（交通信息工程及控制专业论文）铁道信号电子沙盘系统整体规划及设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 铁路沙盘作为沙盘中一大分支，最初起源于国外，仅仅作为铁 路迷、铁路爱好者的玩具。随着铁路规模的扩大和技术的发展，在 学习和观摩站场、区间或整体线路设计的过程中，铁路沙盘担当了 重要的角色。特别是铁路电气化的推进，其中融入了丰富的现代电 子、信号、机械等技术，铁路沙盘也由静态沙盘，逐渐向声、光、 电集成的多媒体电子沙盘方向发展。在我国各铁路局，或有相关铁 路专业的学校，为了整体站场、线路规划研究、教学实践，很多都 购置了铁路沙盘，并取得良好效果。 本课题主要针对西南交通大学峨眉校区铁道信号实训基地中的 铁道信号电子沙盘整体规划和设计，其中以沙盘整体布局、信号机 通信和控制电路设计、转辙机控制与检测电路设计和模型机车改造 为主要研究内容。课题研究过程中结合电子技术，将静态的铁道信 号沙盘发展成具有一定智能运作能力的电子沙盘，融合声、光、电、 无线等技术，使电子沙盘具有良好的多媒体效果，达到真实模拟铁 路运营模式的目的。有了该智能平台，诸如列车自动运行控制系统、 列调系统、区间自动控制系统等，都可以编写相应软件，通过对底 层硬件的控制，达到模拟各种铁路系统工作过程的目的。 课题研究中不仅完成了对6 4 m 2 铁道信号电子沙盘的规划，最重 要的方面在于对模拟列车自动控制系统的实现，即对模型机车自动 运行控制，以及数量众多的转辙机和信号机实现计算机联锁控制， 甚至转辙机还具有相应的检测电路。解决在沙盘上模拟计算机联锁， 模型机车自动运行控制，使整个沙盘运转，这是本课题的难点、创 新点，同时也是其它模拟系统接入该沙盘的瓶颈。 关键词：铁路沙盘；电子；计算机联锁；模型机车；控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t a sam a jo rb r a n c ho fs a n dt a b l e ，t h er a i l w a ys a n dt a b l ei n i t i a l l y o r i g i n a t e di nf o r e i g nc o u n t r i e s ，j u s ta sr a i l w a ye n t h u s i a s t st o y s w i t h t h ee x p a n s i o no fr a i l w a ys c a l ea n dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g i c a l ，t h e r a i l w a ys a n dt a b l ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nl e a r n i n g ，o b s e r v i n gt h e b a t t l e f i e l d ，a n dt h ei n t e r v a lo ro v e r a l lc i r c u i td e s i g n p a r t i c u l a r l y ，t h e r a i l w a ys a n dt a b l eh a sb e e nf r o mas t a t i c s a n d - - b a s e dg r a d u a l l yt o t h e m u l t i m e d i ae l e c t r o n i cs a n dt a b l e i n t e g r a t e d w i t h s o u n d ，l i g h t a n d e l e c t r i c i t yd i r e c t i o n ，w i t h t h e p r o m o t i o n o fr a i l w a ye l e c t r i f i c a t i o n w h i c hi s i n t e g r a t e d i n t o p l e n t i f u l m o d e r n e l e c t r o n i c s ，s i g n a l ， m e c h a n i c a la n do t h e r t e c h n o l o g i e s i n our c o u n t r y t h e r a i l w a y a d m i n i s t r a t i o na n dm a n ys c h o o l sr e l a t e dt ot h er a i l w a yp r o f e s s i o n a l p u r c h a s e dt h er a i l w a ys a n dt a b l e ，f o rt h es a k eo ft h eo v e r a l lb a t t l ea n d l i n ep l a n n i n gs t u d i e s ，a n dt e a c h i n gp r a c t i c e ，a n df i n a l l ya c h i e v e dg o o d r e s u l