摘要：為進行軌道交通仿真教學(xué)，提高軌道交通專業(yè)知識學(xué)習(xí)效果，設(shè)計地鐵實訓(xùn)教學(xué)沙盤聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件。在研究地鐵沙盤控制系統(tǒng)組成、模型小車定位方法、設(shè)備控制協(xié)議的基礎(chǔ)上，分析進路排列、設(shè)備聯(lián)鎖、進路解鎖方法，編制聯(lián)鎖表。聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件采用Python語言實現(xiàn)邏輯判斷及串口通信，采用軟件PyQt5進行界面輔助設(shè)計。采用聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件可排列進路，操縱信號機和轉(zhuǎn)轍機聯(lián)鎖動作，控制沙盤模型小車在進路內(nèi)安全運行。通過測試驗證，該軟件控制沙盤模型設(shè)備聯(lián)鎖動作精確、可靠，能滿足軌道交通仿真教學(xué)需求。

關(guān)鍵詞：軌道交通；實訓(xùn)教學(xué)沙盤；聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件

中圖分類號：U231⁺.92;TS951.7文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2023）01-0038-07

引用格式：張吉衛(wèi).地鐵實訓(xùn)教學(xué)沙盤聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件設(shè)計［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2023，31（1）：38-44.

ZHANG Jiwei. Design of an interlocking system software for a subway training sand table［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2023，31（1）：38-44.

0 引言

隨著中國鐵路和城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，社會對軌道交通行業(yè)人才的需求量日益增加。傳統(tǒng)教學(xué)方式以理論教學(xué)為主，學(xué)生接觸現(xiàn)場設(shè)備機會較少，軌道交通仿真教學(xué)成為學(xué)生更好地學(xué)習(xí)軌道交通專業(yè)知識的教學(xué)模式。

在計算機聯(lián)鎖仿真培訓(xùn)方面，德國、西班牙等國家已結(jié)合3D技術(shù)進行仿真訓(xùn)練，瑞士聯(lián)邦研究院開發(fā)了面向運行仿真的OpenTrack，英國和德國聯(lián)合研制了基于路網(wǎng)的微觀模擬系統(tǒng)RailSys^[1]。文獻[2]提出了單純采用軟件技術(shù)輔助車務(wù)員的課堂培訓(xùn)系統(tǒng)（JT-JCR系統(tǒng)），馮濤等^[3]提出了基于B/S架構(gòu)、可通過瀏覽器直接訪問的WEB聯(lián)鎖仿真培訓(xùn)系統(tǒng)；謝飛等^[4]運用UML方法制作了適合實驗室使用的集中站沙盤聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)。

國內(nèi)外在軌道交通仿真教學(xué)的研究與實踐主要集中在利用軟件模擬仿真方面，未與沙盤模型或真實設(shè)備結(jié)合，教學(xué)效果一般。基于地鐵實訓(xùn)教學(xué)沙盤設(shè)計聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件，學(xué)生應(yīng)用軟件實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)鎖控制，通過觀察設(shè)備運行熟悉真實地鐵工作模式，整個教學(xué)過程形象直觀，教學(xué)成效顯著，可有力促進學(xué)生軌道交通專業(yè)知識學(xué)習(xí)^[5]。

1 地鐵沙盤系統(tǒng)

為實現(xiàn)實訓(xùn)教學(xué)目的，山東交通學(xué)院軌道交通實驗室地鐵實訓(xùn)教學(xué)沙盤如圖1所示，地鐵沙盤模型設(shè)備主要包括信號機、轉(zhuǎn)轍機、軌道電路、模型小車，如圖2所示。地鐵沙盤系統(tǒng)上位機通過串口通信方式分別控制信號機、轉(zhuǎn)轍機和沙盤模型小車，每類設(shè)備均對應(yīng)1套完整的單片機控制系統(tǒng)，其中信號機、轉(zhuǎn)轍機單片機控制系統(tǒng)位于軌道沙盤模型內(nèi)部，用來接收上位機發(fā)送的命令，控制6臺信號機顯示和3臺轉(zhuǎn)轍機動作。沙盤模型小車單片機控制系統(tǒng)在沙盤模型小車上，采用無線方式與上位機間傳送命令和數(shù)據(jù)。地鐵沙盤系統(tǒng)設(shè)備連接圖如圖3所示。

