（机械电子工程专业论文）高速动车组故障仿真训练系统的设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 随着高速动车组的发展及其运营规模的扩大，动车组司机及随车机械师良好 的业务能力、故障处理能力越来越成为列车安全正点运营的保证。高速动车组模 拟驾驶器为培训动车组司机及随车机械师提供了一个全新的平台，尤其是本文研 究的故障仿真训练系统能克服传统培训方式不能实现全故障仿真的不足，因此具 有一定的现实意义和应用价值。 论文在分析高速动车组培训需求的基础上，结合国内外最新的模拟驾驶器研 究成果，建立了基于分布式网络的高速动车组模拟驾驶器及其故障仿真训练系统 的系统架构，并按照功能将故障仿真训练系统划分为服务器、教员机、故障显示 台、故障处理机等模块。在模块划分的基础上，论文研究了各模块的硬件选型及 设计，并就虚拟式和实物式两种故障处理平台的设计与实现进行了详细介绍。 论文利用面向对象思想及u m l 建模工具为各模块的软件进行了详细的建模， 并在v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 开发环境下完成了具体模块的软件编码实现，同时重点从 嵌入式硬件设计、嵌入式操作系统剪裁及嵌入式应用软件设计等各层次说明了基 于嵌入式技术的故障显示台设计。最后，论文介绍了基于模糊综合评判的故障处 理评价算法。 经过实验室环境的调试及仿真试验，本系统已基本实现设计需求，经过进一 步地测试和完善，将能投入动车组基地及培训学校的实际运用。 关键词：高速动车组；模拟驾驶器；故障仿真训练；分布式；u m l 建模；模糊综 合评判 分类号：t p 3 9 1 9 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cm u l t i p l eu n i t ( e m u ) a n dt h ee x p a n s i o no f t h eo p e r a t i o ns c a l e ，p r o f e s s i o n a la b i l i t ya n dt r o u b l e - s h o o t i n gc a p a c i t yo ft h ee m u d r i v e r sa n dm a c h i n i s t sh a v eb e e ni n c r e a s i n g l yr e g a r d e da st h eg u a r a n t e eo ft r a i n s p u n c t u a lo p e r a t i o n an e wt r a i n i n gp l a t f o r mf o re m u d r i v e sa n dm a c h i n i s t sh a sb e e n p r o v i d e db yd r i v i n gs i m u l a t o ro fh i g h s p e e de m u e s p e c i a l l y , t h et r o u b l e s h o o t i n g s i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mi n t r o d u c e di nt h et h e s i sc o u l do v e r c o m et h ei n s u f f i c i e n c yo f s i m u l a t i n gf e wt r o u b l e si nt r a d i t i o n a lt r a i n i n gw a y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c hw a sp r o v e d t ob eo fc e r t a i np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u e o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ed e m a n d so fh i g h s p e e de m u t r a i n i n g ，ad i s t r i b u t e d a r c h i t e c t u r eo ft h e h i g h s p e e de m ud r i v i n gs i m u l a t o ra n d i t s t r o u b l e - s h o o t i n g s i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mw a se s t a b l i s h e dc o m b i n i n gw i t ht h el a t e s td o m e s t i ca n d f o r e i g nr e s e a r c hr e s u l t s a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n s ，t h es y s t e mw a sd i v i d e di n t os e v e r a l m o d u l e ss u c ha ss e r v e rm o d u l e ，t e a c h e rs t a t i o nm o d u l e ，t r o u b l ed i s p l a yc o n s o l em o d u l e a n dt r o u b l e - s h o o t i n gm o d u l e b a s e do nt h ed i v i s i o n , t h es e l e c t i o na n dd e s i g no ft h e v a r i o u sm o d u l e s h a r d w a r ew a ss t u d i e d ，a n dt h eb o t hv i r t u a la n da c t u a lt r o u b l e - s h o o t i n g t r a i n i n gp l a t f o r mw e r ed e s i g n e da n dr e a l i z e di nd e t a i l u s i n go b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d ，t h em o d e lo fs o f t w a r es y s t e mw a sb u i l tp