（交通信息工程及控制专业论文）调车监控仿真系统地面设备的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 调车工作是铁路运输生产的重要组成部分，是实现列车编组计划、列车运行图， 加速车辆周转，良好地完成运输任务的重要环节，同时调车作业也是车站运输工作中 涉及面广、技术性强、要求较高而又复杂的工作。 目前，我国的调车作业仍采用人工作业辅助部分半机械化和半自动化的作业方式， 人工完成对各种铁路信号设备状态的判断，缺乏科学有效的手段监控机车的作业情况， 无法避免作业中由于人为因素造成的各种事故，因而开发调车监控系统来实时监视机 车的作业情况，对不符合作业规范和要求的给予警告、报警，并实施自动的故障导向 安全控制措施。 调车监控系统是一个保证站内调车作业安全的控制系统，由地面设备和车载设备 组成。由于在调车作业过程中存在许多不确定因素，调车监控系统对机车初始状态确 定、调车车列位置跟踪、机车走行误差消除及系统控制实时性等关键技术的具体实施 效果需进一步验证。通过建立地面设备的仿真系统，从理论上对地面设备的各个关键 技术进行分析，帮助我们对系统进行改进与完善，提高系统的安全性与可靠性。 本文主要完成调车监控仿真系统地面设备的设计与实现。首先了解调车监控系统 的发展背景及国内外研究现状。其次分析调车监控系统的结构与功能，设计仿真系统 地面设备的结构。再次根据仿真系统地面设备的结构，分析地面设备的功能需求，创 建u m l 用例图；详细设计地面设备的各个功能模块，如系统数据传输、机车定位与跟 踪、多台机车的管理等；创建u m l 时序图，将联锁通信机、地面主机、应答器与车载 设备之间的数据传输按时间顺序进行可视化表示，详细描述用例表达的需求；创建 u m l 活动图，描述用例实例、对象的活动，阐明系统各个用例实现的工作流程，确定 系统的工作流程。最后根据仿真系统地面设备的设计，利用v c + + 编程实现地面设备的 各个功能。 关键词：调车工作；调车监控；仿真；统一建模语言 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 曼曼量曼曼曼曼曼皇鼍曼曼曼曼曼曼皇曼舅舅曼曼曼曼曼舅罾皇曼曼曼曼曼蔓曼! ! 曼曼鼍曼曼曼! 鼍曼曼曼曼曼曼皇曼鼍i i _ i 曼曼曼曼鼍曼曼量曼曼曼皇皇曼曼曼曼曼皇舅舅曼 a b s t r a c t s h u n t i n gw o r ki sa l li m p o r t a n tp a r tf o rr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n i ti sa l le s s e n t i a ll i n kt o f u l f i l lt r a i nm a k e u pp l a n ，t r a i nw o r k i n gd i a g r a m , s p e e du pt h et u r n o v e ro fv e h i c l e sa n d c o m p l e t et r a n s p o r t a t i o nm i s s i o ns p l e n d i d l y a l s oi ti saj o bw h i c hi n v o l v e saw i d er a n g e ， h i g h l yt e c h n o l o g y ，h i g hl e v e la n dc o m p l i c a t i o ni ns h u n t i n g a tp r e s e n t ，s h u n t i n gi no u rc o u n t r ys t i l l a d o p tt h ew a yo fs e m i - m e c h a n i z a t i o na n d s e m i a u t o m a t i z a t i o ni na r t i f i c i a lw o r ka s s i s t i n gp a r t a r t i f i c i a li u d g e m e n tf o rv a r i o u sr a i l w a y s i g n a l l a c k so fs c i e n t i f i ca n de m c i e n tm e t h o dm o n i t o r i n gt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no f l o c o m o t i v e s ot h a ti tw i l ll e a dt ov a r i o u sa c c i d e n t sc a u s e db yh u m a ne l e m e n t si ns h u n t i n g s od e v e l o p i n gs h u n t i n gs u p e r v i s i o ns y s t e mt os u p e r v i s er e a l t i m eo p e r a t i o nc o n d i t i o no f l o c o m o t i v ei