1.1 沙盤模型小車定位功能實現(xiàn)

為實現(xiàn)沙盤模型小車定位，在沙盤軌道下方鋪設(shè)260張IC卡。沙盤模型小車單片機控制系統(tǒng)主要由STM32單片機、IC卡信息讀取模塊、電機模塊及RS-232無線通信模塊組成。沙盤模型小車行駛過程中，IC卡信息讀取模塊讀取IC卡中的序列號并將其傳送至STM32單片機進行處理，將處理后的信息發(fā)送至上位機，并由上位機判斷列車位置和股道占用信息。沙盤模型小車定位功能實現(xiàn)示意圖見圖4。

1.2 設(shè)備控制協(xié)議

設(shè)計聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件的目的是通過上位機實現(xiàn)地鐵沙盤中信號機、轉(zhuǎn)轍機和沙盤模型小車的控制。上位機與沙盤設(shè)備間的通信極為重要，需制定串口通信協(xié)議，包括上位機發(fā)送至現(xiàn)場設(shè)備的控制信息和現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送至上位機的狀態(tài)信息。每個設(shè)備的通信協(xié)議主要由報文頭、數(shù)據(jù)幀類型、設(shè)備地址、數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和報文尾7部分組成。報文中全部數(shù)據(jù)均為HEX格式，波特率均為19 200 bit/s。信號機及轉(zhuǎn)轍機通信協(xié)議報文的構(gòu)成如表1所示。

信號機顯示的定義主要集中在第4～6個數(shù)據(jù)字節(jié)中，每個字節(jié)的各位對應(yīng)某個信號機的燈位，要想點亮信號機，只需將對應(yīng)位置1，其余位清0即可。轉(zhuǎn)轍機定位、反位動作的定義主要集中在第4個數(shù)據(jù)字節(jié)，與信號機的控制相似，某一轉(zhuǎn)轍機對應(yīng)位置1、清0，分別操作每個轉(zhuǎn)轍機。例如沙盤模型小車通信協(xié)議報文的構(gòu)成如表2所示。

沙盤模型小車控制協(xié)議的數(shù)據(jù)位可實現(xiàn)較多功能，上位機發(fā)給沙盤模型小車的功能包括方向控制、速度控制和定點停車。沙盤模型小車發(fā)給上位機的位置信息報文的4位數(shù)據(jù)位按順序為IC卡數(shù)據(jù)的第1～4位，采用BCD碼編碼。

2 聯(lián)鎖邏輯設(shè)計

沙盤信號設(shè)備平面布置圖是進行聯(lián)鎖設(shè)計的重要基礎(chǔ)^[6]，如圖5所示。沙盤信號設(shè)備主要包括6臺信號機、3組轉(zhuǎn)轍機和軌道線路。軌道線路主要劃分為17個軌道區(qū)段，包括6個有岔區(qū)段、5個無岔區(qū)段和6個盡頭區(qū)段。

2.1 進路、聯(lián)鎖及解鎖

進路是指列車或調(diào)車車列在車站內(nèi)運行時經(jīng)歷的路徑。當(dāng)列車需在站內(nèi)運行時，按照始、終端位置排列進路，對應(yīng)進路轉(zhuǎn)為鎖閉狀態(tài)，防止其他車列駛?cè)朐撨M路影響列車運行，保證列車進路行駛的安全性。

聯(lián)鎖是保證行車安全的重要技術(shù)措施，是信號設(shè)備與相關(guān)因素的制約關(guān)系^[7]。本文設(shè)計軟件的核心工作是對聯(lián)鎖邏輯進行代碼化實現(xiàn)。