t s t h et o p i ci s m a i n l y f o r t h eo v e r a l l p l a n n i n g a n dd e s i g no f e l e c t r o n i cr a i l w a ys i g n a ls a n dt a b l eo fr a i l w a ys i g n a lt r a i n i n gb a s ei n s o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t y ，e m e ic a m p u s ，a n di ts t u d i e st h eo v e r a l l l a y o u to ft h es a n dt a b l e ，s i g n a lm a c h i n ec o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o l c i r c u i td e s i g n ，s w i t c hm a c h i n ec o n t r o la n dd e t e c t i o nc i r c u i td e s i g na n d m o d e lm o t o r c y c l e st r a n s f o r m a t i o n t h es t u d yc o m b i n e dt h ee l e c t r o n i c t e c h n o l o g y ，w h i c hm a k e st h e s t a t i cr a i l w a ys i g n a ls a n dt a b l ed e v e l o p i n t oae l e c t r o n i cs a n dt a b l ew i t hac e r t a i ni n t e l l i g e n c eo p e r a t i o n a l c a p a b i l i t y ，b l e n d i n gw i t hs o u n d ，l i g h t ，e l e c t r i c i t y ，w i r e l e s sa n do t h e r t e c h n o l o g i e st o e n a b l ee l e c t r o n i cs a n dt a b l eh a sag o o dm u l t i m e d i a e f f e c t st oa c h i e v eat r u es i m u l a t i o nm o d e lo fr a i l w a yo p e r a t i o n s w i t h t h e i n t e l l i g e n tp l a t f o r m ，m a n ys y s t e m ss u c h a st h ea u t o m a t i ct r a i n o p e r a t i o n c o n t r o l s y s t e m ，t h e c o l u m na d j u s t m e n ts y s t e m ，i n t e r v a l a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，c a nw r i t et h e9 0 r r e s p o n d i n gs o f t w a r et o s i m u l a t et h ew o r k i n gp r o c e s so fv a r i o u sr a i l w a ys y s t e m st h r o u g ht h e c o n t r o lo ft h eu n d e r l y i n gh a r d w a r e r e s e a r c hp r o j e c t sh a v en o to n l yc o m p l e t e da6 4m 二r a i l w a ys i g n a l e l e c t r o n i cs a n dt a b l ei nt h ep l a n n i n g ，t h em o s ti m p o r t a n ta s p e c t l i e si n t h er e a l i z a t i o no fa u t o m a t i ct r a i nc o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o n ，t h a tl s ，o n t h em o d e ll o c o m o t i v ea u t o r u nc o n t r o l ，a sw e l la sn u m e r o u ss w i t c h i n g m a c h i n ea n dc o m p u t e r b a s e d i n t e r l o c k i n g s i g n a lb y m e a n s0 t i m p l e m e n t a t i