计算机联锁实训系统的开发及在铁路信号的应用

摘要

　　随着中国铁路基础设施建设的大力推进，对铁路行车安全提出了更高的要求。计算机联锁作为保障行车安全的关键设备，在铁路系统现代化的进程中有着广阔的发展前景。通过研究铁路信号设备的联锁关系及计算机联锁系统的结构特点和层次关系，引入沙盘设备，开发符合实际需要的计算机联锁实训系统，对于铁路相关专业的岗前培训和改善教学质量有着重要的意义。

　　通过研究计算机联锁系统的整体功能需求，着重对计算机联锁操作系统和硬件电路进行设计。在软件设计部分，通过UML建模，构建类并分析类之间的关系，确定需要创建的对象及其属性和操作；在软件的开发过程中，以VisualStudio作为开发环境，摒弃传统的MFC框架，采用更为轻便的Qt图形框架作为开发工具，用C++面向对象的思想进行编程；根据站场平面布置图、进路联锁表和各对象的存储数据，最终实现对操作界面的开发。在硬件设计部分，首先搭建沙盘，布置信号设备，完成车站的整体布局；然后利用AltiumDesigner软件设计电路，完成对信号设备的控制，主要包括：转辙机继电控制模块、道岔监测模块、信号机控制模块、轨道电路监测模块；最后定义串口通信协议，上位机向下位机发送指令，沙盘设备进行动作并反馈动作结果，最终完成整个实训系统的设计。

　　计算机联锁实训系统不仅能实现对计算机联锁系统的操作，还能实现对信号机、道岔、转辙机、轨道电路的控制，使沙盘运作起来，具有非常深刻的教学意义。该实训系统的应用场景非常广阔，可以用于铁路职工岗前培训、铁路相关专业的教学模拟和在校生校内实习等场景，能够显著提高教师的教学效率和学员的专业技能。

　　关键词：铁路信号；计算机联锁；控制系统；铁路沙盘；Qt

Abstract

　　With the vigorous promotion of China's railway infrastructure construction, higher requirements have been placed on railway traffic safety. As a key equipment to ensure the safety of driving, computer interlocking has a broad development prospect in the process of modernization of railway systems. By studying the interlocking relationship of railway signal equipment and the structural characteristics and hierarchical relationship of computer interlocking system, the sandbox equipment is introduced to develop a computer interlocking training system that meets the actual needs. It has a pre-job training for railway related majors and improved teaching quality. Significance.

　　By studying the overall functional requirements of the computer interlocking system, the computer interlocking operating system and hardware circuits are designed. In the software design part, through UML modeling, build classes and analyze the relationship between classes, determine the objects that need to be created and their properties and operations; in the software development process, use Visual Studio as the development environment, abandon the traditional MFC framework The lighter Qt graphics framework is used as a development tool to program with C++ object-oriented ideas. According to the station floor plan, the access interlock table and the storage data of each object, the development of the operation interface is finally realized. In the hardware design part, first set up the sand table, arrange the signal equipment, complete the overall layout of the station; then use Altium Designer software to design the circuit to complete the control of the signal equipment, including: switch relay relay control module, switch monitoring module, signal The machine control module and the track circuit monitoring module; finally define the serial communication protocol, the upper computer sends the command through the lower position machine, the sandbox device performs the action and feedbacks the action result, and finally completes the design of the whole training system.

　　The computer interlocking training system can not only realize the operation of the computer interlocking system, but also realize the control of the signal machine, the switch, the switch machine and the track circuit, so that the sand table can be operated, which has very profound teaching significance. The application system of the training system is very broad, and can be used for pre-job training of railway workers, teaching simulation of railway-related majors, and internships in school students, which can significantly improve the teaching efficiency of teachers and the professional skills of students.

　　Key words: railway signal, computer interlocking, control system, railway sand table, Qt

目 录

　　第一章 绪 论

　　1.1 研究背景和意义

　　近年来，中国的基础设施建设保持高速的发展，在铁路建设方面也取得了惊人的成绩。根据中国铁路总公司公布的数据：截止到 2018 年底，中国高铁营运里程已达 2.9 万公里，超过世界高铁里程总和的 2/3,中国成为建成高铁里程最长、运输能力最强的国家。铁路信号设备是铁路现场设备的重要组成部分，是用来保障列车安全、高速、准确运行的必不可少的重要设备。信号设备主要指信号机、道岔、轨道电路三大组成部分。2011 年，浙江省甬温铁路发生动车组追尾重大铁路事故，事故的原因是由于信号电缆遭受雷击后导致列控设备出错、信号机错误显示、轨道电路错误占用等状况的发生，最终造成悲惨的交通事故。由此可见，信号设备的正常工作为铁路行车安全提供了重大保障。