sq u i t en e c e s s a r y i tc a nw a r na n da l a mt h eo p e r a t i o nw h i c hi sn o tf i tf o r c r i t e r i o na n di m p l e m e n ts e c u r i t yc o n t r o l l e dm e a s u r e s h u n t i n gs u p e r v i s i o ns y s t e mi sac o n t r o ls y s t e mw h i c hc a ne n s u r ei n s t a t i o ns h u n t i n g s e c u r i t y i t c o n s i s t so fl a n d b a s e d f a c i l i t y a n dv e h i c l e b o n ef a c i l i t y d u et om a n y u n c e r t a i n t i e si nt h es h u n t i n go p e r a t i o np r o c e s s ，i tn e e d sf u r t h e rv a l i d a t ef o rt h ei n i t i a ls t a t u s o fk e yt e c h n i c sf o rv e h i c l e s ，p o s i t i o nt r a c i n go fs h u n t i n gt e a m ，e r r o rc a n c e l l i n go fv e h i c l e m a r c ha n dr e a l t i m es y s t e mc o n t r 0 1 b yb u i l d i n gt h eg r o u n de q u i p m e n ts i m u l a t i o ns y s t e m ， a n a l y z i n gt h ek e yt e c h n i c so ft h eg r o u n de q u i p m e n tt h e o r e t i c a l l y , i tc a nh e l pu st oi m p r o v e 0 1 1 s y s t e ma n di t ss a f e t ya n dr e l i a b i l i t y t l l i se s s a yi s m a i n l yt oc o m p l e t et h ed e s i g na n df u l f i l lo fs h u n t i n gs u p e r v i s i o n l a n d b a s e df a c i l i t i e so fs i m u l a t i o ns y s t e m f i r s t l y , i tw i l li n t r o d u c et h eb a c k g r o u n da n d r e s e a r c h e sa th o m ea n da b r o a do fs h u n t i n gs u p e r v i s i o ns y s t e m s e c o n d l y , i tw i l la n a l y z et h e c o n s t r u c ta n df u n c t i o no fs h u n t i n gs u p e r v i s i o ns y s t e ma n dt h ec o n s t r u c t i o no fd e s i g n i n g s i m u l a t i o ns y s t e ml a n d b a s ：e df a c i l i t i e s t l h j r d l y a c c o r d i n gt ot h ec o n s t r u c t i o no fs i m u l a t i o n s y s t e mi a n d b a s e df a c i l i t i e s t h i se s s a yw i l la n a l y s et h ef u n c t i o nd e m a n d so fl a n df a c i l i t i e s a n db u i l du pu m lu s e c a s ed i a g r a mt om a k ead e t a i l e dd e s i g no fe a c hf u n c t i o nm o u l di n l a n de q u i p m e n t , s u c ha ss y s t e md a t at r a n s m i t , v e h i c l el o c o m o t i o na n dt r a c i n g , m u l t i v e h i c l e s m a n a g e m e n ta n db u i l du pu m ls e q u e n c ed i a g