摘 要：鐵路車站聯鎖是中南大學交通運輸工程學院交通運輸專業核心課程《鐵路通信與信號》的重要講授內容，鐵路區域計算機聯鎖是鐵路車站聯鎖系統的發展趨勢。通過分析鐵路區域計算機聯鎖試驗教學系統的功能需求，構建一套基于教學沙盤、教學控制機、實訓機和服務器的教學系統硬件架構，設計出一套完整的軟件系統，虛擬現實車站聯鎖系統各項功能，輔助日常教學工作，滿足交通運輸專業的實踐教學需要，改進現有的課堂集中講授或師傅傳幫帶的傳統方式，使學生通過模擬實踐演練快速掌握專業知識與技能，提高教學質量和實際教學效果。
關鍵詞：區域計算機聯鎖；鐵路車站；試驗教學；系統設計
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A
Abstract： Interlocking in railway station is an important teaching content of railway commucation and singal， which is one of the core courses in the major of traffic and transportation. Railway regional computer interlocking is the developmentoriten of railway station interlocking system. Through analyzing function needs of railway regional computer interlocking experimentation teaching system， hardware framework of such teaching system， based on teaching sand-table， control machine， training machine and server， is constructed. Also， a software system is designed to imitale various functions of railway station interlocking system to help daily teaching work. Through improvement existing traddition teaching in class and master-apprentice relationship， such system can meet the practice teaching needs in the major of traffic and transportation， which can make students understand special knowledge and technique ability effectively and quickly to enhance teaching quality and efficiency.
Key words： regional computer interlocking； railway station； experimentation teaching； system design
鐵路信號計算機聯鎖系統是一個非常復雜的實時控制系統[1]，車站聯鎖是其重要組成部分；區域計算機聯鎖系統是網絡化、智能化、集成化的信號控制系統，隨著計算機、通信及遠程控制技術的發展，該系統已成為世界鐵路車站計算機聯鎖的發展方向[2]。車站聯鎖直接關系著鐵路運輸的安全生產，這就要求交通運輸專業軌道交通方向的學生必須熟練掌握鐵路車站聯鎖的相關專業知識與技能。因此，結合鐵路車站聯鎖的發展趨勢，研制出鐵路區域計算機聯鎖試驗教學系統，用來輔助《鐵路通信與信號》課程的日常教學工作，滿足交通運輸專業的實踐教學需要，改進現有的課堂集中講授或師傅傳幫帶的傳統方式，使學生通過模擬演練熟練掌握專業知識與技能，提高大中?？圃盒＝虒W質量與效果，加速培養業務骨干。
1 鐵路區域計算機聯鎖試驗教學系統功能需求
鐵路區域計算機聯鎖試驗教學系統適用于從事或即將從事鐵路運輸系統工作的學生或其它相關人員的學習和培訓范疇。其核心功能：模擬鐵路車站聯鎖系統的正常狀態、緊急狀態、事故狀態和恢復狀態，使學生能夠在與實際車站聯鎖近似的環境中進行正常操作、事故處理及系統恢復的訓練，掌握相關專業知識與技能；同時，鐵路區域計算機聯鎖試驗教學系統還應具備完成師生在線交流功能，解決普通教學中難以解決的問題。