　　在铁路行业，用信号机、道岔、轨道区段和进路之间的联锁关系是构成计算机联锁系统的重要依据[1].国内的联锁系统先后经历了机械控制联锁、6502电气集中联锁、计算机联锁、全电子计算机联锁等阶段[2].因计算机联锁具备安全性高、稳定性强、维护方便等优势，在各个车站得以推广使用。现在许多高校和研发单位实行校企合作，对计算机联锁系统进行开发、完善和升级。本校作为铁路院校，依托铁路就业优势，每年向各大铁路局、地铁、工程局、通号公司等单位输送大量的毕业生。但许多在校生在学习铁路信号相关课程时，对计算机联锁系统的使用不够规范，对联锁系统背后的联锁逻辑运算不够清楚，只停留在书本上。由于完整的铁路沙盘模拟系统造价昂贵，沙盘设备难以推广，学生只能进行参观，不能进行实际演练。另外，许多交通院校在研究计算机联锁系统时，开发模式单一，只进行上位机操作系统的开发、未涉及对下位机的控制，不能真实模拟站场的运行状况。综上所述，研究计算机联锁系统的逻辑关系，开发出符合需要实际的计算机联锁实训系统教学模拟装置显得尤为重要。

　　该实训系统可用于满足各种学习需要和培训需要。学生在学习铁路信号相关课程时，可以进行实际的操作演练，结合沙盘设备的动作，学习相关铁路知识，做到书本和实践相结合，从而对计算机联锁系统操作更为熟练，对进路与信号设备之间的联锁关系有更加深刻的理解。对即将步入铁路行业的毕业生，可以进行岗前实训，体验真实的作业场景，提高专业技能。该实训系统还可以直观的反映在进行列车作业和调车作业时，信号机、轨道区段、道岔之间的联锁关系，提供了讲解铁路信号设备运行状况的平台，具有较为深刻的教学意义。

　　在实训系统设计过程中涉及到计算机技术、软件编程技术、电子电路设计技术、通信技术等方面的知识，有助于学校轨道交通、自动化、电子信息工程等特色专业的建设，及多种学科的全面发展。

　　1.2 国内外研究现状

　　1.2.1 国外研究现状

　　1978 年，世界上首套计算机联锁系统由瑞典 ABB 公司研制成功，并成功应用于哥德堡车站。随后的十年间，德国、法国、日本、美国等国家竞相对计算机联锁系统展开研究，计算机联锁系统在各车站得以推广使用，并由此诞生了许多知名的计算机联锁厂商，比如德国的西门子、法国的阿尔斯通、日本的信号公司和京山制作所、美国的通用信号公司等。

　　近年来，计算机联锁在国外进行了深入了研究，取得了不俗的成果。2009年，Khan,Sher Afzal 等人提出用图论和 Z 语言的方法，在提高联锁复杂度的同时提高其安全性能[3].2010 年，马德里康普斯顿大学的 Antonio Hernando 等人采用布尔逻辑运算和独立于车站的拓扑结构优化了进路的排列算法[4].2011 年，Cao Y、Xu T 等人介绍了一种基于计算机联锁系统特定领域的语言（DSL-CBI）的工具，可用于自动生计算机联锁表[5].2016 年，Haxthausen A E 等人提出一种利用静态检查器的方法，进行实例建模来验证联锁表的正确性[6].Limbrée C 等人通过建立 nusmv 模型检查器对计算机联锁系统的程序数据进行验证，进而减少联锁系统的出错率，保障行车安全[7].2017 年，Li Z、Jing L 等人通过提出一种利用 SMT 求解器，将联锁规则的规范码自动生成测试用例的方法，并将该方法应用于中国龙溪路站的联锁系统[8].Yao L I、Zhang Y 等人在铁路信号系统中通过提出频率风险 SyncCharts 建模的分析方法，定量的描述安全关键软件的安全性能[8].Santana M R 等人通过在 WebSocket 接口程序下使用 ATS 仿真系统，来改善计算机联锁系统与使用 HTML 协议的远程 ATS 仿真系统不兼容的问题[10].