r a mt om a k et h ed a t at r a n s m i to fi n t e r l o c k i n g c o m m u n i c a t i o nm a c h i n e ，l a n dm a i n f r a m ec o m p u t e rr e s p o n d e ra n do n b o a r de q u i p m e n t a u d i b l eb yt i m es e q u e n c ea n dm a k ead e t a i l e dd e s c r i p t i o no fd e m a n df o rt h ec a s e s ，b u i l du p u m l a c t i v i t yd i a g r a mt od e s c r i b et h ea c t i v i t yo fu s i n gc a s ei n s t a n c ea n do b j e c t st oi l l u s t r a t e t h ef u l f i l lo fu s e - c a s ew o r k f l o wa n de n s u r ei t f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no fs i m u l a t i o n s y s t e ml a n de q u i p m e n li tc a nc o m p l e t et h et a s ko ff u l f i l l i n ge a c hf u n c t i o no fl a n de q u i p m e n t b yu s i n gv c + + p r o g r a m k e y w o r d s ：s h u n t i n gw o r k ；s h u n t i n gs u p e r v i s i o n ；s i m u l a t i o n ；u m 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 不保密囱，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：袭无金指导老师签名：i 眵拈 日期：2 o i 0 ：日期：，o f d 占弓 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 调车工作是铁路运输及管理工作中十分重要的环节，实际调车作业过程中存在许 多不确定因素，调车监控系统对调车作业过程中机车初始状态的确定、车列位置跟踪、 系统控制实时性等关键技术的具体实施效果需进一步验证。本文通过建立调车监控系 统地面设备的仿真系统，从理论上对地面设备的各个关键技术进行分析，从而帮助我 们对系统设备进行改进与完善，提高整个系统的安全性与可靠性。 本文主要完成的工作分以下四个部分： ( 1 ) 介绍调车作业的特点及其重要性，阐述调车监控系统的发展背景及当前国内外 的研究现状。 ( 2 ) 分析调车监控系统的结构与功能，了解调车监控系统的工作原理，设计调车监 控仿真系统的总体结构以及仿真系统地面设备的结构。 ( 3 ) 根据仿真系统地面设备的结构，分析地面设备的功能需求，创建u m l 用例图； 详细设计地面设备的各个功能模块，如系统数据传输、机车定位与跟踪、多台机车的 管理等，为仿真系统地面设备各个功能模块的程序实现提供依据；创建u m l 时序图， 将联锁通信机、地面主机、应答器与车载设备之间的数据传输按时间顺序进行可视化 表示，详细描述用例表达的需求；创建u m l 活动图，描述用例实例、对象的活动，阐 明系统各个用例实现的工作流程，确定系统的工作流程。 ( 4 ) 设计软件的总体结构，介绍程序中的数据格式与内容，重点介绍选排进路、模 拟行车、机车位置跟踪、站场信息采集、地面与机车以及应答器与机车之间的数据传 输、系统数据存储与查询功能的实现过程。 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已经发表或撰 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说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：孽嵩舍 日期：2 0 i o fj 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 调车工作概述 第1 章绪论 在铁路运输生产中，除列车运行以外，机车、车辆或机车带动调车车列在站线或 其他线路上( 包括专用线和区间正线) 一切有目的的移动都属于调车【l 】。 调车工作按其设备不同分为牵出线调车和驼峰调车两种【3 j ； 调车作业按调车作业范围分为：站内调车和越出站界调车。 调车按其作业目的不同分为： ( 1 ) 解体调车：是将到达的车列，按车组分解到指定的线路内的作业 ( 2 ) 编组调车：是根据列车编组计划、列车运行图、有关规章制度和特殊要求，将 车辆选编成车列或车组的作业。 ( 3 ) 取送调车：是为装卸货物、检修、洗刷消毒车辆等目的，向指定地点送车或取 回车辆的作业。 ( 4 ) 摘挂调车：是为列车进行补轴、减轴、换挂车组及车辆摘挂等作业 ( 5 ) 其他调车：包括车列转线、整理车场、对货位、机车转线、机车出入段等。 车站由于作业性质不同，完成各种调车工作的比重也不一样。例如，编组站要进 行大量的解体和编组调车，而中间站一般只进行摘挂和取送调车。 作为一项比较复杂而涉及面广的工作，它具有以下特点【4 ，5 】： ( 1 ) 作业地点涉及面广：从调车场到到发线；从调车线到货物线、段管线、岔线：从 牵出线到驼峰；从站内到站外，调车工作几乎涉及到整个铁路线。 ( 2 ) 多种的作业方法：例如牵出线上就涉及到牵出、推送、溜放等多种作业方式， 在驼峰上作业涉及到定速、变速溜放等作业方式。 ( 3 ) 涉及多种作业人员：每次的调车作业参与的工作人员包括：车站调度员、车站值班 员、助理值班员、调车区长、调车长、连结员、调车司机、副司机等。需要各工种工 作人员的协同配合才能保证调车工作的顺利完成。 ( 4 ) 涉及多种作业对象：被调动的包括机车、客车和货车，货车中又有棚、敞、平、 沙、罐等各种车辆。 ( 5 ) 作业效率受多方因素影响：包括调车人员的思想情况及水平、天气情况、站场条 件、车上装载货物的种类等，这些都会对调车效率及作业安全情况造成不同程度的直 接或间接影响。 调车工作作为铁路运输生产的重要组成部分，是实现列车编组计划、列车运行图， 加速车辆周转，质量良好地完成运输任务的重要一环【l 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ! ii 量曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼皇舅曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼 ( 1 ) 调车工作是技术站主要的生产活动 编组站和区段站是铁路编组、解体列车的主要场所，参加调车作业人员众多，业 务量大，调车作业多。调车工作条件艰苦，是行车工种中作业复杂、技术性较强的一 项基础工作，是铁路运输生产过程中的重要环节。 ( 2 ) 调车工作是完成运输工作各项指标的重要保证 从整个运输过程来看，车辆在站内停留时间约占车辆周转时间的7 0 ，安全、高 效地完成调车工作，对完成装卸车任务、缩短车辆停留时间、加速机车车辆周转等各 项指标重要的作用，与实现编组计划与列车运行图有着直接的关系。 ( 3 ) 调车工作是完成铁路客、货运输任务的重要保证 客运站取送客车底，向装卸地点取送、挑选车辆，选编车组及编组列车都是由调 车作业来完成。 ( 4 ) 提高调车效率，保证调车安全是加速机车车辆周转，挖潜提效和降低运输成不 的重要保证。 1 2 调车监控系统提出的必要性 在铁路运输生产中，调车工作需占用大量的人力和物资，所消耗的物资占有较大 的比重。目前，在进行调车作业时，主要是依靠调车员和机车乘务员确认地面信号， 因此，当作业人员操作失误时，容易造成“冲、挤、脱”等事故的发生，对运输安全构 成了严重威胁。调车机车单机进行调车作业或出人库时，司乘人员是嘹望地面调车信 号进行作业，在这种情况下，如果司乘人员嘹望信号错误或一时疏忽，机车冒进信号， 这样就会造成行车事故或重大事故。 随着调车设备的改善，车辆强度的增强，调车人员技术水平的提高，调车作业事 故呈下降趋势，但调车事故总数仍占行车事故总数的8 0 左右。因此开发调车监控系 统，改进调车工作组织，严格执行各项制度，提高调车人员的技术水平，对提高调车 效率、保证调车安全、加速机车车辆周转、扩能挖潜和降低运输成本起着重要的作用。 调车监控系统是计算机集成的控制系统，由地面设备和车载设备组成。系统利用 计算机技术和无线通信技术，实现车地双向通信，能让机车司机充分掌握站场的各种 信息，为机车作业提供实时的安全保证。同时，系统能有效地防止调车作业中冒进信 号和超速造成的事故，保证站内调车作业的安全，还可以通过系统记录的作业数据， 分析事故原因，为安全管理提供依据p j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 调车监控系统的发展背景及研究现状 1 3 1 调车监控系统的发展背景 铁路运输是国民经济的大动脉，是我国总体经济结构中基础产业的重要组成部份， 随着国民经济的飞速发展，各行业对铁路运输能力的要求有了更高的标准。 调车工作是铁路运输及管理工作中十分重要的环节，其基本工作任务是：利用机 车的牵引能力，完成其管辖区间内的铁路资源分配作业及维护作业，是保证铁路运输 安全畅通的重要组成部分。但是，由于我国目前的调车作业仍停留在人工作业辅助部 分半机械化和半自动化设备的作业方式，对各种铁路信号设备状态的判断，仍采用人 工判断的方式，缺乏科学有效的手段监控调车机车作业情况，因而根本无法避免作业 中由于人为因素造成冒进信号的挤岔事故、超速行驶造成的冲突事故和脱线事故，每 年因此造成巨大的经济损失。随着红外轴温测试系统、l k j 9 3 系统获得应用后，铁路 行车事故得到了有效控制，但在站内的调车作业安全问题仍然没有得到很好的解决， 因此铁路站内调车作业安全已成为影响铁路运输的瓶颈，亟待解决。 在铁路现有调车作业系统、作业规范的基础上，建立一套自动调车监控监控系统， 实时将地面信息、调度信息发送到作业司机处和车站控制中心，监视机车的调车作业 情况，对不符合作业规范和要求的情况给予警告、报警，并实施自动的故障导向安全 的控制措施，有效避免事故的发生。 