o n ，a n de v e ns w i t c hm a c h i n e a l s oh a sac o r r e s p o n d l n g d e t e c t i o nc i r c u i t f o r s a n dt a b l eo na n a l o gc o m p u t e ri n t e r l o c k i n g p r o b l e ms o l v e d ，a u t o m a t i co p e r a t i o n c o n t r o lm o d e le n a b l et h e e n t i r e s a n dt a b l et ow o r k ，w h i c hi st h ed i f f i c u l t a n di n n o v a t i v ep o i n to ft h l s i s s u ei nt h et o p i c ，a sw e l la sab o t t l e n e c ka c c e s st h a to t h e rs i m u l a t l o n s y s t e m sc o u l ds t e pi n t ot h es a n dt a b l e k e y w o r d s ：r a i l w a y s a n dt a b l e ；e l e c t r o n ；c o m p u t e r i n t e r l o c k i n g ； m o d e ll o c o m o t i v e ；c o n t r o l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密哦使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：搬 日期：卅车，峨j 阖 指导老师签名：t 螽乙名麦 日期：叫p r , t 2 - 够t , l 西南交通大学学位论文创新一性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进 行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 课题研究中不仅完成了对6 4 m 2 铁道信号电子沙盘的规划，最 重要在于对模拟列车自动控制系统的实现，即对模型机车自动运 行控制，以及数量众多的转辙机和信号机实现计算机联锁控制， 甚至转辙机还具有相应检测电路，使之成为一个闭环系统，便于 监测和管理。对于在沙盘上模拟计算机联锁问题的解决，模型机 车自动运行控制，才能使整个沙盘能够运转起来，是本课题的难 点、创新点，同时也是其它模拟系统接入该沙盘的瓶颈。 学位论文作者签名：毒型生 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第l 章前言 1 1 研究背景与意义 1 1 1 研究背景 “沙盘 是根据地形图或实地地形，按定的比例尺用泥沙、 兵棋等各种材料堆制而成的模型。最初出现是在军事上，常供研究 地形、敌情、作战方案、组织协调动作和实施训练时使用。沙盘在 我国已有悠久的历史，据后汉书马援列传记载，公元3 2 年，汉 光武帝征讨陇西的隗嚣，召名将马援商讨进军战略。马援对陇西一 带的地理情况很熟悉，就用米堆成一个与实地地形相似的模型，从 战术上做了详尽的分析。l8l1 年，普鲁士国王菲特烈威廉三世的文 职军事顾问冯莱斯维茨，用胶泥制作了一个精巧的站场模型，用颜 色把道路、河流、村庄和树林表示出来，用小瓷块代表军队和武器， 陈列在波茨坦皇宫里，用来进行军事游戏。后来，莱斯维茨的儿子 利用沙盘、地图表示地形地貌，以算时器表示军队和武器的配置情 况，按照实战方式进行策略谋划。这种“战争博弈就是现代沙盘 作业。l9 世纪末和2 0 年代初，沙盘主要用于军事训练，第一次世界 大战后，才在实际中得到运用。 现在，沙盘的身影在人们的实际生活中随处可见，例如楼盘模 型、城市概貌、模拟场景等等。它能够直观表述建筑物相对位置、 大小，整体景物之间的关系，具有非常好的演示效果，因此一个新 兴的行业一一沙盘模拟培训，随之诞生。沙盘源于战争中的沙盘模拟 推演，它运用独特直观的教具，融入市场变数，结合角色扮演、情 景模拟、讲师点评，使受训人员在虚拟的市场竞争环境中，全真体 会企业数年的经营管理过程。它不同于一般的以理论和案例为主的 管理课程，该课程涉及整体战略、产品研发、设备投资改造、生产 能力规划、物料需求计划、资金需求计划、市场与销售、财务经济 指标分析、团队沟通与建设等多方面，企业结构和管理的操作全部 展示在模拟沙盘上，每个学生都能直接参与模拟的企业运作，体验 复杂、抽象的经营管理理论。通过实际教学的体验，沙盘模拟对抗 课程的意义主要在于以下两点： 1 它是一种全新的人才培养模式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 沙盘模拟对抗课程互动式的教学方式融角色扮演、案例分析和 专家诊断于一体，充分体现“学生学为主，教师教为辅”的全新教学方 式。这种教学方式使学生在学习过程中接近企业实战，短短几天中 会遇到企业经营中经常出现的各种典型问题，学生们必须共同去发 现机遇，分析问题，制定决策，组织实施。