　　1.2.2 国内研究现状

　　1984 年，中国首套车站计算机联锁控制系统由中国通号设计研究院研制成功，并成功应用于地方铁路；1989 年，由铁道部科学研究院研制的计算机联锁系统在国有铁路郑州北编组站正式运行；1994 年，由铁道部科学研究院和通号公司设计研究院共同研制的计算机联锁系统应用于客货列车通过的车站[11].国内计算机联锁的生产厂商主要有：铁道部科学研究院、中国通号公司、北京交大微联公司、卡斯柯信号公司、众合科技公司。

　　近年来，中国高铁建设突飞猛进，对计算机联锁系统的研制也得到进一步加深。2009 年，西南交通大学的赵煜以铁道信号电子沙盘为整体规划，通过设计控制电路，改装机车，实现列车的自动控制，使沙盘运作起来，达到真实模拟铁路运行的目的[12].2011 年，西南交通大学的安春兰通过设计站场计算机辅助软件，实现对信号设备图元的布置，联锁表的编制等功能，最终完成对整个站场的绘制，使计算机联锁系统的编制更加简单[13].2016 年，北京交通大学的付哲，通过分析计算机联锁的结构和功能的实现，设计出计算机联锁培训系统[14];兰州交通大学的姚文韬通过利用面向对象的软件开发技术，完成对高铁计算机联锁控制系统的研究，并应用到多个学校和地方铁路，取得了良好的培训效果[15];北京工业大学的张京晶通过 UML 建模语言的方法，构建核心数据结构，设计出符合标准的铁路信号计算机联锁系统[16];西南交通大学的余嘉希通过设计电路完成对城轨沙盘的控制，主要包括信号机的控制、转辙机的控制、数码管的控制等内容，能够反映沙盘真实的运行状态[17].2018 年，西南交通大学的易翠英，结合车站信号布置图，利用 Visual Studio 开发出一套计算机联锁上位机仿真系统[18];北京交通大学的王程将蚁群算法运用到进路选排模块中，实现进路的自动搜索，提高进路的搜索效率和准确性[19].冯浩楠，姜庆阳等人通过构建故障树分析模型和故障模型，对用于 CBTC 系统中的计算机联锁系统作出故障预测，能快速对其故障进行维修和管理[20].

　　1.3 主要研究内容及创新点

　　1.3.1 主要研究内容

　　通过查阅大量关于计算机联锁系统和铁路沙盘的资料后，最终设计出计算机联锁实训系统，具体研究内容如下：

　　（1）进行前期的准备工作：通过阅读、查阅资料，充分了解计算机联锁系统的开发原理和功能，熟悉掌握铁路信号设备间的联锁关系，对沙盘的布局有明确的规划。

　　（2）软件的开发：根据需要构建类，通过 UML 建模，分析各类之间的关系，并为类中的对象添加属性和操作。根据功能需求设计流程图，在 Visual Studio的编译环境下，调用 Qt 的图形界面库，利用 C++的面相对象的方法进行编程，实现各个模块的功能。

　　（3）硬件的设计：根据沙盘的实际需要，选取 STC8A8K64S4A12 最小系统作为主控板，并设计驱动板的硬件电路，利用 Altium Designer 绘制原理图，PCB图，并完成元器件的焊接与电路板的调试。

　　（4）沙盘的搭建：根据车站的平面布置图，对信号设备进行布局，将设备端口接入电路板中，进行设备调试。

　　（5）整体调试：通过在上位机操作计算机联锁系统，将指令传递给下位机，带动沙盘设备动作，完成整体的功能的调试。

　　1.3.2 论文创新点

　　本论文在设计铁路信号计算机联锁实训系统时，有以下创新点：

　　（1）开发方式：本文在 Visual Studio 编译环境开发计算机联锁系统，摒弃了利用 MFC 框架作为开发工具的传统方式，采用更为轻量化、更为方便的 Qt 图形界面库作为开发工具。

　　（2）功能方面：本系统的上位机界面功能更加齐全，增加了行车日志栏、室外设备连接、轨道区段监测等功能。

　　（3）真实模拟：取消传统上位机的模拟行车功能，通过车列在铁路沙盘中实际的位置，来处理相应的功能，还原站场实际的铁路运行状况，使实训系统的功能更加完善、更加真实。

　　（4）软硬件结合：在开发计算机联锁系统时，因为场地和设备等原因，许多设计者只能对上位机软件的开发，没有下位机硬件的动作。本实训系统通过定义通信协议，将上位机下达的指令传递给下位机进行相应的动作。

　　（5）硬件电路设计：增加硬件电路设计模块。根据上位机指令，主控板带动三个驱动板，转辙机继电控制模块、轨道电路监测模块、信号机控制模块，对道岔、轨道电路、信号机进行相应的动作和监测，反映车站信号设备的实际状况。

