城市軌道交通CBTC信號控制及運營管理仿真實訓系統(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)實際分布及應用等級劃分為控制中心仿真設備、車站級軌旁仿真設備、車載仿真設備三部分，系統(tǒng)劃分明細，各子系統(tǒng)間接口清晰，方便對各子系統(tǒng)的單獨學習和研究，亦可實現(xiàn)整個大系統(tǒng)的聯(lián)動實訓。

4. 采用真實的轉(zhuǎn)轍機、信號機等室外信號設備，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備的維護實訓等。

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，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)場行車組織與相關設備之間的關聯(lián)關系。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、車輛等運輸設備之間的關聯(lián)關系，完成仿真實訓系統(tǒng)制定的行車任務。

9. 實訓系統(tǒng)載體是場站、行車、調(diào)度、信號等平臺建設內(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設施；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. 車站控制設備訓練系統(tǒng)是城市軌道交通工程訓練體系的重要組成部分，能幫助學生更直觀、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)的認識，同時利于學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)度控制仿真教學系統(tǒng)包括ATC實訓系統(tǒng)、聯(lián)鎖仿真實訓系統(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平臺。

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

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

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-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計時統(tǒng)一布局，操作上能相互獨立，也能相互關聯(lián)。

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

18. 實訓系統(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說明書。

19. 系統(tǒng)采用分布式仿真計算架構，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?？梢愿鶕?jù)現(xiàn)場的運算負載進行動態(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

城市軌道交通CBTC信號控制及運營管理仿真系統(tǒng)由控制中心仿真設備、車站級軌旁仿真設備、車載仿真設備三部分組成，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相關的模擬培訓：

• 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)和報表及打印；
• 進行用戶權限管理；
• 信號設備模擬：可以模擬車輛段和正線信號設備的狀態(tài)變化，并響應培訓學員在培訓工作站上對信號設備的操作；
• 故障模擬：模擬控制中心軌道/計軸故障及故障恢復；模擬道岔狀態(tài)故障及故障恢復；模擬信號機故障及故障恢復；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)用恢復場景。

設備組成：控制中心仿真設備組成如下圖所示：

圖3 控制中心仿真設備組成

此次提供的控制中心仿真設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服務器：用于模擬中央ATS系統(tǒng)處理服務器的列車車次號管理、自動進路設置、列車調(diào)整、用戶權限管理、控制權管理、記錄和回放、報警及事件管理等功能；

3）培訓模擬器：可模擬線路和軌旁設備狀態(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)度員培訓工作站HMI可以讓學員實際操作ATS人機界面，完成人工進路設置、部分或全部信號機自排全開/自排全關、追蹤全開/追蹤全關、單獨操作或鎖閉軌旁信號設備、車次號操作、控制權的交接、設置緊急停車、扣車、跳停指令、聯(lián)鎖相關的道岔單操、道岔單鎖、關閉信號、重新開放信號、封鎖（單個或全區(qū)）信號、區(qū)段封鎖等功能。學員也可分析和處理工作站上出現(xiàn)的相關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，能生成學員模擬和操作記錄；

6）網(wǎng)絡設備：構成冗余的控制中心網(wǎng)絡。

2）車站級軌旁仿真子系統(tǒng)：

車站級軌旁仿真設備是基于城市軌道交通主流ATC軌旁系統(tǒng)架構及設備研發(fā)的一套服務于用戶培訓的分布式仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用*的分布式仿真技術，將地理位置上獨立分布的不同軟硬件設備有效整合，構建成一套實物與仿真模擬設備相結合的車站級軌旁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）和信號設備維護人員進行軌旁ATC系統(tǒng)功能和原理的培訓；
• 可以培養(yǎng)信號維修人員發(fā)現(xiàn)和處理軌旁信號設備故障的能力，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相關功能。通過對車站值班員進行培訓，可使其全面掌握站級ATS系統(tǒng)的相關操作；
• 對軌旁室外信號基礎設備維護人員進行培訓，使其熟悉并掌握各種軌旁設備的功能及原理；
• 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，使學員能對計軸和軌道區(qū)段相關功能及原理有更進一步的認識；
• 可仿真實現(xiàn)聯(lián)鎖系統(tǒng)相關功能，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教學。

設備組成：車站級軌旁仿真設備組成如下圖所示：

圖4 車站級軌旁仿真設備組成

車站級軌旁仿真設備是以南京地鐵2號線CBTC系統(tǒng)的軌旁室內(nèi)/室外設備為基礎進行開發(fā)的，軌旁室外設備大多采用真實設備，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)設備包括：

1）計算機聯(lián)鎖設備：模擬西門子SICAS聯(lián)鎖系統(tǒng)相關功能，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)的相關功能，能實現(xiàn)列車跟蹤、移動授權計算等的仿真；

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)絡交換機等網(wǎng)絡設備：采用16口以太網(wǎng)交換機組建車站級軌旁仿真網(wǎng)絡；

9）計軸磁頭：采用2套計軸磁頭，可構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)應答器：定制的450mm╳260mm╳40mm歐標應答器（含可變應答器電纜）教具1臺；

15）固定數(shù)據(jù)應答器：定制的450mm╳260mm╳40mm歐標應答器教具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實訓系統(tǒng)設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)控制中心設備、軌旁設備、車載設備系統(tǒng)組成及原理、相關功能和操作、故障識別與維護等方面的知識和技能。

車載仿真系統(tǒng)采用實物和仿真設備相結合的系統(tǒng)構成方案，能夠模擬城市軌道交通車載信號系統(tǒng)真實設備環(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，提供全功能、全過程、具有實時駕乘體驗的仿真培訓服務。

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

• 利用仿真車載ATP/ATO系統(tǒng)主機對車載信號設備操作維護人員進行設備的工作原理、設備組成、基本操作、故障識別與排查的培訓與考核；
• 對安裝和維護人員進行車載外部真實傳感器設備的安裝和日常維護作業(yè)培訓； 
• 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；
• 培訓設備可以模擬車載ATP、ATO系統(tǒng)和設備的運行情況，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，進行模擬駕駛操作，使其了解信號的相關知識及操作方式。

設備組成：車載仿真設備組成如下圖所示：

圖5 車載仿真設備組成

車載仿真設備以目前國內(nèi)主流的城市軌道交通信號系統(tǒng)設備組成、界面及功能為基礎，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)。

車載仿真設備組成包括：

1）車載ATP/ATO設備：模擬西門子CBTC系統(tǒng)的車載OBCU設備。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臺的開關、按鈕和控制手柄的操作指令。仿真列車動力學模型，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設備發(fā)送和更新應答器報文信息；

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）車載應答器查詢器：提供一套模擬的車載應答器查詢器教具；

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，實時顯示列車當前速度、推薦速度、緊急制動觸發(fā)速度、目標速度、目標距離、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、駕駛模式預選升級按鈕、駕駛模式預選降級按鈕、自動折返按鈕、確認按鈕；駕駛臺操作開關包括：門模式選擇開關、駕駛室激活鑰匙、列車方向開關及手柄等；指示燈包括：ATO啟動燈、折返指示燈、門狀態(tài)指示燈等?；虿捎梅抡嬗嬎銠C仿真技術實現(xiàn)計算機軟界面仿真駕駛操作。

大屏及實物設備

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