在参与学习的过程中极 大地激发了学生学习的积极性，极大地提高了学习效力，激发学习 的潜能。 2 它能提供现场的实战气氛，在实战中培育精英。 沙盘模拟对抗课程使学生们身临其境，真正感受到市场竞争的 精彩与残酷，体验承担经营风险与责任。在成功与失败的体验中， 学生们学到了管理知识，掌握了管理技巧，感受到了管理真谛；同 时在教学中，启发学生进行换位思考，加强学生之间的沟通与理解， 体验团队协作精神，从而全面提高学生经营管理的素质与能力。 沙盘培训一经面世，就以独特新颖的培训模式、深刻实用的培 训效果受到中外企业高级管理人员和培训专家们青睐，目前沙盘培 训成为世界5 0 0 强企业中8 0 的中高层管理人员经营管理培训的首 选课程。全面引进哈佛情景教学模式，运用立体直观的沙盘教具， 全真模拟经营过程，运筹帷幄、决战商场。 铁路沙盘作为沙盘中一大分支，最初起源于国外，仅仅作为铁 路迷、铁路爱好者的玩具。随着铁路规模的扩大和技术的发展，在 学习和观摩站场、区间或整体线路设计的过程中，铁路沙盘担当了 重要的角色。特别是铁路电气化的推进，其中融入了丰富的现代电 子、信号、机械等技术，铁路沙盘也由静态沙盘，逐渐向声、光、 电集成的多媒体电子沙盘方向发展。在我国各铁路局，或有相关铁 路专业的学校，为了整体站场、线路规划研究、教学实践，很多都 购置了铁路沙盘，并取得良好效果。 1 1 2 研究意义 西南交通大学峨眉校区计算机与通信工程系基于铁道信号专业 的发展需要，正在着手建设铁道信号实训基地。该基地其中重要组 成部分就是铁道信号电子沙盘，它承担了铁道信号实训基地6 0 实 验课程，同时，铁道运输、测控、网络和通信专业也可以利用沙盘 平台开设相关实验。其建设内容主要包括以下几方面： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 1 ) 以铁道信号电子沙盘为基础，建成计算机联锁控制实验平 台，以组建局域网的方式来建立其硬件结构，包括教师机、学生机、 联锁机等。软件从系统功能分为教师机模块、学生机模块、联锁控 制机柜( 信息采集和驱动模块) 、通信模块、数据库( 联锁数据库) 管理模块： ( 2 ) 建成编组站调车自动控制实验平台，智能仿真车组站内调 移过程、信号开放与关闭、进路锁闭与解锁、减速器控制等过程， 可进行正常情况及常见多种非正常情况下的模拟仿真，实现对其控 制系统性能的实验教学需要： ( 3 ) 在墙体上添加以l e d 大屏为主的数字显示设备，模拟站场 设备状态，并能表现教师机接受和显示学生机发出的执行命令，教 师机向学生机发送信号设备状态信息( 如设置信号故障、道岔故障、 区段故障和模拟列车运行) 等功能。 叁奉= 1 - 三i i 爵皋奉 1 z 鎏簇耄 “等糕 图1 - 1 铁道信号电子沙盘整体结构示意图 项目建成后可以为学生提供一个直观、易于接受的实验平台， 加深学生对编组站作业流程、编组站调车控制设各、微机联锁控制 系统的认识，促进对理论知识的掌握。同时，科研上，可以对微机 联锁分布式结构、微机联锁可靠性、安全性研究和驼峰综合自动化 醐 登 一醚 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的技术研究提供有效的技术支持。整体规划示意图，如图1 1 所示： 由此可见，铁道信号电子沙盘在整个铁道信号专业教学、实践 环节中能起到重要作用，对它的研究和功能的开发，直接关系到所 开设相关实验的效果。另方面，铁道信号沙盘可以直观、全面的 展示列车或吊车在区间和站场运动过程中，信号机和转辙机之间的 联锁关系，为演示和讲解铁路系统整体运行情况提供非常全面的平 台。所以对它的研究具有非常重要的教学和演示意义。 除此以外，在沙盘上面还可以模拟g p r s ，总线传输，检测等实 验实习项目，受益学科包括测控、通信、计算机专业。所以该沙盘 的建设对西南交通大学峨眉校区计算机与通信工程系整体学科发 展，均有一定促进作用。 1 2 铁道信号电子沙盘发展概况 随着沙盘模型的普及，越来越多的铁路相关企业、单位认识到 铁道信号电子沙盘的重要性，并根据实际情况制作了沙盘。市场上 制作沙盘实力较强的有北京英科、北京万旭达、长沙新时速，他们 所完成的成功案例也非常多，但是这些公司所制作的沙盘以静态模 型居多，部分沙盘上能够具备实现简单联锁关系的能力，可以在沙 盘上运行机车，并通过控制台控制。例如长沙新时速铁路教学设备 公司与中南大学铁道学院共同研制的j d 1 a 型、d s 6 11 型、t y j l i i 型、t y j l t r 9 型、v p i 型等系列车站计算机联锁仿真教学软件，可 为行车人员提供上岗前培训，正常模拟演练及提高非正常情况下接 发列车的全功能演练设备，为行车管理人员提供了解，熟悉计算机 联锁，提高管理水平的理想工具，该仿真软件及沙盘在全国各铁路 局已全面推广，并已很好的运用在西南交通大学、中南大学铁道学 院、大连交通大学、南昌局运输处等高校、车站及车务部门。