌旁仿真設(shè)備是以南京地鐵2號線CBTC系統(tǒng)的軌旁室內(nèi)/室外設(shè)備為基礎(chǔ)進行開發(fā)的，軌旁室外設(shè)備大多采用真實設(shè)備，室內(nèi)仿真機柜無論在外觀和功能上都力求和實際系統(tǒng)*。系統(tǒng)設(shè)備包括：

1）計算機聯(lián)鎖設(shè)備：模擬西門子SICAS聯(lián)鎖系統(tǒng)相關(guān)功能，可實現(xiàn)排列和取消進路、操控轉(zhuǎn)轍機、開放信號機等相關(guān)聯(lián)鎖功能，可模擬常見的聯(lián)鎖故障現(xiàn)象；

2）區(qū)域控制器：模擬西門子TrainguardMT系統(tǒng)的軌旁WCU-ATP子系統(tǒng)的相關(guān)功能，能實現(xiàn)列車跟蹤、移動授權(quán)計算等的仿真；

3）計軸主機：模擬計軸系統(tǒng)實現(xiàn)計軸功能；

4）繼電器接口柜：采用真實的繼電器接口柜和鐵路信號重力式安全型繼電器；

5）防雷分線柜：含機柜及防雷端子；

6）電源屏：采用真實電源屏設(shè)備，選用目前地鐵項目中使用的主流電源屏品牌；

7）現(xiàn)地工作站：通過現(xiàn)地工作站可實現(xiàn)車站級本地ATS相關(guān)功能，仿真界面及符號集定義與南京地鐵2號線現(xiàn)地工作站**；

8）網(wǎng)絡(luò)交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：采用16口以太網(wǎng)交換機組建車站級軌旁仿真網(wǎng)絡(luò)；

9）計軸磁頭：采用2套計軸磁頭，可構(gòu)成一個完整的軌道區(qū)段，配合仿真小車可實現(xiàn)軌道區(qū)段的占用和出清；

10）信號機：選用地鐵正線所使用的真實矮柱三顯示信號機；

11）三相交流轉(zhuǎn)轍機：選用地鐵正線所使用的真實西門子S700K轉(zhuǎn)轍機，通過仿真計算機聯(lián)鎖設(shè)備實現(xiàn)對轉(zhuǎn)轍機的操縱；

12）緊急停車按鈕：實物車站緊急停車按鈕；

13）發(fā)車計時器或表示器DTI：采用LED點陣發(fā)車計時器，包含外殼及支架；

14）可變數(shù)據(jù)應(yīng)答器：定制的450mm╳260mm╳40mm歐標(biāo)應(yīng)答器（含可變應(yīng)答器電纜）教具1臺；

15）固定數(shù)據(jù)應(yīng)答器：定制的450mm╳260mm╳40mm歐標(biāo)應(yīng)答器教具2臺；

16）AP機柜及天線：模擬軌旁AP機柜1臺及柱狀自由波天線2根；

17）無人折返按鈕：實物按鈕；

18）LEU機柜：仿真軌旁LEU機柜一臺；

19）箱盒及線纜：根據(jù)仿真系統(tǒng)搭建的需要，配置箱盒及線纜。

3）車載仿真子系統(tǒng)：

地鐵CBTC實訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)備用于信號維修及使用人員全面理解和掌握信號ATC系統(tǒng)控制中心設(shè)備、軌旁設(shè)備、車載設(shè)備系統(tǒng)組成及原理、相關(guān)功能和操作、故障識別與維護等方面的知識和技能。

車載仿真系統(tǒng)采用實物和仿真設(shè)備相結(jié)合的系統(tǒng)構(gòu)成方案，能夠模擬城市軌道交通車載信號系統(tǒng)真實設(shè)備環(huán)境、外部傳感器環(huán)境和車輛接口環(huán)境，能提供逼真的駕駛室人機交互界面HMI、駕駛臺指示燈、按鈕、開關(guān)，提供全功能、全過程、具有實時駕乘體驗的仿真培訓(xùn)服務(wù)。