當(dāng)沙盤模型小車駛?cè)胧级诉M路后應(yīng)立即關(guān)閉始端信號機，保證列車在進路內(nèi)的運行安全，隨后采用三點檢查法對各區(qū)段解鎖，即某一區(qū)段解鎖時不僅要檢查本區(qū)段列車占用過并已出清，還要檢測前一區(qū)段列車占用過也已出清，及列車現(xiàn)已進入下一區(qū)段^[3]。滿足三點檢查的聯(lián)鎖條件時，對應(yīng)進路可實現(xiàn)解鎖。采用三點檢查法可大大提高線路的利用率。

2.2 聯(lián)鎖表編制

聯(lián)鎖表提供信號設(shè)備聯(lián)鎖關(guān)系，給出進路方向與范圍、排列時需按下的按鈕、進路排列后需開放的始端信號機及其顯示、道岔所需設(shè)置的正確位置、進路的敵對信號及進路范圍內(nèi)的區(qū)段等^[8]。通過聯(lián)鎖表可清楚了解每條進路排列時需控制的設(shè)備及需檢查的設(shè)備狀態(tài)等信息。

由圖5可知本沙盤共有14條進路，在信號平面布置圖上可得到每條進路所需信息，對這些信息進行歸納匯總即可得到聯(lián)鎖表^[9]。由信號機1開始的調(diào)車進路聯(lián)鎖表如表3所示。

3 聯(lián)鎖軟件系統(tǒng)設(shè)計

地鐵沙盤聯(lián)鎖軟件設(shè)計目的是根據(jù)計算機端站場信號圖排列進路，控制沙盤信號燈和轉(zhuǎn)轍機，并控制沙盤模型小車按進路運行^[10-11]，主要設(shè)計內(nèi)容為上位機與沙盤設(shè)備通信模塊設(shè)計、進路辦理流程和設(shè)計、進路自動解鎖邏輯設(shè)計、進路手動取消設(shè)計、道岔和股道單獨鎖閉和單獨解鎖設(shè)計。

根據(jù)聯(lián)鎖軟件設(shè)計的需求分析及可行性分析，選取PyCharm為集成開發(fā)環(huán)境（integrated development environment，IDE）軟件，高效率Python語言可降低編程工作難度^[12]。軟件PyQt5采用Python語言和Qt庫融合而生，是Python語言專用的圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）設(shè)計軟件^[13]，可使聯(lián)鎖軟件界面編程更加人性化。

聯(lián)鎖軟件系統(tǒng)主要分成信息顯示、串口連接、設(shè)備單獨控制和聯(lián)鎖控制4部分，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。串口連接模塊需實現(xiàn)與信號機、轉(zhuǎn)轍機和沙盤模型小車控制電路的串口連接；設(shè)備單獨控制模塊實現(xiàn)各沙盤設(shè)備和沙盤模型小車的單獨運動控制；聯(lián)鎖控制模塊是軟件設(shè)計的重點，需根據(jù)聯(lián)鎖表實現(xiàn)進路排列、進路取消、進路自動解鎖等聯(lián)鎖控制，并通過信息顯示模塊實時顯示道岔、信號機、小車、進路及報警燈信息。

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)

聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件界面主要包括上半部分的軌道線路顯示部分、下半部分的功能按鈕及信息顯示部分。

在軌道線路顯示部分，每個信號機設(shè)置4個QPushButton控件，在不同階段顯示執(zhí)行信號機顯示變化、進路始端、取消成為進路始端、進路終端和取消進路的功能。顯示區(qū)段時，當(dāng)進路排列后對應(yīng)鎖閉的股道變?yōu)榘咨鈳П硎?，?dāng)列車在股道上占用時對應(yīng)區(qū)段變?yōu)榧t色光帶顯示^[14-15]。