其中， 中南大学铁道学院运输学院为了适应铁路的快速发展和高速客运专 线的教学培训，改进教学方法，缩短教学周期，提高教学质量，使 学员能尽快熟悉和掌握正常情况下和非正常情况下的接发列车及调 车作业，提高应变能力，与长沙新时速公司共同开发研制成功的仿 真教学系统，如图1 2 所示，它能够完成如下功能： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 微机联锁系统 具有与现场计算机联锁系统的站场显示图形、完全一致的站场 图形模拟显示，学员通过计算机联锁系统进行在正常及非正常情况 下的进路、接发列车、调车作业及各种故障情况下的应急处理等操 作演练，达到提高学员的熟练操作水平和应急处理的目的，通过车 务终端接发调度集中命令，实现集中控制。 2 机车控制系统 通过无线发射装置控制沙盘上的多台机车运行，根据站场的信 号状态来指挥机车的前进、后退、加减速度、停车及模拟列车自动 停车。 3 c t c 车务终端系统 信息采集的功能：自动报点，人工报点和到发点修改的功能： 车次号管理；调度命令的签收和打印；阶段计划的签收和打印：行 车日志管理：现在车管理。 4 c t c 自律机系统 接发调度计划的功能；接发直接操作指令；列车车次追踪功能 运行数据上传功能；发送作业命令给微机联锁仿真系统。 图1 2 长沙新时速公司沙盘模型 蛾眉校区现在所要建设的铁道信号电子沙盘总约面积6 4 m 2 ，初 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 步估算电子沙盘上需要控制的转辙机约4 0 0 个，信号机7 0 0 组，根 据铁道信号专业实验的要求，其中每架转辙机和每组信号机都需要 做到点控，而且能够同时在沙盘上运行多辆机车，同时要对机车进 行定位和控制。该电子沙盘中的某些局部功能在市面上的铁道信号 沙盘上可以看见，例如转辙机的控制、信号机的控制机车运行控制 等。但是如果同时要达到对数量众多的转辙机、信号机进行联锁控 制，以及机车运行调控，国内尚无类似综合性较强的铁道信号沙盘 面世。 1 3 课题主要研究内容及创新点 1 3 1 课题主要研究内容 本课题主要针对西南交通大学峨眉校区铁道信号实训基地中韵 铁道信号电子沙盘整体规划和设计，其中以沙盘整体布局、信号机 通信和控制电路设计、转辙机控制和检测电路设计为主要研究内容。 具体研究工作如下： 1 沙盘整体布局 整个沙盘面积约6 4 m 2 ，沙盘上面所有采用的模型比例均为1 ：8 7 ， 其中需要铺设一个三基三调车场、经过站、会让站，以及桥梁、隧 道等场景。如果像一般车迷做沙盘，想到哪里做到哪里，其后期电 路铺设、控制系统安装都会存在诸多问题。所以，在沙盘整体铺设 前，必须做出完整、详尽的前期规划。 2 信号机通信和控制电路设计 沙盘中信号机数量非常多，而且每个信号机机构内有几个信号 机，每个信号机不仅要求具备按照联锁表进行亮灭的功能，还要求 具备一定频率闪烁的功能。面对众多的信号机特殊的控制和功能要 求，必然涉及到通信总线的选择或设计，以及其相应控制电路，因 此排除了使用市面上现有信号机模型的可能。 3 转辙机控制和检测电路设计 转辙机在p e c o 、百万城等公司都有专卖，但其功能并不适合于 本沙盘的需求。在铁道信号电子沙盘中，要求转辙机能够按照联锁 表进行动作，但由于它涉及到部分机械装置，很可能在实际操作中 出现搬动不到位的情况，例如，铁轨中有异物阻碍道岔搬动，或者 动力装置故障。此时对于列车的运行非常危险，可能出现脱轨的情 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 况，因此对于转辙机来说不仅仅要求可以控制其运作，而且还需要 检测是否到位。 4 模型机车控制 如果要在沙盘上实现列车自动运行控制系统、c t c s 系统等的模 拟，除了对转辙机和信号机能够实现计算机联锁外，必须要对模型 机车运行实现自动控制、定位等功能。因此要求使用一定技术手段 对模型机车能够进行计算机控制。 1 3 2 课题创新点 本课题结合电子技术，将静态的铁道信号沙盘发展成具有一定 智能运作能力的电子沙盘，结合声、光、电、无线等技术，使电子 沙盘具有良好的多媒体效果，达到真实模拟铁路运营模式的目的。 有了该智能平台，诸如列车自动运行控制系统、列调系统、区间自 动控制系统等，都可以编写相应软件，通过对底层硬件的控制，达 到模拟各种铁路系统工作过程的目的。 课题研究中不仅完成了对6 4 m 2 铁道信号电子沙盘的规划，最重 要在于对模拟列车自动控制系统的实现，即对模型机车自动运行控 制，以及数量众多的转辙机和信号机实现计算机联锁控制，甚至转 辙机还具有相应检测电路，使之成为一个闭环系统，便于监测和管 理。对于在沙盘上模拟计算机联锁问题的解决，模型机车自动运行 控制，才能使整个沙盘能够运转起来，是本课题的难点、创新点， 同时也是其它模拟系统接入该沙盘的瓶颈。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章，总体规划及方案分析 铁道信号智能控制模拟系统利用高速铁路行车自动化理念，制 作铁道信号电子沙盘模型，采用铁道信号新技术和列车自动控制技 术，达到多列列车自动运行，驼峰自动化作业的目的。同时沙盘还 需要提供各种接口，为高速铁路控制、运输、管理提供实验和测试 环境。为体现和说明机车在车站、区间中运行情况，必须在沙盘上 设置典型的货站、客运站、会让站、中间站、编组站等典型车站， 加入移频自动闭塞，车站计算机联锁，驼峰自动化调度，调度指挥 管理信息系统等先进技术，使沙盘更逼真于实际的使用环境。 本章将对沙盘功能、台面布局、计算机联锁、机车模型控制方 式进行方案规划和分析。 