　　1.4 论文章节安排

　　论文各章节的内容如下：

　　第一章论述了本课题的研究背景和意义、国内外研究现状、铁路信号计算机联锁实训系统研究的方法和思路。

　　第二章论述了计算机联锁系统的整体结构设计、软件功能需求、站场图的绘制和联锁表的编制，各设备之间的联锁关系，为软件的开发提供了思路。

　　第三章采用面向对象的方法构建各种类，如进路类、信号机类、道岔类、轨道区段类等。通过 UML 建模的方法设计各种对象，并设计对象的属性和操作。

　　通过从。txt 文件中读取数据，在界面中绘制出各个控件，绘制出站场界面图。

　　第四章论述计算机联锁系统的软件设计流程：主要包括办理进路模块，进路解锁模块、特殊进路处理模块、功能类操作模块、其他功能模块。通过用论述方法+流程图的方式，对各模块的内容进行详细的说明。

　　第五章进行硬件方案设计，主要介绍了沙盘的搭建与设计、硬件电路的设计、通信协议设计。对主控板和驱动板电路设计、接线方式、通信内容进行详的介绍。

　　第六章进行系统测试，上位机操作测试、下位机动作测试。通过上下联动，来控制沙盘设备，还原真实的铁路运行状况。

　　第七章对本论文进行总结与展望。总结本篇文章的特点、研究价值和不足之处，为下一步的研究与设计指明了方向。

　　第二章 计算机联锁实训系统方案设计
　　2.1 计算机联锁系统结构设计
　　2.2 计算机联锁实训系统的整体功能需求
　　2.2.1 进路类功能需求
　　2.2.2 操作类功能需求
　　2.2.3 辅助类功能需求
　　2.2.4 硬件设计需求
　　2.3 计算机联锁系统
　　2.3.1 计算机联锁的特点
　　2.3.2 信号设备间的联锁关系

　　2.4 计算机联锁表的编制
　　2.5 系统概述
　　2.5.1 开发环境介绍
　　2.5.2 系统操作方式
　　2.6 本章小结

　　第三章 基于站场平面布置图的联锁关系设计
　　3.1 分析数据对象
　　3.1.1 对象和类
　　3.1.2 利用 UML 分析数据结构
　　3.2 静态数据设计
　　3.2.1 进路类数据设计
　　3.2.2 信号机类数据设计
　　3.2.3 道岔类数据设计
　　3.2.4 轨道区段类数据设计

　　3.2.5 轨道表示线类数据设计
　　3.2.6 按钮类数据设计
　　3.2.7 文本类数据设计
　　3.2.8 其他类数据设计
　　3.3 设备数据的处理与显示
　　3.3.1 按钮类的数据处理和界面显示
　　3.3.2 信号机类的数据处理和界面显示
　　3.3.3 道岔类的数据处理和界面显示
　　3.3.4 轨道表示线的数据处理和界面显示
　　3.3.5 其他类的数据处理和界面显示
　　3.4 功能栏的设置与显示
　　3.5 本章小结

　　第四章 计算机联锁实训系统软件设计
　　4.1 建立进路模块
　　4.1.1 选择进路
　　4.1.2 排列进路
　　4.1.3 锁闭进路
　　4.1.4 开放信号
　　4.2 进路解锁模块
　　4.2.1 正常解锁
　　4.2.2 取消进路
　　4.2.3 人工解锁
　　4.2.4 区段故障解锁

　　4.3 特殊进路的办理和解锁模块
　　4.3.1 引导进路
　　4.3.2 引导进路解锁
　　4.3.3 引导总锁闭
　　4.3.4 引导总解锁
　　4.4 功能类按钮操作模块
　　4.4.1 道岔的定反位操作
　　4.4.2 道岔的单锁和单解
　　4.4.3 道岔的封锁和解封
　　4.4.4 信号机故障和信号机故障解除
　　4.4.5 区段故障和区段故障的解除
　　4.5 其他功能按钮操作模块
　　4.6 本章小结

　　第五章 计算机联锁实训系统硬件设计
　　5.1 铁路信号沙盘的整体设计
　　5.2 硬件部分总体设计
　　5.3 主控板硬件设计
　　5.3.1 主控板的选择
　　5.3.2 主控板原理图
　　5.4 信号机控制模块设计
　　5.5 转辙机继电模块设计
　　5.6 道岔监测模块设计
　　5.7 轨道电路监测模块设计
　　5.8 USB 串口通信
　　5.9 沙盘设备检测
　　5.10 本章小结

　　第六章 系统测试
　　6.1 系统测试
　　6.2 道岔类操作测试
　　6.3 信号机类操作测试
　　6.4 轨道区段类操作测试
　　6.5 进路类操作测试
　　6.6 进路解锁测试
　　6.7 行车测试
　　6.8 本章小结