考慮實踐教學和鐵路現場工作的需求，選取兩個鐵路車站（即一個中間站、一個二級四場的編組站）及兩區間共用一套區域計算機聯鎖系統為背景，研制出鐵路區域計算機聯系試驗教學系統。該系統需滿足以下幾個要求：（1）體現系統結構分層和功能分塊理念，硬件設計上最大限度地復示真實鐵路聯鎖控制系統的體系結構。（2）在人機界面設計層面上真實再現鐵路現場實際工作的操作平臺環境，加強學習效果。（3）聯鎖邏輯運算必須符合區域計算機聯鎖的特點和規則：在中心站聯鎖操作仿真控制臺上，實現對中間站、編組站（到達場、上下行出發場）站場信號設備的控制，符合實時性要求。（4）具備鐵路現場各種日常操作處理和故障狀態顯示處理功能，即教學控制機上具有日常工作任務設置、軟故障數據生成、行車模擬及操作記錄、回放及反饋等功能。（5）硬件與軟件配置遵循開放性原則，滿足鐵路現場各種接口需求；預留新功能模塊接口，以保證系統的可持續性改進能力和可擴展性。
2 鐵路區域計算機聯鎖試驗教學系統硬件架構
本系統的硬件架構包括三個層級，即決策層、協調層和執行層。決策層主要實現鐵路運行計劃、調車作業計劃、應急預案管理等方面的內容；協調層主要實現列車和調車作業的分散自律控制、沖突緩解協調處理等；執行層是指區域計算機聯鎖系統和調車運行控制系統，將經由協調層解析的決策層計劃傳達給鐵路現場的設備如道岔、軌道電路、閉塞設備、列車等，辦理相關的行車和調車作業。本試驗教學系統的硬件主要有一套實物教學沙盤系統、教學控制機、實訓機、服務器、I/O接口設備、大屏幕顯示器等構成，其硬件架構示意圖如圖1所示： （1）教學沙盤。在指實驗室環境下模擬建立鐵路區域計算機聯鎖試驗運行的實物模型，通過相關軟件可實現對其控制，以直觀地展示各項設備作業過程，可滿足學生扮演不同角度如車站值班員、信號員、調度員、調車長等的認知學習和綜合演練要求。該教學沙盤以現場實物按1∶45的比例微縮而成，線路采用底寬5mm、上寬3mm、高7mm的模型用銅質特質軌、特質的軌道基板、軌道墊板和軌道固定件等組成；軌道電路采用DC5V供電，同時作為電力機車回路（DC12V）；信號機采用發光二極管組成，外形與顯示內容同實際現場；轉轍機采用5V驅動，與實際現場表示相符，可進行定位和反位操作；絕緣節與實物相似，采用酚醛板制作，直接反映現場實際情況。沙盤模擬的是一個五股道中間站和一個二級四場編組站及四顯示自動閉塞區間，鐵路區域計算機聯鎖試驗教學系統沙盤布置如圖2所示：
（2）教學控制機。由兩臺控制終端組成，即可獨立運行，也可以按主備方式運行。主要用于列車運行計劃和調車作業計劃的制定、教學及考試內容的設定、系統維護管理、數據組織以及對實訓機的監管、故障設置等，由授課教師負責操作。
（3）實訓機。由多臺微機組成，用于區域計算機聯鎖的控制臺、車務終端、電務終端、應急盤等的模擬試驗，也可用于專業知識學習和實踐考核。學生經由身份登錄確定其學習范圍及內容，各實訓機可分組協調運行，即可獨立運行，可以按主備方式運行。
（4）應用服務器。區域聯鎖特征在于使用一套聯鎖系統完成對不同地理位置的多個車站的聯鎖邏輯運算[3]，由應用服務器擔任聯鎖功能的實現。該服務器提供必要的數據存取、應用集成功能；結合實訓機和教學控制機的用戶請求如進路建立、進路解鎖、信號操作、道岔操縱等，完成聯鎖邏輯處理、數據邏輯處理等任務；完成與系統數據庫的數據交互，更新數據庫系統數據，完成數據緩沖處理和組件訪問的并發控制，同時兼作通信服務器。
（5）數據庫服務器。用于存儲鐵路區域計算機聯鎖試驗教學相關的鐵路車站站場、鐵路區間等相關數據。具體包括：信號機名稱、道岔名稱、數量、位置、軌道區段名稱及數量、進路方向、性質、數量等靜態數據；操作輸入信息、狀態表示信息、聯鎖邏輯運算的控制變量及中間變量、故障信息等動態數據；教學控制機設置的臨時故障信息與試題庫等數據。
3 鐵路區域計算機聯鎖試驗教學系統軟件設計
本試驗教學系統軟件依托一種實時分布式模擬支撐平臺（DTS）來完成各自的功能，該支撐平臺為鐵路區域計算機聯鎖試驗教學軟件提供透明、高效運行管理環境，確保試驗教學的順利開展。作為整個試驗教學系統的核心，DTS在每項試驗教學主機都有駐留程序，是聯系各項試驗教學任務進行交互操作的紐帶，為各種交互提供通用服務如應用管理、聲明管理、所有權管理、時間管理、數據分布管理和應用程序接口等；在試驗教學系統運行過程中，各試驗教學應用軟件除了和其所在計算機中的DTS駐留軟件溝通外，整個系統內的交互任務均由DTS完成。本系統的軟件主要包括模擬仿真軟件、教學控制機系統和試題庫組成，其中模擬仿真軟件由區域計算機聯鎖模擬仿真系統、中心控制臺模擬仿真系統、各車站車務終端模擬仿真系統、電務終端模擬仿真系統、各站應急臺模擬仿真系統等軟件系統組成。