1 3 2 调车监控系统的国内外研究现状 当前，我国采用列车运行监控装置结合机车信号的应用模式，有效解决了列车运 行超速防护问题，但调车作业仍然是影响铁路运输安全的突出薄弱环节。加快研制调 车作业安全监控装备，解决调车作业安全控制问题，已成为铁路部门关注的焦点。 1 9 9 7 年俄罗斯铁路运输自动化科学院等单位研制了“调车机车自动信号系统”，并 在莫斯科、斯维尔德洛夫斯克等铁路局试点运用，该系统通过采集车站电气集中设备 的线路占用和调车进路等信息，输入计算机系统并补充调车限速和站场线路状态等信 息，用无线电台一次向调车机车发送信息，由车载装置自动计算线路上每一个点的允 许速度并在必要情况下实施机车制动，防止越过调车禁行信号1 1 。 2 0 0 1 年后，我国一些单位开始了类似系统的研究。在站场调车信号、道岔、区段占 用等信息采集方面，采取安装专用采集装置或通过微机联锁、检测设备提供的信息； 在调车车列位置跟踪等方面，采用设置应答器、机车越过绝缘节信号检测并结合调车 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 进路和机车测速测距等方法，通过机车监控装置实施对调车速度控制；结合车站t m i s 系统取得调车作业计划，对调车过程机车位置进行“记忆”推算存车地点，实现连挂防 护等，在车地通信上则采用无线数传电台。为“统一标准、统一制式”，铁道部在2 0 0 4 年制定无线调车机车信号和监控系统技术条件并在一些铁路局组织示范性推广， 取得定成效。 2 0 0 9 年1 月9 日，铁道部科技司会同部运输局调度、基础部在兰州召开会议，对兰 州铁路局、卡斯柯信号有限公司、株洲电力机车研究所、北京交通大学科技开发公司 研制的“z d k 型中间站调车监控系统”进行了技术审查。并同意通过技术审查，可以上 道使用。 1 4 研究内容 调车监控仿真系统包括地面设备和车载设备两个部分。地面设备需要完成站场联 锁信息的采集，与车载设备和应答器通信并进行数据传输，地面设备需对站场作业的 机车进行跟踪，完成对机车的安全监控，同时地面还需模拟完成上位机的功能；车载 设备首先需要与应答器通信获得机车位置信息，而后与地面进行通信申请注册，利用 局域网通信技术接收注册号、调车作业单及调车安全防护控制信息。在机车上需显示 机车在站场中的位置、距停车信号机的实际距离、机车实际走行速度、限速运行的速 度、允许信号及停车信号、调车作业单等。 本文主要完成调车监控仿真系统地面设备的设计与实现，地面设备作为调车监控 系统的重要组成部分，主要包括地面控制主机、数传电台、地面应答器以及用于显示、 记录、检测、故障分析的上位机。在仿真系统中需模拟上述各个部分的功能。论文通 过以下四个部分完成对仿真系统地面设备的设计与实现，其中第三、四部分为论文的 重点。 第一部分简要介绍调车作业及其重要性，提出开发调车监控系统的重要性，并阐 述了调车监控系统的发展背景及当前国内外的研究现状。 第二部分分析调车监控系统的结构与功能，了解调车监控系统的工作原理，设计 调车监控仿真系统的总体结构以及仿真系统地面设备的结构。 第三部分完成对调车监控仿真系统地面设备的设计 ( 1 ) 建立地面设备u m l 模型 通过对地面设备的功能需求分析，创建u m l 的用例图，确立地面主机、联锁通 信机、应答器及数据库与各个用例之间的关系，可视化的了解调车监控系统地面设备 的功能； 创建系统u m l 时序图，描述系统各个对象之间按时间的交互过程，详细地描述 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 用例表达的需求，并将其转化为进一步、更加正式层次的精细表达； 最后创建u m l 活动图，描述用例实例、对象的活动，阐明系统各个用例实现的 工作流程，确定系统的工作流程。 ( 2 ) 地面设备中各个功能模块的设计 站场联锁信息采集； 地面设备与车载设备信息交互模式、时序； 应答器与地面、机车的信息交互模式； 机车的定位与跟踪； 机车位置丢失的处理模型； 地面与机车的同步实时显示； 选排进路与模拟行车： 多台机车与地面设备之间的信息交互时序； 多台机车控制信息的发送模式。 第四部分根据第三部分的设计，用v c + + 编程实现地面设备的各个功能模块，并建 立系统数据库，完成在调车作业过程中站场相关数据的存储。 以上第二部分在论文第二章中具体阐述；第三部分在论文第三章中完成；第四部 分在论文第四章中实现。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章调车监控系统 2 1 调车监控系统的结构与功能 2 1 1 调车监控系统的结构 调车监控系统综合了无线通信、计算机、显示和机车控制技术，是c b t c 和a t p 技术在调车作业安全防护方面的应用，由地面设备和车载设备组成。其中地面设备由 地面控制主机、有关接口设备、上位机和电台天线组成；车载设备由车载控制主机和 有关接口电路构成，并与列车运行监控记录装置结合，通过无线传输通道实现调车机 车作业监控。调车监控系统的工作框图如图2 1 所示： 图2 1 调车监控系统工作框图 地面控制设备主要是保证机车接收的控制信息与车站调车信号一致，安全防护调 车机车作业。