计算机联锁仿真系统的设计及仿真测试

摘要

　　铁路车站信号安全控制系统是我国铁路技术体系和装备现代化的重要组成部分，是保障列车安全、可靠、高效运行的核心装备。随着我国铁路向"高速、高密度、重载、信息化、智能化"的方向发展，对于保障铁路列车安全运行的中枢神经-计算机联锁系统提出了新的更高技术要求。

　　在我国铁路交通飞速发展的同时，由于线路运营规模扩大，大量的铁路专用线、厂矿线投入运营，合格的车站信号操作人负急缺问题日益突出。就我国铁路一-线操作人员培训的现状来看，还没有形成比较完善、科学、先进的培训体制和手段，难以满足如今铁路交通发展的巨大需求。

　　本文正是在这种背景下，按照安全系统的研究设计流程，从系统的需求分析、结构设计、详细设计以及仿真测试等方面，对车站计算机联锁仿真系统的安全关键技术进行了研究和系统分析。本文以车站信号继电联锁控制原理为基础，采用C++面向对象的程序设计语言、安全软件测试等技术对铁路车站计算机联锁仿真系统的架构、联锁运算逻辑、进路作业操作仿真、功能测试等过程进行了集成与整合，详细分析了仿真系统的功能需求、性能需求、接口需求；通过对车站计算机联锁仿真系统的总体结构设计，建立了系统的功能结构模型，实现了系统的模块化、组件化；以安全性、可靠性工程为基础，定性分析了仿真系统的安全设计策略：以站场型数据结构为基础，设计了仿真系统的设备数据、进路静态、动态数据结构；以面向对象程序设计方法为基础，实现了仿真系统各功能模块的算法设计，并对比铁路车站计算机联锁技术标准，设计了仿真系统功能测试用例并完成功能测试。结果表明仿真系统能够完整模拟铁路车站信号控制过程中的车站联锁各种作业实验、车站信号操作、基础设备故障状态模拟等功能。既可用于理论强化教学，也可用于科学验证，实现"实验"和"科研"相结合，形成命令操作→联锁逻辑运算→执行侖令→状态晶示的闭环。故障模拟可以针对每个设备进行，如道岔位置失去表示，轨道电路故障，信号机灯丝断丝，轨道电路停电等故障。论文成果对计算机联锁系统的研究、仿真验证和进-步发展提供了科学的工程依据，也可为今后计算机联锁系统的工程化应用前的功能验证提供技术支持。另外，论文成果也可根据用户的不同需求，进行功能扩展，用于铁路院校和企业的教学实验和技术人员培训。

　　关键词：铁路信号；计算机联锁；仿真系统；测试； VC++

Abstract

　　The railway station signal safety control system is an important part of China's railway  technology system and equipment modemization,and is the core equipment to ensure safe,  reliable and efcient operation of trains. With the development of China's railways in the  direction of "high speed, high density ,heavy load, information and iellginece,new higher  technical requirements are proposed for the central nervous system-computer interlocking  system to ensure the safe operation of railway trains.

　　At the same time of the rapid development of China's railway transportation,due to the  expansion of the scale of operation of the line,a large number of railway dedicated lines and  factories and mines have been put into operation,and the shortage of qualified station signal  operators has become increasingly prominent.As far as the current situation of train operators  in China's railways is concemed,it has not yet formed a relaively complete,scientific and  advanced training system and means,which is difcult to meet the huge demand for railway  transporation development.

　　In this context, according to the research and design process of the security system, this  paper studies and systems the security key technologies of the station computer interlocking  simulation system from the aspects of system requirements analysis, structural design,  detailed design and simulation test. analysis. Based on the principle of station signal relay  interlocking control, this paper adopts C++ object-oriented programming language and  security software testing technology to construct the architecture of the railway station  computer interlocking simulation system, interlocking logic, and operation simulation and  function. The test and other processes were integrated and integrated, and the functional  requirements, performance requirements and interface requirements of the simulation system  were analyzed in detail. Through the overall structural design of the station computer  interlocking simulation system, the functional structure model of the system was established  and the module of the system was realized. Based on the safety and reliability engineering,  the safety design strategy of the simulation system is qualitatively analyzed. Based on the  station-type data structure, the equipment data, the static and dynamic data structure of the  simulation system are designed. Based on the object oriented programming method, the  algorithm design of each functional module of the simulation system is realized, and the  technical standard of the computer interlocking of the railway station is compared. The  functional test case of the simulation system is designed and the functional test is completed.