車載仿真設(shè)備可以對城軌列車司機和車載信號設(shè)備操作維護人員進行下列模擬實訓(xùn)工作：

• 利用仿真車載ATP/ATO系統(tǒng)主機對車載信號設(shè)備操作維護人員進行設(shè)備的工作原理、設(shè)備組成、基本操作、故障識別與排查的培訓(xùn)與考核；
• 對安裝和維護人員進行車載外部真實傳感器設(shè)備的安裝和日常維護作業(yè)培訓(xùn)； 
• 通過測速仿真裝置提供的調(diào)速系統(tǒng)及調(diào)試電機，根據(jù)模擬的列車速度驅(qū)動車載脈沖里程計OPG旋轉(zhuǎn)，并隨著仿真列車速度的變化改變OPG轉(zhuǎn)速；
• 通過模擬故障注入訓(xùn)練提高信號維修人員發(fā)現(xiàn)和處理故障的能力，考核維修人員的工作水平；
• 培訓(xùn)設(shè)備可以模擬車載ATP、ATO系統(tǒng)和設(shè)備的運行情況，配合駕駛臺指示燈和司機顯示單元HMI，可進行車載信號系統(tǒng)的駕駛模式管理、列車定位、超速防護、自動駕駛、車門監(jiān)督與控制、扣車/越站、退行監(jiān)督等功能的演示和操作體驗；
• 可對列車駕駛員進行培訓(xùn)，進行模擬駕駛操作，使其了解信號的相關(guān)知識及操作方式。

設(shè)備組成：車載仿真設(shè)備組成如下圖所示：

圖5 車載仿真設(shè)備組成

車載仿真設(shè)備以目前國內(nèi)主流的城市軌道交通信號系統(tǒng)設(shè)備組成、界面及功能為基礎(chǔ)，做到與真實系統(tǒng)的界面及功能相*。為了提高系統(tǒng)的仿真實訓(xùn)效果，測速仿真裝置仿真地鐵項目中使用的真實脈沖速度傳感器，并采用電機和調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)仿真列車速度實時驅(qū)動和模擬車軸及測速傳感器旋轉(zhuǎn)。

車載仿真設(shè)備組成包括：

1）車載ATP/ATO設(shè)備：模擬西門子CBTC系統(tǒng)的車載OBCU設(shè)備。能夠?qū)崿F(xiàn)車載ATP/ATO的系統(tǒng)的上電操作、駕駛模式預(yù)選操作及管理、列車定位、防護曲線計算、超速告警與防護、自動駕駛、站臺自動精確停車、車門監(jiān)督與控制、扣車/越站、退行監(jiān)督等功能；

2）列車模擬器：模擬真實信號系統(tǒng)與車輛接口，接收來自于司機培訓(xùn)臺的開關(guān)、按鈕和控制手柄的操作指令。仿真列車動力學(xué)模型，根據(jù)人工或ATO的牽引/制動操作命令，對列車的速度、加速度和位置進行模擬，并根據(jù)仿真列車位置向車載ATP/ATO設(shè)備發(fā)送和更新應(yīng)答器報文信息；

3）車載無線天線：提供兩套模擬的CBTC系統(tǒng)的車載柱狀自由波天線教具；

4）車載應(yīng)答器查詢器：提供一套模擬的車載應(yīng)答器查詢器教具；

5）測速仿真裝置：仿真脈沖式速度傳感器，并結(jié)合驅(qū)動電機及調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)列車模擬器輸入的仿真列車速度，實時驅(qū)動車軸及速度傳感器旋轉(zhuǎn)；

6）模擬駕駛培訓(xùn)臺（器）：包含信號系統(tǒng)司機顯示單元HMI、駕駛臺操作按鈕、開關(guān)和指示燈。其中司機顯示單元HMI采用10.4”高分辨率顯示屏，通過接收車載ATP/ATO系統(tǒng)傳來的顯示信息，實時顯示列車當(dāng)前速度、推薦速度、緊急制動觸發(fā)速度、目標(biāo)速度、目標(biāo)距離、列車控制級別、運行模式、緊急制動狀態(tài)、車門狀態(tài)、警示信息等內(nèi)容；駕駛臺操作按鈕包括：車門允許按鈕、ATO啟動按鈕、駕駛模式預(yù)選升級按鈕、駕駛模式預(yù)選降級按鈕、自動折返按鈕、確認(rèn)按鈕；駕駛臺操作開關(guān)包括：門模式選擇開關(guān)、駕駛室激活鑰匙、列車方向開關(guān)及手柄等；指示燈包括：ATO啟動燈、折返指示燈、門狀態(tài)指示燈等。或采用仿真計算機仿真技術(shù)實現(xiàn)計算機軟界面仿真駕駛操作。

大屏及實物設(shè)備

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