地面设备受车站电气集中或微机联锁设备控制，并根据调车机车所在位 置及开放的调车信号，通过无线通道向作业的调车机车发送控制命令，在同一个站场 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 往往有多台机车同时工作，为最有效地利用无线频率，系统在同一个车站采用一个无 线频点给多台机车发送控制信息。 机车设备在收到地面发送的控制信息之后，需将机车确切位置、机车走行速度、 机车设备的工作状态等相关信息回执给地面设备，车地之间采用双向传输的方式，可 实现系统闭环控制。机车同时根据收到的控制信息运算出相应的控制命令，控制机车 信号，并通过列车运行监控记录装置对机车速度及停车距离进行控制【l 2 1 。 2 1 2 调车监控系统的功能 调车监控系统满足铁道部运输局运基信号 2 0 0 4 1 7 3 号下发的无线调车机车信号 和监控系统技术条件( 暂行) 的要求。在车站联锁控制区，调车监控系统对站场中进行 的单机调车、车列推进、牵出和连接等作业进行安全防护；在非联锁控制区，系统通 过地面与机车的无线数据传输的控制方式对正在进行调车作业的机车进行安全监控。 系统具体功能从以下5 个方面进行阐述f 1 2 】： ( 1 ) 安全防护 防止调车作业中车列冒进阻挡信号机； 防止调车作业中车列不停车，直接越过站场规定的停车点( 一度停车标、分区点、 站界、手工道岔、脱轨器、专用调车线路的大门等) ； 控制车列在一度停车位前停车、解锁后允许通过和控制车列在尽头线安全距离前 方停车； 防止调车作业时车列越过阻挡信号机和调车作业时运行速度超过线路( 或道岔、 特殊要求) 允许的最高限速； 防止连挂作业时超过连挂作业允许的最高限速。 ( 2 ) 人机交互 整个系统对于机务管理人员、机车乘务人员、电务维修人员及调车人员都有交互 过程，如图2 2 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 鼍量量曼曼曼曼曼曼量曼鼍曼曼舅曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼! 曼皇! ! 鼍曼曼曼曼曼舅! ! i i i 皇曼曼曼曼曼曼曼曼 机车 网 1 人员 1 - j 地面邛弼 匿陉套趣驱 图2 2 人机交互 ( 3 ) 车载显示器和车务终端上实时显示 以站场图形方式实时显示站场调车信号、调车进路、轨道区段占用状况、列车信 号和列车进路； 地面调车机车位置实时跟踪，实时跟踪调车机车在电气集中区中的位置，并在信 号平面监测图上以调机位置图标和占用区段的实时跟踪显示； 实时显示车列前方调车信号、调车限速、实际速度、防护距离和平调信号控制命 令。 ( 4 ) 报警提示功能 通过车载显示器或机车语音箱乘务员发出语音提示、报警音响；通过l k j 2 0 0 0 显示 器发出文字提示信息： 车务值班人员通过键盘或鼠标实现调车作业通知单录入、编辑和向指定机车传送 调车作业单等功能。 ( 5 ) 系统管理 系统采用无线数据传输控制方式，可同时防护多台进行调车作业的机车，并可根 据不同站场要求扩展机车数量； 地面主机、车载主机分别记录保存调车作业过程的实时信息； 2 2 调车监控系统的工作原理 调车机车进入调车作业区时，车载设备通过地面点式应答器确认机车所在位置， 机车通过无线通信把机车车号、机车位置等信息发送给系统的地面设备进行入网注册 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 申请，地面设备接收到申请注册信息后，向该机车发送确认注册信息，为该机车设备 分配注册号，建立安全控制信息通道，系统进入调车监控工作状态。 机车进入监控状态之后，地面控制设备要保证机车接收的地面控制信息与站场开 放的调车信号互锁，实时跟踪正在作业的机车，实现对调车机车作业的安全防护。车 站值班员办理好调车进路后，开放正确的调车信号，由电气集中或计算机联锁设备将 调车作业的控制信息发送给系统的地面控制设备，地面设备收到这些信息之后，根据 调车机车所在的位置及开放的调车信号，通过无线通信向作业的机车发出控制命令， 其中系统控制对象的选择、机车初始位置的确定都是通过地面点式应答器获得，系统 为了最有效的利用无线频点，在同一个站场采用一个无线频点对多台机车进行控制。 正在作业的调车机车设备接收到地面主机发送的信号开放条件、距离前方信号机 或停车点的距离等控制信息之后，运算出相应的控制命令，通过机车已有的列车运行 监控记录装置对机车的速度及停车距离进行控制，同时根据接收到的控制信息，把机 车的确切位置、机车的速度、设备的工作状态等有关信息回送给地面设备，实现系统 的闭环控制【l6 | 。 2 2 1 地面设备的工作原理 地面设备主要由地面主机、地面应答器及上位机等组成，地面设备结构图如图2 3 所示： o i i o i 应答器 地面点 图2 3 调车机车监控系统地面模块结构图 ( 1 ) 站场联锁信息的采集 站场联锁信息的采集是系统通过与计算机联锁系统通信采集的，系统为保证在调 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 车监控系统地面设备出现故障时不影响计算机联锁设备的正常工作，设置了联锁通信 机与计算机联锁设备通信，这样可以将计算机联锁设备与调车监控系统完全隔离，保 证设备做到故障倒向安全。