2 1 沙盘模型静态部分的制作和规划 整个沙盘长2 0 m ，宽3 7 2 m ，因为房间大小的限制需要切除一部 分，如图2 一l 所示，因此总体面积约6 4 m 2 。沙盘整体面积非常大， 而且在上面铺设铁轨模型需要台面较平整，所以考虑到沙盘整体稳 定性和后期台面及沙盘底部进行的电路连接和检修工作较为方便， 在沙盘底部采用钢架作为支撑，表面铺上硬度好，耐潮湿，不易变 形的木工板。 桨 n r 、 c ，、 图2 1 沙盘平面示意图 最终沙盘台面搭建好后，如图2 2 所示，在它上面铺设有一个 经过站和环绕沙盘的一条线路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 2 沙盘台面图 2 1 1 沙盘台面模型介绍和设置 沙盘台面上的模型主要包括铁轨、信号机、道岔、机车、调车 场，以及外观装饰部分的假山、假水、桥梁、隧道、护坡等。主要 模型说明如下： ( 1 ) 铁轨采用p e c o 公司的可弯曲轨系列，型号s l 一1 0 0 ，如图 2 3 所示。这种轨道每根长度9 0 c m ，可以任意弯曲，适合自行制作 沙盘使用。 图2 3p e c o 可弯曲轨实物图 ( 2 ) 信号机外观按照1 ：8 7 实际比例自行开模加工制作，采用橡 胶模具。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 3 ) 道岔全部采用p e c o 公司h o 定形轨道岔及交叉，主要型 号有s t - 2 4 0 、s t 2 4 1 、s t - 2 4 4 、s t 2 4 7 、s t - 2 5 0 。 ( 4 ) 机车根据政造方式和实际沙盘需求购买。 ( 5 ) 转辙机自主研发。 根据沙盘功能需求，在台面上需要设置典型的调车场、货站、 等车站，并且加入车站计算机联锁控制，轨道电路设置，无线控制 系统等先进技术，使沙盘更逼真于实际的使用环境。效果图如图2 - 4 所示： 图2 4 沙盘绘制示意图 每个车站均根据实际车站布局，但由于实际沙盘大小和轨道模 型的限制，局部细节还需要修改。区间根据沙盘实际大小和场地限 制有所变化。整个沙盘面积太大，具体制作时采用每个站分别制作， 最后将所有站台放置到台面上，中间采用弹性弯曲钢轨连接。 2 1 2 沙盘整体布局和功能规划 在对沙盘系统的车站及区问整体控制中，要实现车站计算机联 锁、驼峰自动化，区间列车控制系统的联锁等，系统结构图如图2 - 5 。 具体要求实现功能如下： 1 区间自动闭塞 闭塞就是用信号或凭证，保证列车按照空间间隔制运行的技术 方法。空间间隔制就是前行列车和追踪列车之间必须保持一定距离 的行车方法。从各种不同的角度闭塞可以有各种不同的分类，总的 说可分站间闭塞和自动闭塞两大类。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 雏l ； 厂一曼蒜 口r l 譬 譬 渺 畜6 _ 应 应 答 菩 器 器 i 鐾 磊 应 答 器 图2 - 5 沙盘模型控制系统结构图 站间闭塞就是两站间只能运行一辆列车，其列车的空间间隔为 一个站间。按技术手段和闭塞方法又可分为：电话闭塞、路签闭塞， 路牌闭塞、半自动闭塞、自动站间闭塞。 电话闭塞技规把它作为一种最终的备用闭塞，路签和路牌 闭塞在我国已经淘汰，半自动闭塞就是人工办理闭塞手续，列车凭 信号显示发车后，出站信号机自动关闭的闭塞方法。其特征为：站 间或所间只准走行辆列车；人工办理闭塞手续：人工确认列车完 整到达和人工恢复闭塞。 自动站问闭塞就是在有区间占用捡查的条件下，自动办理闭塞 手续，列车凭信号显示发车后，出站信号机自动关闭的闭塞方法。 其特征为：有区间占用捡查设备；站间或所间区间只准走行一辆列 车；办理发车进路时自动办理闭塞手续；自动确认列车到达和自动 恢复闭塞。 自动闭塞就是根据列车运行及有关闭塞分区状态自动变换信号 显示，而司机凭信号行车的闭塞方法。其特征为：把站间划分为若 干闭塞分区，有分区占用捡查设各，可以凭通过信号机的显示行车， 也可凭机车信号或列车运行控制的车载信号行车；站间能实现列车 嚣芏 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 追踪；办理发车进路时自动办理闭塞手续，自动变换信号显示。 2 行车调度指挥系统( 调度集中、调度监督) 。 建设微机联锁控制系统，包括模拟综合采集机、道岔采集机、 轨道电路采集机以及操作表示计算机，包括：车站计算机联锁，编 组站驼峰控制系统。 3 列车运行控制系统 利用无线通信媒体来代替轨道电路达到车地之间的信息传输， 在此基础构成的列车运行控制系统。该功能在沙盘上模拟实现列车 自动运行控制系统的关键部分之一。 2 2 沙盘动态部分方案分析 静态部分的设计为沙盘搭好了骨架，动态部分的设计使整个沙 盘智能化运作起来，此时才能称为铁道信号电子沙盘。动态部分设 计主要包括信号机控制电路设计、转辙机检测及控制电路设计、通 信总线、机车模型改造，以下分别对各部分进行简要说明和分析。 2 2 1 信号机主要部件选型 在沙盘上采用1 ：8 7 的比例设计，所以信号机体积非常小，如果 信号机光源不足够亮，则会造成观看距离缩短。另一方面，信号机 数量非常多，如果它的光源寿命不够长，势必造成维护工作量非常 大。信号机所发出的光颜色种类较多，需要黄、红、绿、白、紫、 蓝六种颜色。