　　The results show that the simulation system can completely simulate the functions of station  interlocking various operation experiments, station signal operation, and basic equipment  fault state simulation in the railway station signal control process. It can be used for both theoretical intensive teaching and scientific verifcation. It can realize the combination of  "experimental" and "scientific rescarch" to form a closed loop of command operation →  interlocking logic operation→execution command→status display. The fault simulation  can be performed for each device, such as the loss of the track position, the failure of the track  circuit, the broken wire of the signal machine, and the power failure of the track circuit. The  results of the thesis provide a scientific engineering basis for the research, simulation  verification and further development of the computer interlocking system, and also provide  technical support for the functional verification before the engineering application of the  computer interlocking system. In addition, the results of the thesis can also be extended  according to the different needs of users, and used for teaching experiments and tchnical  personel training in railway institutions and enterprises.

　　Key Words: Railway Signal; Computer Interlocking; Simulation System; Test; VCH

目录

　　1绪论

　　1.1本文研究背景及意义

　　铁路是国民经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程，是综合交通运输体系的骨干和主要交通方式之一，在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要。2016年国务院批准实施《中长期铁路网规划2016-2030》以来，我国铁路实现了快速发展。特别是国家"带路"战略的实施，为我国的铁路事业的发展带来了前所未有的机遇。

　　计算机联锁系统作为保障列车安全运行的关键安全控制设备，是确保铁路运营安全的核心。随着铁路建设和现代科学技术的发展，特别是国家"一带一路"战略的实施，对计算机联锁系统的可靠性、安全性提出了更高的要求，计算机联锁系统也逐步进入快速升级换代的过程21.在我国铁路交通飞速发展的同时，由此带来的问题和隐患也纷纷暴露。其中，由于线路运营规模扩大，大量的铁路专用线、厂矿线投入运营，合格的车站信号操作人员急缺问题日益突出。就我国铁路一线操作人员培训的现状来看，还没有形成比较完善、科学、先进的培训体制和手段，难以满足如今铁路交通发展的巨大需求。

　　常此以往，人员培训问题必将成为制约我国铁路发展的重要因素之一。鉴于铁路交通的运营特点，对人员的培训不可能完全在现场实施，大部分培训工作都需要在培训中心或实训基地完成。传统的培训模式为师傅带徒弟式的"导师制",需要为每--位培训学员指定专职老师对其进行培训和指导，所有学员都需要经过严格的基础理论学习、理论考核、安全培训、跟岗实习、实际操作考核等，较好地提高了学员的技术水平与管理能力。

　　然而，此种培训模式因培训周期较长、手段较单一且费时费力，而且还不能有效逼真模拟铁路现场实际中的相关故障，难以培养大批优秀的铁路专业人才，很难实现铁路运营单位对学员预期的培训日标。鉴于传统培训方式的诸多不足，利用先进的计算机仿真技术研究设计适宜培训铁路信号操作人员的车站计算机联锁仿真系统有着重要的实际意义。

　　1.2国内外研究现状

　　国外从20世纪70年代开始研究车站计算机联锁系统，是由瑞典Ericsson公司开发的BILOCK系统。该系统中的每一一个目标控制器对应于现场的每一-台设备。它有两种制式：850型最多可在中央处理器上控制300个目标控制器：950型则最多控制100个目标控制器。当控制单元数目较多时，可通过扩展硬件来实现。20世纪80年代初，英国GEC通用信号公司、西屋信号公司和英国铁路公司联合研制固态电路联镜系统SSI系统。该系统中控制现场设备的计算机被称为轨旁模块（TFM）。每--个TFM共有8个入口和出口，对应于信号机和转辙机有不同的TFM.每个SSI的联锁中枢最多可控制63个TFM,如果站场较大，可以增加联镜中枢。20世纪80年代末，英国和澳大利亚的Westinghouse公司、美国的Safetran公间、西班牙的Dimetronic公司共同研究开发了Westrace系统。该系统的硬件是-些功能模块的组合，这些功能模块在所需的范围内任意组合成系统的中心模块。该系统开发的目的是针对小型联锁站，系统规模非常小。20世纪90年代，由德国西门子公可研制了SICAS系统，该系统适用于中小型车站的计算机联锁系统。每组SICAS联锁计算机最多可接入70个控制单元（一个控制单元指1台四显示信号机或1台转辙机或12组轨道电路）。SICAS系统可以通过PROFIBUS总线扩展。最多可接入8组联锁机国内从20世纪80年度初开始计算机联锁系统技术的研究，并于1984年成功研制计算机联锁系统，此后随着铁路不断提速计算机联锁系统得到迅速发展，主要有JD-IA型、DS6-KSB型、TYJL型、DS6-11型计算机联锁系统。JD-1IA型计算机联锁系统由北方交通大学微联科技有限公司开发研制，保留了6502电气集中的执行电路，包括道岔启动电路、信号机点灯电路、轨道电路、各种联系电路等成熟的继电电路，其它电路则由计算机联锁系统代替B.DS6-KSB型计算机联锁系统是北京通号研究设计院与日本京三制作所联合开发，该系统的安全层硬件采用日本京三制作所专门研制具有故障-安全性能的联锁计算机和电子终端，联锁计算机和电子终端均为两重系4.