联锁通信机与地面设备采用局域网通信的工作方式，将计 算机联锁系统办理的进路信息、信号开放状态、轨道占用状态及有关道岔的位置发送 到地面设备【2 。 ( 2 ) 控制及记录监测 地面设备设置了上位机与地面主机通过局域网连接，它的主要作用是站场信息的 输入、系统工作的地面记录、系统工作状态的监测及系统故障分析。同时可以利用上 位机来显示站场实时信息，并可查询有关调车作业的历史数据，分析事故的原因【2 1 1 。 ( 3 ) 地面控制主机 地面控制主机与上位机及联锁通信机之间通过局域网连接，地面主机将计算机联 锁系统传来的有关调车进路的状态、信号开放情况和车站调度员输入的调车作业单通 过数据库信息的运算，产生相应的命令信息，通过系统无线数传信道发送到作业的机车， 将机车回执的信息传给上位机显示记录。系统以计算机联锁设备传送来的信息与机车 回执给地面设备的信息为根据，跟踪正在作业的机车。当在站场中有多台机车进行调 车作业时，地面主机发送消息时都会带上注册号，机车根据注册号来有选择的接收信 息，同时地面接收机车的回执信息是以调车机车的机车号为依据，并完成对机车的跟 踪，保证调车作业的安全【2 2 1 。 2 2 2 机车设备工作原理 机车设备由控制主机、点式查询应答器设备、彩色显示器、无线数传电台等组成。 它配以机车已有的列车监控记录装置及平面调车设备，构成调车机车监控记录系统。 ( 1 ) 机车位置的确定 机车设备通过点式应答器、g p s 定位系统及地面设备送出机车位置跟踪的数据，确 定机车的位置，通过无线数传信道接收的调车作业单及调车安全防护条件，确定对机车 采用的安全防护控制方式。 ( 2 ) 车载显示器 机车设备的显示器采用彩色显示器。它的作用是当机车设备进入调车系统控制模 式时，通过图像显示进路及信号的开放情况、车列或机车在站场中的位置、前方调车信 号、距停车信号机或前方停留车辆的实际距离、机车实际走行速度、限速运行的速度、 平面调车信号、调车作业单、设备状态等，给司机以醒目的提示，并根据系统接收的信息， 发出有关的报警【2 2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 2 3 系统无线通信方式 系统通过无线数传电台完成车地之间的通信及信息传输，当在同一站场工作的机 车超过5 台时，车地通信等待时间不应超过2 s 。 机车在进站时，通过地面应答器获得机车的位置信息，机车将机车号、机车的位 置信息发送给地面设备申请注册，地面设备收到机车的入网申请之后，为该机车分配 一个注册号，机车进入监控状态，从而与机车建立无线数传通道，完成对机车的跟踪， 这样可以保证进入车站的机车均能在地面设备的控制范围内【2 2 1 。 ( 1 ) 机车进入站场时，车载设备需要先向地面设备发送入网请求，并等待地面的回 执信息 ( 2 ) 地面设备收到机车入网申请后，给机车分配一个注册号，并将该注册号发送给 入网机车 ( 3 ) 机车接收到地面发送的注腮号之后，机车就进入监控状态，此时地面主机需要 给机车发送控制信息( 包括调车作业单) ，车载设备在接收控制信息时需根据命令代 码判断自己的注册号，正确接收地面发送的控制信息；机车收到控制信息之后需给地 面回执信息，地面设备根据机车的回执信息与计算机联锁设备发送的信息完成对机车 的安全监控。 ( 4 ) 当地面设备收到机车退网的信息时，确认取消分配给该调车机车的注册号，并 不再对该机车发送信息。 2 3 调车监控仿真系统 2 - 3 1 调车监控仿真系统的结构与功能 调车监控仿真系统是对现实调车监控系统各个功能模块的模仿，通过建立调车监 控仿真系统，我们可以更好的理解调车监控系统各个部分的工作方式，并可以从理论 上分析整个系统的好处与不足，从而帮助我们对系统进行改进与完善，提高系统的安 全性与可靠性。调车监控仿真系统包括地面设备与车载设备两个部分，调车监控仿真 系统总体结构如图2 4 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 4 参t 一划刊噼晶叫 k 妙l 葡j 载西离程跨l7 匿。u 添( 联涟甓崽。氏髑馁感? 蠖照望霞廖，癣嚣嚣譬瑟管10 翔 l j 隅 ! 日爵。翅孓刮陂睁 致移【熄豳莰爸聪垮 图2 - 4 调车监控仿真系统总体结构 仿真系统中地面设备需实现从联锁通信机获取站场信息，地面主机给应答器发送 应答器的设置位置与应答器的编号，上位机对系统地面设备的状态进行实时显示并可 以完成对系统的相关操作，同时地面设备通过局域网与车载设备进行通信并完成二者 之间的数据传输。车载设备需实现与地面设备之间的数据传输，接收地面的控制信息 结合列车安全运行监控记录装置完成对机车的安全控制，机车在收到地面信息之后需 给地面回执相关信息，同时需在车载显示器上显示机车的作业情况。本文主要完成调 车监控仿真系统地面设备的设计与实现。 2 3 2 调车监控仿真系统地面设备的结构与功能 调车监控仿真系统地面设备主要包括地面主机、应答器、上位机与数传电台。其 中地面主机即仿真系统地面设备的主程序；应答器为主程序中设置的应答器信息发送 线程；上位机模拟完成计算机联锁系统中上位机一部分功能，如系统界面显示、选排 进路以及在界面上完成相关操作；由于系统采用局域网通信，数传电台只需用网线来 代替。