串口選擇部分由QLabel、QlineEdit和QPushButton 等3種控件組成，可實現(xiàn)串口連接，分別用于顯示串口連接狀態(tài)、輸入所需連接的串口號、實現(xiàn)串口連接。沙盤模型小車控制部分由3個QPushButton控件分別實現(xiàn)前進、后退和停車功能。功能按鈕部分由6個QPushButton控件組成，分別實現(xiàn)取消進路、清除報警等不同功能。信息提示部分由QLabel和QTextBrowser控件組成，用來輸出進路排列信息和進路排列錯誤時的報警信息。圖形用戶界面如圖7所示。

功能實現(xiàn)主要包括上位機和沙盤設(shè)備的通信、沙盤設(shè)備單獨控制、沙盤模型小車控制、道岔和股道的單獨鎖閉和單獨解鎖等函數(shù)編程^[16-17]。例如實現(xiàn)進路建立與鎖閉，主要有始端按鈕響應(yīng)函數(shù)xhj_1click（）和終端按鈕響應(yīng)函數(shù)xhj1zd（）。始端按鈕響應(yīng)函數(shù)主要實現(xiàn)按下始端按鈕后，該按鈕處信號機變?yōu)槌壬W爍提醒，可能成為進路終端的信號機變?yōu)榘咨W爍提醒，進一步關(guān)閉其始端按鈕功能，開啟終端按鈕功能；終端按鈕響應(yīng)函數(shù)是按下按鈕后，根據(jù)始端、終端及聯(lián)鎖邏輯確定進路。進路建立與鎖閉編程依據(jù)的聯(lián)鎖邏輯如圖8所示。

5 系統(tǒng)測試

為驗證地鐵沙盤模型聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的質(zhì)量與可靠性，對系統(tǒng)進行功能測試即黑盒測試，根據(jù)軟件需求，模擬客戶場景對系統(tǒng)進行實際測試^[18-20]。測試內(nèi)容主要包括系統(tǒng)啟動、界面顯示和右鍵菜單功能的故障、系統(tǒng)操作提示與警告信息等內(nèi)容。其中，比較重要的進路排列和聯(lián)鎖功能是通過建立每條進路，且利用沙盤小車在進路上運行檢測進路排列與聯(lián)鎖關(guān)系。列車通過每段股道時，對應(yīng)區(qū)段可解鎖，進入?yún)^(qū)段后始端信號機正常關(guān)閉，進路排列與進路解鎖功能通過檢測。測試進路建立后線路如圖9所示。

6 結(jié)語

采用PyQt5和Python編程語言設(shè)計可實現(xiàn)沙盤模型設(shè)備單控、進路排列，并能控制模型沙盤小車按進路運行的聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件測試證明，該軟件控制沙盤模型設(shè)備聯(lián)鎖動作精確、可靠?；诘罔F實訓(xùn)教學(xué)沙盤設(shè)計聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件是軌道交通仿真教學(xué)的創(chuàng)新實踐和有益嘗試，學(xué)生通過應(yīng)用聯(lián)鎖軟件觀察設(shè)備運行，了解各種設(shè)備工作原理，理解聯(lián)鎖關(guān)系，熟悉真實地鐵工作模式，可提高學(xué)習(xí)軌道交通專業(yè)知識的興趣。

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Design of an interlocking system software for

a subway training sand table

ZHANG Jiwei

School of Rail Transportation，Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China

Abstract：In order to carry out rail transit simulation teaching and improve the learning effect of rail transit professional knowledge， the interlocking system software of the subway practical teaching sand table is designed. Based on the study of the composition of the control system， model car positioning method， and control protocols， route arrangement， equipment interlocking， and the release of route locking are analyzed， and the generation of the interlocking table are compiled. The interlocking system software for a subway practical teaching sand table is designed with the Python programming language for logic judgment and serial communication， and PyQt5 is used for interface aided design. This design can arrange routes， control the interlocking action of the signal machine and the switch machine， and control a model car for safe operation on route. It is verified by experiments that， the software can control the interlocking action of sand table model components accurately and reliably， and meet the teaching needs of rail transit simulation teaching.

Keywords：rail transit; practical teaching sand table; interlocking system software

（責(zé)任編輯：王惠）