a r t i c u l a r l y w i t ht h eu m l m o d e l i n gt o o l s ，a n dt h es p e c i f i cm o d u l e so fs o f t w a r ew e r er e a l i z e du n d e r t h ei n t e g r a t e dd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n to fv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 e s p e c i a l l y , t h et r o u b l e d i s p l a yc o n s o l ed e s i g nb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e di nt h et h e s i s ； w h i c hi n c l u d e sd e s i g n i n gt h ee m b e d d e dh a r d w a r es y s t e m ，c u s t o m i z i n gt h ee m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e ma n dd e s i g n i n gt h ee m b e d d e da p p l i c a t i o ns o f t w a r e f i n a l l y , t h e t r o u b l e s h o o t i n ge v a l u a t i o na l g o r i t h mw a sp r o p o s e db a s e do nf u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n b yd e b u g g i n ga n dt e s t i n gi nt h el a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t ，t h ed e s i g nd e m a n do ft h e s y s t e mw a sp r o v e dt o b er e a l i z e db a s i c a l l y a f t e rf u r t h e rt e s ta n dc o m p le t i o n ，t h e t r o u b l e - s h o o t i n gs i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mw o u l db eu t i l i z e di nt h ei n s t i t u t e sa n dt h e e m ijm a i n t e n a n c ec e n t e r s k e y w o r d s ：h i ；h s p e e de m u ；d r i v i n gs i m u l a t o r ；t r o u b l e s h o o t i n gs i m u l a t i o n t r a i n i n g ；d i s t r i b u t e d ；u m lm o d e l i n g ；f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n c l a s s n o ：t p 3 9 1 9 独创性卢明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：星苫的签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：趸马匕导师签名 签字日期：年月日签字日期： 年月日 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师余祖俊教授的悉心指导下完成的，余祖俊教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 余老师对我的关心和指导。 史红梅副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向史老师表示衷心的谢意。 朱力强和郭保青老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在 此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，微机测控实验室的同学们对我论文的撰写及 科研工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 1 研究的背景与意义 1 绪论 为推进我国铁路现代化建设，我国铁道部联合各机车车辆工厂推出了系列高 速动车组产品，即命名为c r h ( c h i n ar a i l w a yh i g h s p e e d ) 的系列动车组。动车 组的运营极大地促进了铁道现代化的发展，有效地缩短了铁路旅程所需的时间， 很好地推动了国民经济又好又快的发展。目前高速动车组的运营速度已经达到 3 0 0 k m h ，且发车最小间隔缩短到了5 分钟【1 1 。 动车组的高密度运行对动车组司机和随车机械师的业务素质提出了很高的要 求。目前对动车组司机和随车机械师的培训采用的是理论讲解配合实车操作的方 式，以期通过长期的实际操作经验积累来提高人员的工作能力。这种培训方式耗 时长、花费多，而且动车组是一个高速运动着的载体，故障种类多【2 】( 文献2 中列 出了1 2 6 条常见故障) 、发生频繁，为保证列车的安全正点，就需要工作人员在遇 到路面险情和列车故障时有及时的反应和快速处理能力，而这在实车上进行训练 和试验是非常危险的，有时甚至是很难做到的，此时利用模拟驾驶器是最好的选 择【3 1 。 随着现代科技的发展，人们结合等多学科的知识，利用虚拟现实技术研究并 开发出了能仿真列车真实运行环境的模拟驾驶系统，用于高效、科学地培训司机， 并取得了良好的培训效果。相较于以往的培训方式，模拟驾驶器具有如下优点： 1 ) 安全性好。模拟驾驶器不用运行在真实的道路上，也不用运载任何的乘客， 避免了因操作不当对沿路人员的伤害或是对列车本身设备的损坏。 2 ) 真实度高。模拟驾驶器通过逼真地还原列车驾驶舱的真实环境，配合对窗 外视景的仿真和车体颠簸的仿真，让学员脱离面对枯燥文字的凭空想象，直接面 对自己实际工作环境，从心理上投入到培训中。