仿真系统地面设备的结构如图2 5 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 地面设备 地面主机上位机 翮 ! = ! c = 三= = = = = l 、 霞i 车载设备 图2 5 仿真系统地面设备的结构 仿真系统地面设备需完成系统各个设备之间的通信及数据传输，并在上位机界面 上完成对仿真系统的实时显示，从而完成地面对机车的安全监控，地面设备需完成的 主要功能如下： 地面设备通过局域网从联锁通信机获取站场联锁信息 地面主机给应答器设备传输站场物理信息 地面设备与车载设备之间通过局域网进行双向数据传输，实现地面设备对机车 的实时监控； 应答器与车载设备之间通过局域网进行数据传输，机车从应答器处获得初始位 置信息； 在上位机界面上完成仿真系统地面设备的实时记录显示、系统各种操作以及作 业数据的查询。 本章小结 本章首先分析调车监控系统的结构与功能，了解调车监控系统的工作原理，然后 设计调车监控仿真系统的总体结构以及仿真系统地面设备的结构。 雨一翮日凰臀 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 1 结构设计 第3 章仿真系统地面设备的设计 通过对调车监控系统的研究，根据调车监控仿真地面设备的构成与所需完成的功 能，设计调车监控仿真系统地面设备的总体框架，通过分析系统主要包括站场信息采 集、数据处理线程( 地面设备与车载设备、应答器的数据交互以及应答器与车载设备之 间的数据交互) 、数据编辑( 调车员输入的数据) 、界面显示以及数据存储五个部分，其 中数据采集模块完成站场信息的采集、数据处理线程完成系统中数据发送与接收功能、 数据编辑主要是调车人员在界面上输入数据、界面显示完成调车监控系统中上位机的 显示功能、数据存储模块用于存储系统作业数据。具体如图3 1 所示： 数 据 处 理 线 程 3 2 总体需求分析 3 2 1 功能需求分析 数据编辑模块 i 区匪圈 图3 1 仿真系统地面设备框架图 地面设备作为调车监控系统的重要组成部分，是保证机车接收的控制信息与车站 调车信号的互锁、实现调车机车作业的安全防护的关键设备。地面设备受车站电气集 中或计算机联锁设备控制，当车站值班员办理好调车进路，开放正确的调车信号之后， 电气集中或计算机联锁设备通过系统设定的联锁通信机将有关调车进路的信息、站场 轨道电路占用状态、调车信号的显示以及道岔状态等信息传输到地面设备，地面在收 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 ii i h i i ! i i o 。a l 皇皇曼曼曼曼 到这些信息之后，以广播的形式连续不间断的发送给机车；同时地面要将站场物理信 息发送到地面应答器，供机车在进入站场作业区时准确获取其所在的位置，为机车申 请入网提供条件；机车入网之后地面需要给机车发送控制信息，机车在收到控制信息 之后需给地面回执相关信息；地面设备还要对机车作业过程中的相关数据进行记录， 为系统的安全管理提供依据。 通过对调车监控仿真系统地面设备的总体功能描述，下面详细分析仿真系统地面 设备各个部分需完成的功能。 ( 1 ) 地面主机需完成的功能 站场联锁信息的采集； 给机车发送站场信息( 广播形式发送) ，所有机车都能收到； 给应答器发送应答器的设置位置与应答器的编号； 机车申请入网后，给机车回执入网申请并分配注册号： 选排进路，在仿真系统中模拟走车； 机车进入监控状态之后，地面需给机车发送控制信息，仿真系统中只发送调车 作业单信息； 模拟行车过程中对机车的跟踪以及前方信号机的实时发送； 站场中有多台机车同时作业时，完成对多机车的统一管理，包括地面与多机车 之间的数据交互时序以及控制信息的发生模式： ( 2 ) 应答器信息传输 接收地面主机发送的数据信息； 完成与车载设备之间的数据传输； ( 3 ) 数据存储 系统工作过程中，需完成对站场联锁信息、调车作业单数据、机车回执数据、系 统所排进路信息、机车的入退网数据的存储。 通过对仿真系统地面设备的功能需求分析，了解到仿真系统地面设备需完成的基 本功能。地面设备要完成这些基本功能，就必须与应答器、车载设备进行数据交互， 同时应答器与车载设备之间也应进行数据交互，并且地面需建立数据库存储系统工作 过程中的作业数据，为更清晰的了解地面主机、应答器、车载设备、数据库之间的数 据交互，创建了地面主机、应答器、车载设备、数据库之间的交互图，具体如图3 2 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 ，一1 ”1 。1 “。 p 。一”“。一+ ”。1 数据库 ! ： 地面主机车载设备 i 机车退网数据接收入网申请 入网申请 发送注册号接收注腮号 臣 一 圈 接收调车 调车作业单发送调车作业单 作业单 l 模拟行车及前方信i1 接收前方信号l 号机的发送r 1机编号 图3 - 2 仿真系统数据交互图 3 。2 2 地面设备u m l 用例图 为了更好的理解仿真系统地面设备的功能需求，本文创建地面设备u m l 用例图， 通过用例图来描述系统功能，从外部用户的角度观察，系统应该完成哪些功能，并以 可视化的方法理解仿真系统地面设备的功能需求【2 3 1 。 根据对系统的功能需求分析，确定系统的参与者主要包括地面主机、应答器、车 载设备和数据库，并根据系统所需完成的基