　　国内针对车站计算机联锁仿真系统的研究起步较早，周鹏等提出在基于局域网下实现车务仿真培训系统方案，由一台教师机和多台学生机联网组成51.李-龙从加强车务人员计算机联镇技术培训、提高培训质量和实际效果的角度出发，开发了纯软件仿真的实用培训系统问。张杰在局城网平台下，设计和实现了列控仿真系统中微机联锁仿真子系统，并对联锁与无线闭塞中心RBC之间的通信接口进行了仿真设计，但是针对解锁、信号开放等方面缺少阐述0].冯涛等针对传统计算机联锁仿真系统对现场设备仿真能力不足的问题，加入三维仿真技术，采用ASP.NETWeb开发技术，研究了新型网络计算机联锁仿真系统图。许丽等从提升车务人员的业务水平的角度出发，针对既有联锁仿真软件不能实现与车站运行联锁软件功能匹配度不高的问题，研究设计了基于。net架构的计算机联锁仿真系统1.其他高校学者、企业研究人员对车站计算机联锁系统的仿真原型进行了构建，设计了基于网络通信的仿真测试系统0-20.

　　1.3本文研究内容

　　本文通过梳理分析车站计算机联锁系统的发展历程、相关技术要求、工作原理，对车站计算机联锁仿真系统功能需求、性能需求、接口罱求进行分析，对仿真系统进行结构和功能分配，并在此基础上对车站计算机联锁仿真系统进行模块划分，从人机界面处理、联锁关系逻辑运算、站场设备状态设置、系统功能需求测试、和其它仿真子系统的接口设计等方面进行了详细的研究，并完成了系统算法实现。

　　论文内容的安排如下：

　　第一章论述本课题的研究背景及意义，车站计算机联锁仿真系统在国内外的研究现状，给出研究本课题的必要性和现实意义。

　　第二章对车站计算机联锁仿真系统的功能、性能、接口、开发环境等方面进行了需求分析。明确了系统需求。

　　第三章对车站计算机联锁仿真系统的结构进行了总体设计。

　　第四章对车站计算机联锁仿真系统的数据结构、功能处理流程进行详细分析和设计，重点对本仿真系统的联锁逻辑关系运算模块进行详细设计，井完成算法实现和代码编写。

　　第五章结合计算机联锁技术标准，选取-一个测试车站，对控显操作、进路办理、进路解锁、信号设备故障设置等联锁逻辑过程设计了相应的测试用例进行功能测试。

　　2车站计算机联锁仿真系统需求分析
　　2.1系统开发基础
　　2.2功能需求
　　2.2.1人机界面处理

　　2.2.3站场设备状态设
　　2.4接口需求
　　2.4.1内部接
　　2.4.2外部接
　　2.5系统开发境

　　3车站计算机联锁仿真系统总体设计
　　3.1仿真系统设计目标
　　3.2伤真系统设计思路
　　3.3仿真系统整体结构
　　3.4仿真系统性能设it
　　3.5仿真系统接
　　3.6本章小结

　　4仿真系统联锁逻辑关系运算模块详细设计
　　4.1数据结构设计
　　4.1.2信号设备数据结构设计
　　4.1.3进路数据结构设计
　　4.1.4接口交互数据结构设计

　　4.2联锁逻辑关系运算模块详细设计与实现
　　4.2.1联锁数据读取及
　　4.2.2命令接收和解析
　　4.2.3信号逻辑处理
　　4.2.4道岔逻辑处理
　　4.2.5区段逻辑
　　4.26进路处理
　　4.3本章小结