　　第七章 总结与展望

　　7.1 总结

　　本论文研究的铁路信号计算机联锁实训系统，由上位机计算机联锁操作系统和下位机沙盘信号设备控制系统组成。该实训系统可以通过上位机办理进路、道岔转换等功能，经串口通信实现对下位机沙盘信号设备的控制。该实训系统具有操作简单、功能全面、维护成本低、安全性高等特点，同时，该系统还具有模拟车站真实运行状况的功能，比较形象直观反映信号设备的动作。

　　计算机联锁操作系统软件的设计，主要根据沙盘的站场图，利用 VisualStudio + Qt 的方式，开发出符合实际需要的操作控制系统。该操作系统不仅能够实现办理进路、对进路进行取消和解锁、还能实现对道岔、轨道区段、信号机等信号设备的控制功能，并在界面上显示出来。该系统还增加真实行车功能，当车辆占用轨道区段时，通过轨道区段监测模块，将占用情况传输给上位机并进行显示，使该系统的操作界面与车站的实际状况相符。

　　沙盘硬件电路控制系统的设计，主要设计电路，实现对沙盘信号机、转辙机、道岔、轨道电路的控制。硬件电路主要设计了转辙机继电控制模块、道岔监测模块、信号机控制模块、轨道电路监测模块等部件，能够执行上位机发送的指令。在沙盘的搭建过程中，信号设备的选取、位置的摆放、排线的对接都有很高的工艺要求，这也是下位机能够执行指令的关键所在。本实训系统作为铁路信号方面的教学模拟装置，能够应用于交通类院校铁路专业的教学演示以及职工的岗前培训，有助于学员掌握计算机联锁的相关知识，充分体现出该实训系统的实用性。

　　7.2 展望

　　由于软件的开发和沙盘的搭建过程中，消耗大量的时间和精力，对实训系统的研究还是存在许多不足之处，需要进一步完善：

　　（1）对于信号机进行故障设定时，整个信号机出现红色闪烁现象，在以后的开发过程中，可以增加对主灯丝、副灯丝进行故障设定，添加报警功能；（2）对于计算机联锁表的编制，采用手动的方式进行编写，工作量比较大且容易出错，因此可以利用数据结构的构建方法，自动生成计算机联锁表，高效而准确；（3）上位机和下位机在进行通信连接时，有时会出现故障，应加强对通信功能的研究，使上下联动更加准确；（4）在硬件电路的设计的过程中，因需要控制线的数量较多，主控板的带载能力有限，出现电流过大，导致板子出现故障的现象，因此，要加强对芯片功能的学习，增强电路的设计能力；（5）对于沙盘的搭建，因场地等原因的限制，存在以下问题：只能放下一个车站、没有设置行车区间且轨道区段较短。若能将该实训系统作为教改项目进行深入研究，将沙盘进一步扩大，实现两个车站间的进路的办理、行车区间的控制，则实训系统的功能会更加完善。

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致谢

　　在即将毕业之际，我要向那些在我攻读硕士学位期间给过我帮助的老师和同学们表示由衷的感谢！

　　论文从选题、方案设计、平台搭建、实验与数据分析到最后的论文撰写，都是在导师邓晓燕教授和导师陈东阳副教授的悉心指导下完成的。邓老师和陈老师在本硕士学位论文的成稿过程中倾注了大量的心血，在工作、学习、生活等多方面对我关怀备至，令我永难忘怀。邓老师、陈老师不仅在本专业领域拥有渊博的理论知识，其丰富的工程实践经验的传授同样令我受益匪浅，其严谨的科研作风、孜孜不倦的求索精神更是我今后的工作榜样。在此谨向邓晓燕教授、陈东阳副教授及其家人表示崇高的敬意和衷心的感谢。

　　同时，我要向石家庄铁道大学的杨绍普教授、赵正旭教授等表示我诚挚的敬意，其严谨治学、勇于创新、精心育人、志在四方的科研作风值得每一个铁道大学学子学习。正是在这种艰苦奋斗、精益求精精神的激励下，许多科研中遇到的困难和问题被我克服，最终顺利完成了这篇论文。

　　我还要感谢各位与我一同生活、学习和参与研究的同学与朋友：杨彦凯、王晓。我们互相学习，互相帮助，互相鼓励，共同进步，正是他们的存在让我的科研道路变得更加丰富多彩。

　　最后，谨向在百忙中审阅此论文和参加答辩的每一位教授、专家表示我由衷的敬意！

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