3.1 模擬仿真軟件
（1）區域計算機聯鎖模擬仿真系統。完全實現實際區域聯鎖系統結構和聯鎖運算功能，主要包括中心站和進路控制、進路建立、進路解鎖、站內和站間設備狀態聯鎖仿真，通過I/O采集實物教學沙盤系統的設備狀態信息并實現實際設備的顯示和轉換，包括點燈控制及監測、道岔轉換及表示、軌道電路、機車控制、道岔電流檢測等。
（2）中心站控制臺模擬仿真系統。區域計算機聯鎖在主從站之間采用集中控制，從站的工作大量轉移到主站進行，中心站除具有本站顯示和控制外，還應具有其他站的顯示和控制功能、控制范圍內多站進路指令全部在中心站上顯示。進路指令信息包括：車次、股道、計劃到開時間、始終端按鈕、變更按鈕、延續按鈕、進路類型、進路狀態、信號狀態、道岔狀態等；接收和簽收調度中心（教學控制機模擬）下發的調度命令，并將其轉發給其他站車務終端；編制調車作業單，并提交給教學控制機，并由其轉發應用服務器。由于是多站的進路指令，相同的車次會有多條，所以采用各站的顯示方式，可采用菜單選擇站名來切換；區域控制范圍內的多站的車次號可在本站車務終端上編輯、修改；區域控制范圍內多站的行車許可證可在主站車務終端上進行編輯，并可由應用服務器轉發給模擬司機。
（3）車站車務終端模擬仿真系統。鐵路車站車務終端模擬仿真系統的操作主要包含軌道區段、道岔、列車信號、調車信號、絕緣節、操作信息提示、各種功能按鈕等信息。
（4）電務終端模擬仿真系統。在中心站設置電務終端，監視區域范圍內所有站的信號設備狀態，查閱所有列車運行早晚點信息及調車作業單等，對學生的操作命令、現場設備的運用情況、報警信息進行記錄、分析、回放、輸出和打印，接收教學控制機設置的故障。
（5）車站應急臺模擬仿真系統。結合教學控制機設置的臨時故障信息，模擬信號顯示、道岔控制與轉換等設備發生故障時，完成車站列車運行作業；用于評估學生如何在鐵路日常工作中應對和處理一些緊急事件，降低對鐵路正常運輸的不利影響。
3.2 教學控制機系統
教學控制機系統提供本系統的區域計算機聯鎖試驗教學演示、運行、監控學生操作和評估學生操作過程的手段，具體包括以下幾個方面：（1）試驗教學配置。用于該試驗教學系統的配置和協調管理，執行系統配置管理、學生管理、系統運行初始條件及各種元件的參數設置和進程管理等。（2）試驗教學演示。主要用于教師進行專業理論知識的講解，通過人機交互界面，向交通運輸專業的學生講述區域計算機聯鎖系統的工作原理和操作方法。（3）學習進程控制。負責暫停學習過程、恢復學習過程、存儲快照、學習過程重演，根據不同要求任意設置各種故障如簡單故障、復合故障以及各種設備的異常狀況等。（4）學習過程的動態跟蹤。動態地記錄系統的狀態和發生的事件，以便于學生學習過程的重演和對學習效果的評估，同時可以隨時對任意一個終端的學生操作進行實時監控。（5）學習效果評估。學習結束后自動生成評估報表，其內容包括：由教師設置的故障事件、教師在指導過程中的各種操作（包括調度命令的設置與下達）、學生控制臺操作、車務終端操作與電務終端操作、學生故障查找和處理、應急臺上應急故障處理和應急臺操作、故障恢復時操作及故障恢復過程中的時間等。教師根據評估報表，評估學生的實操水平。
3.3 試題庫
系統還提供標準試題庫，提供標準智能組卷考察學生的專業理論知識水平，并具有試卷分析反饋功能，可根據要求定制個性化的試卷指標分析。
4 結束語
鐵路區域計算機聯鎖試驗教學系統不僅可以用于交通運輸專業學生的實踐教學環節，還可服務于鐵路運輸及軌道交通行業的職工上崗培訓和業務考核；以教學沙盤模擬鐵路設備的組成和布置形態，硬件環境、軟件仿真實現了鐵路現場場景和學生實踐教學軟件界面無縫吻合，通過本系統使交通運輸專業學生更形象地理解和掌握鐵路運營管理和操作流程，對促進交通運輸行業專用型人才及其應急處理能力的培養，具有積極的引導作用。
參考文獻：
[1] 楊揚，潘明，何梅芳. 聯鎖軟件的Petri網形式化定義[J]. 中國鐵道科學，2002，23（3）：49-55.
[2] 賈曉宇，劉萬樂. 區域計算機聯鎖系統通信網絡的設計[J]. 甘肅科技，2013，29（8）：17-19.
[3] 陳小梅，杜平. 區域計算機聯鎖系統設計方案[J]. 鐵路通信信號，2002，38（8）：12-13.