从这三方面考虑，西3 圆头高亮l e d 最适合作为信号机 模型光源的器件。 信号机可以由若干个机构组成，每个机构中有2 5 个光源，每 个信号机最多有7 个光源，每次点亮的颜色和数量，甚至有无闪烁， 需要根据联锁表确定。而且信号机会随着机车运行而不断发生变化。 因此，由以上要求可以看出信号机的控制较为复杂，只有选择合适 单片机和通信总线，才能将众多的信号机统一控制。 综合考虑信号机体积、i o 口资源和性价比等因素，最终选择p i c 公司的p i cl2 f 6 7 5 单片机。虽然该单片机只有6 个i o 口，但在控制 多个l e d 灯显示时可以采用多线扫描的动态显示工作模式，减少i o 口的占用。而且该单片机还有12 8 字节的e e p r o m ，可以用于存放 信号机编号，或其它固定信息的保存。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 2 2 转辙机设计 沙盘中所采用的p e c o 公司道岔配有专用转辙机进行驱动，但 是该转辙机只能通过控制信号驱动道岔在定位和反位之间变化，至 于是否到位并不能进行检测。另一方面，这种转辙机每个需要9 0 元， 如果整个沙盘需要3 0 0 个转辙机，共计花费2 7 万元，远远超过预算。 所以，出于以上两方面考虑，转辙机的驱动、控制和检测硬件电路 全部自制。 转辙机的驱动主要是对线圈进行控制，让其在一定时间内通过 适当大小电流，从而产生磁场吸合铁芯，带动铁芯上的拨杆让道岔 转动。其驱动部分电路并不复杂，但整个沙盘上道岔非常多，如果 道岔中有异物或者转辙机工作时受到干扰，则道岔不一定能到位， 火车在不能安全行驶，所以除驱动电路部分外，还需要做检测电路。 关于转辙机驱动控制部分和硬件检测电路详细介绍见第3 章。 2 2 3 通信总线 对于数量繁多的信号机和转辙机，控制系统的i o 口资源显然不 足以一对一进行操作控制，因此必须借助通信总线系统，对它们进 行管理。 信号机和转辙机与控制核心的数据交换量并不大，主要包括设 备i d 号、设备当前状态信息、控制信息、校验信息等，大约8 1o 个字节。沙盘上，机车运行速度相对控制电路的处理速度非常慢， 因此总线速度并不要求很快，4 8 0 0 b p s 就可以满足需求。控制核心对 信号机和转辙机的控制，采用主从模式，从机与从机之间不要求具 备通信能力。 根据以上对沙盘通信的分析，结合此类常用的总线r s 2 32 、 r s 48 5 、l i n 、c a n 、d c c 等，作简要对比分析，挑选哪种总线形式 更为适合沙盘通信。 由于沙盘通信总线布线不规则性，所以其总长度肯定超过r s 2 3 2 总线所能承受的距离，若采用r s 4 8 5 总线，不仅成本高，而且通信 线路至少需要4 条，增加了布线的难度f 2 】。“c a n ”全称为“c o n t r o l l e i a r e an e t w o r k ”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线 之一。最初c a n 被设计为汽车环境中的微控制器通信，在车载各电 子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。c a n 网络 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 上可以挂接10 0 多个结点，速率高达lm b s 。这使实时控制变得非常 容易。而且硬件的错误检定特性也增加了c a n 的抗电磁干扰能力。 c a n 总线的特点： ( 1 ) 破坏性的基于优先权竞争的总线仲裁。 ( 2 ) 可借助接收滤波的多地址帧传送。 ( 3 ) 具有错误检测与出错帧自动重发功能。 ( 4 ) 数据传送方式可分数据广播式和远程数据请求式。 c a n 总线协议技术成熟，功能丰富，但对于电子沙盘通信总线 来说需要的是结构简单、实用的通信总线，所以c a n 总线也不太适 合。数字命令控制系统简称d c c ，它是用于模型机车控制的通信协 议，其基本规则是制定一个最低标准，使任何厂家生产的译码器都 能对于任何厂家生产的控制系统进行译码并执行操作。基本要求是： 任何接触运行轨道的信号必须遵循统一标准。而在系统中其他地方 的信号：如机车译码器的输出端，或用户输入到控制器时的信号则 由各厂家决定。该协议简单可靠，只需要双线传送，但是它为单向 通信协议，而信号机和转辙机都需要闭环检测，必须和主机能够进 行应答，所以d c c 也不能胜任。 l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 总线于19 9 9 年6 月5 日制定， 是一种低成本的汽车网络，它是现有多种汽车网络在功能上的补充。 l i n 总线的结构非常简单，在系统、设备搭配上也能灵活应用，加上 成本低廉等优势，使其成为的新型低速串行总线标准。它的主要工 作是以c a n 等高速总线的子系统或辅助型网络。在面对到频宽要求 较低、功能简单、实时性要求低的应用范围，如：车身电子组件控 制等方面，若导入l i n 总线，将可有效的减少车上网络线束、降低 成本、提高网络通讯效率及可靠性。另一方面，l i n 总线协议在终端 架构中，可经由主节点来控制或调度所有的总线通讯，这个特点也 能为讯号传输提供足够的延迟时间，使车上系统具有可预测性，这 对车上越来越多传感器是绝对需要的，因此，l i n 总线能够扩张至 16 节点，而且不需要仲裁机制。