　　5车站计算机联锁仿真测试
　　5.1系统测试技术原理
　　5.2车站计算机联锁仿真系统功能测试
　　5,2.1控显操
　　5.2.2进路办理
　　5.2.3进路解锁
　　5.2.4信号设备故障设置
　　5.3本章小结

结论

　　本文采用继电联锁控制理论，以铁路车站计算机联锁系统为研究对象，分析了仿真系统的需求，构建了仿真系统的层次结构，集成了系统架构、联锁运算、功能测试等过程，研究设计了铁路车站计算机联锁仿真系统的时序和算法流程，重点对联锁逻辑关系运算功能模块进行详细设计，最终完成了铁路车站计算机联锁仿真系统的开发，实现了接近于铁路车站现场实际的仿真系统以及基于该平台进行操作培训、科学研究的目的。

　　本仿真系统将人机界面、联锁逻辑运算、设备状态模拟三大功能集成运行在一个Windows平台上，由一个操作员即可实现所有功能的操作仿真。避免了原来的三大功能运行在三个Windows平台上，必须由三个操作员才能实现所有功能操作的限制，进一步提高了铁路车站计算机联锁系统仿真测试、人员培训的效率，降低了铁路车站计算机联锁系统仿真平台的成本。

　　论文主要研究的工作有：

　　1、梳理了铁路车站计算机联锁仿真系统的研究现状，提出了本文研究课题。

　　2、对仿真系统应该具有的功能进行详细分析，从功能、性能、接口三个层面讨论。

　　功能方面，仿真系统具有人机界面处理、联锁逻辑关系运算处理、站场设备状态设置处理等三大功能需求，并对每个功能需求又详细划分。性能方面，分析了仿真系统的应用规模、适用场合、工作周期、安全通信等方面。接口方面，界定了仿真系统的内部和外部接口，以及接口之间的交互信息。

　　3、设计了系统的整体架构，按照层次结构将仿真系统划分三个层次，每个层次对应一个大的功能模块。重点对逻辑层对应的联锁逻辑关系运算功能模块进行详细设计，提出了该功能模块的子功能模块。

　　4、采用站场型数据结构，完成了信号设备数据、进路数据、接口交互数据的定义。

　　以文本形式存储数据，对车站配置数据、联锁站场静态数据、静态进路数据做了详细设计。设计实现了联锁逻辑功能模块的6个子模块的时序、算法流程，基于Visual Studio2010集成开发环境和面向对象的VC++编程语言实现了代码设计与开发。

　　5、根据仿真系统的功能需求，进行系统仿真测试。从控显操作、进路办理、进路解锁、信号设备故障设置等4个方面进行测试，以举例站测试站下行咽喉为例设计测试用例，测试了本咽喉105条列车接发车进路、80 余条调车进路。本文列举了部分测试用例和测试结果。根据测试结果，基本实现本文所提出的铁路车站计算机联锁仿真系统的功能需求。

　　本仿真系统基本完成了对联锁功能的设计开发，并通过数据接口实现了与人机界面处理模块、站场设备状态设置模块的信息交互，但是仍有待改善和进一步完善之处， 主要体现在：

　　1、仿真系统只是实现了对计算机联锁系统功能的仿真，没有实现考试功能，在- -定程度上限制了仿真系统的应用。

　　2、在接口方面只是预留了与邻站联锁系统、本站列控中心的接口，但是没有实现测试。

　　3、仿真系统实现的功能主要是基本联锁功能，结合电路如自动闭塞、场间联系、半自动闭塞等功能还未实现。

　　4、仿真系统的测试提示信息查看不方便，不能自动更新，需要人工更新。

　　致谢

　　首先感谢我的导师石广田教授以及兰州交通大学机电工程学院的老师们。在学校期间，石老师在学习上给我提供了良好的学习环境和科研平台，生活上给予我无微不至的关怀和帮助。在论文选题、论证、撰写过程中石老师对我认真指导，给予我极大的帮助。

　　石老师不仅教给我科研工作方法，而且教导我勤奋严谨和实事求是的工作作风，让我终生受益。再次感谢兰州交通大学机电工程学院多年来的培养，以及在学习、生活等方面的支持。

　　感谢我的家人多年来对我学业的支持与鼓励，以及默默的付出。他们永远是我最坚强的后盾。

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