再者，l i n 总线基于s c i u a r t 资 料格式，采用单一系统主机到多个系统终端模式，总线仅由三根导 线组成( 电源、地线及资料线) ，l i n 总线的驱动接收器规范遵从 i s 0 9l41 标准，且e m i 性能有所提高。l i n 在硬件和软件上保证了 网络节点的互操作性，并可降低e m c 、e m i 等干扰问题。此外，l i n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 也能做作为异步串行接口( u a r t s c i 接口) ；因此，所有徼控制器 都具备l i n 互相通连的硬设备，并在极少的讯号线就能符合i s 0 9141 标准，传输速率甚至可达2 0 k b s 以上，最大总线长度则为4 0 m 。单 主机或个终端模式，无需总线仲裁，在终端节点上也不需石英或陶 瓷振荡器就能实现自同步；保证信号传输的延迟时间；不需要改变 l i n 终端节点的硬件和软件就可以在网络上增加或删除节点等。最 后，l i n 总线标准的规范中更包含：传输协议规范、传输接口、开发 工具接口，及软件程序编制接口，并在l i n 实现规范化后，改善较 为低级车用网络繁杂的状况，还能降低车用电子组件及设备等服务、 生产、开发与往后的维修及维护成本。采用单个主控制器多从设备 通信模式；基于普通u a r t s c i 接口硬件实现，协议简单；网络传 输速率不高，最高可达2 0k b s 。由于l i n 协议的突出特点是协议对 硬件的依赖程度低，可以基于普通单片机的通用串口等硬件资源以 软件方式实现，成本低廉，因此可广泛应用于汽车行业以外的其他 领域，如智能家庭网络内部的数据传输、节点控制等场合。 它的主要特性如下： ( 1 ) 单主机多从机概念； ( 2 ) 使用最小成本的半导体单元( 小型贴片、单片机) ； ( 3 ) 基于普通u a r t s c i 接口的低成本硬件实现，低成本软件 或作为纯状态机： ( 4 ) 从机节点不需要石英或陶瓷谐振器可以实现自同步； ( 5 ) 保证信号传输的延迟时间； ( 6 ) 低成本的单线设备； ( 7 ) 速度高达2 0 k b i t s ： ( 8 ) 可选报文帧长度：2 、4 、8 字节； ( 9 ) 配置灵活； ( 10 ) 数据校验和的安全性； ( 1 1 ) 检测网络中的故障节点。 l i n 总线不要求有c a n 的带宽和多功能性，线驱动器和接收器的 规范遵从i s 0 9141 标准 2 ，而且e m i 性能有所提高。l i n 协议的最新 版本是l i ns p e c i f i c a t i o np a c k a g er e v i s i o n2 。0 ，包括协议规范、节点 诊断配置规范、物理层规范、a p i 规范等几个方面，从硬件配置到 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 节点配置语言都作了详细的规定。根据o s i 参考模型的l i n 分层结构 在图1 1 中显示。物理层定义了信号如何在总线媒体上传输本规范中 定义了物理层的驱动器接收器特性。m a c ( 媒体访问控制) 子层是l i n 协议的核心，它管理从l l c 子层接收到的报文也管理发送到l l c 子层 的报文，m a c 子层由故障界定这个管理实体监控。l l c ( 逻辑链路控 制) 子层涉及报文滤波和恢复管理的功能。 因此，综合控制设备数量、数据传输速度、数据传送量等多方 面因素，采用l i n 总线作为沙盘上的通信总线比较合适。 2 2 4 机车模型改造 基于无线的列车控制系统是铁路运输管理系统信息基础设施的 重要组成部分，是无线通信和列车控制两大学科高度融合发展的结 果，从根本上将基于轨道电路的单向信息传输改变为基于无线的双 向，连续，大容量信息传输。它以数据通信为纽带，以网络发展为 基础，以安全、高效益、高服务质量为根本目标。 在沙盘模拟系统中运用z i g b e e 模块来模拟g s m r 来传输列车控 制信息。利用z i g b e e 网络，地面的无线闭塞中心可以和车载设备进 行双向数据通信。线路上每隔一定距离铺设应答器，r b c 从联锁设 备获得车站联锁信息，通信传输网络一般由光纤环路构成。 在沙盘模拟系统中将信息采集应答器接收模块安装在机车前 部，一直向地面发射高频电磁波，当通过应答器时应答器接收信息， 可以向列车上的接收器发送应答器内部存储的信息。z i g b e e 通信模 块用于在车载子系统和无线闭塞中心之间双向传输信息。车载子系 统的主要功能是，读取应答器的信息，并且利用无线通信车载台和 无线通信模块，通过z i g b e e 网络，把列车相对于应答器的位置信息 发送到电脑中。通过无线通信车载台和无线通信模块，列车接收与 这个应答器位置相关的列车运行许可和线路信息。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 第3 章硬件和通信电路设计 3 1 总体系统框图分析 在沙盘整体功能期望实现车站计算机联锁、驼峰自动化，区间 列车控制系统的联锁，它们实现的基础都要依赖信号机和转辙机的 计算机联锁。因此，