如果结合地理信息系统系统 ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) ，模拟器能真实地模拟某条具体铁道 线路的路况，做到针对性训练，进一步提高培训的效果。 3 ) 全面的故障处理机会。通过人为设置故障，模拟驾驶器能有效地模拟各种 故障的发生状况，人员不必参与实际行车也能得到对故障进行处理的操练。故障 经验知识库的加入，允许在模拟器中录入真实运营中的故障发生情况，使故障处 理培训更具有针对性。 4 ) 节省培训费用。模拟驾驶器不占用实际道路，不耽误线路上的客货运输。 北京变通人0 乏硕十。何论文 同时模拟器只针对重要的设备进行了还原，对系统的可靠性要求远远低于实车， 其工作消耗很低。据资料显示，在驾驶仿真器上培训司机，一般可节省3 0 的经 费 4 1 。 5 ) 有效把握培训效果。在一个培训阶段结束以后，模拟驾驶器能对学员的处 理操作进行评分并供教员查看。 虽然国内列车驾驶模拟器在铁路各机务段和司机学校的应用已非常普遍，但 针对动车组的列车驾驶仿真器尚还没有，且动车组的电气电子机械结构、故障类 型、驾驶环境较以往的列车有着很大的差异，现有的机车和地铁模拟驾驶器已不 能适应动车组的训练需要，因此开发技术先进、功能结构逼真、性价比高的动车 组模拟驾驶器来进行人员培训，能提高司机和随车机械师的应急故障处理效率， 缩短动车组故障后在线路上的停留时间，减少救援次数，降低事故发生率，具有 很好的现实意义和广阔的市场前景。 1 2 国内外研究现状 随着技术的进步，各国都开始重视模拟驾驶技术的发展，目前市场上已有成 熟的针对地铁车辆和机车的模拟驾驶器。 在国外，美国自上世纪8 0 年代初便开始使用t d a ( t r a i nd y n a m i c a n a l y z e r ) 列车仿真系统培训司机和进行工程分析，至今美国联邦铁路( f r a ) 和各大铁路 公司均在培训中心培训司机。美国铁路向以重载为主，1 9 9 7 年研制成功的 t d s - 4 0 0 0 型交互式货运列车仿真系统就是一种针对重载货运列车的仿真系统。 1 9 8 8 年法国国家铁路( s n c f ) 开始使用列车仿真系统培训司机，收效甚好， 到1 9 9 1 年，法国铁路的列车仿真系统增d n - n3 6 台。最近几年法国的重点是发展 高速列车仿真系统。 在亚洲，韩国、同本等地下铁道普遍采用列车仿真系统培训司机和进行司机 资格考试。韩国在1 9 8 8 年奥运会期间就用列车仿真系统培训地铁司机，而且向法 国购买了全功能地铁仿真系统。近年来，伊朗、印度等国家也丌始采用列车仿真 系统进行司机的培训和考核工作【5 j 。 目自玎国外研究列车模拟驾驶比较典型的生产厂商是法国c o r y s 公司。自1 9 8 9 年以来，该公司的产品被法国、英国、比利时等2 2 个幽家和地区的客户使用。其 模拟器有拷贝型和自动生成型。所谓拷贝型，就是根据实际拍摄的视频录像资料， 建立数字三维图形来模拟实际的线路，其过程复杂费时，但町以较好地模拟各种 天气、信号、复杂的突发事件等，模拟结果比实际拍摄的视频叠加模拟的效果更 显真实。自动生成型是可以根据用户自己的目的设计各种虚拟的线路，培训司机 2 在不同线路条件下的适应性i 圈i - ic o r y s 公司生产的列车模拟驾驶器 f i gl ia t r a i n d r i v i n gs i m u l a t o r p r o d u c e d b v c o r y s 我国机车模拟驾驶器的研究工作起步于2 0 世纪8 0 年代，与国际先进水平相 比，尚有较大差距。目前配备于机务段和司机学校的模拟驾驶器可以仿真、模拟 国内常用的各种主型机车和地铁列车，如韶山系列的电力机车、东风系列的内燃 机车等。 图1 2 传统列车模拟驾驶器结构 f i g1 - 2 a r c h i t 氍t u r e o f t m d i t i o n a l t r a i n d d v i n g s i m u l a t o r 在我国列车模拟驾驶器研究初期，模拟器常采用如图1 2 所示的结构，学员的 操作通过r s 2 3 2 传输给视觉呈现计算机和数据采集计算机，而后视觉呈现计算机 将录好的路况经过速度调节后播放出来。段类列车驾驶仿真器结构简单、易于实 现且成本低廉，在过去得到了较广泛的应用。但这种方式存在着传输速率慢、系 统稳定性差、结构配置不灵活等诸多缺陷，随着科学技术的发展和我国对模拟器 培训方式的重视北京交通大学和西南交通大学等多家科研院所都在积极从事列 车模拟驾驶器的研究，并且朝着网络化，智能化，高仿真度的方向发展。目前已 经丌始研究基于网络的分布式列车模拟器结构，井尝试采用分布武交互仿真 ( d i s t r i b u t e di n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ，简称d i s ) 结构构建多种模拟器共享同存的虚 拟现实环境1 7 1 ，如图l 一3 所示。 北京交通人学硕十学位论文 凹卜3 分布式列车模拟4 ；驶器结构 f i g l3a r c h i t e c t u r eo fd i s t r i b u t e dt r a i nd r i v i n gs i m u l a t o r 而模拟器中最为直观的视景仿真系统则采用实时生成虚拟图像的计算机视景 成像( c o m p u t e r g e n e r a t e dh n a g e ，简称c g i ) 系统和基于m p e g 视频压编技术。 目前我田己研制出多台基于高新技术的列车模拟器，其中北京交通大学在“第八 届铁路现代化装备展”上展出了 3 0 0 k m 时速体验设备”，实现了商逮列车模拟驾 驶中的视景和运行仿真。在2 0 0 9 年的中国( 田际) 轨道变通技术展览会上展出了 最新研制的地铁列车驾驶模拟i j i i 练系统( 图l 一4 所示) ，可以实现针对地铁列车常 见故障和应急情况处理的培训与评估。 目1 4 北京地铁别乍_ | ； 拟4 ；驶器 f i g1 4 t r a i n d r i v i n gs i m u l a t o r f o rb e i j i n g s u b w a y 绪论 1 3 论文主要研究内容 本文以c r h 2 型高速动车组为仿真对象，以现代仿真技术为基础，针对文献2 所列的1 2 6 条常见故障，建立了高速动车组故障仿真训练系统。该系统采用以太 网技术、t c p i p 协议搭建了网络通信环境；采用p c 1 0 4 板卡和w i n d o w sc e 嵌入 式系统、工作站、数据采集卡搭建了硬件环境；采用数据库技术及v i s u a lc + + 、 v i s u a lc 群、组态王等仿真工具搭建了软件仿真环境，并依据多层次模糊综合评判 算法建立了故障处理评价系统。 本文的主要内容如下： 第一章分析研究了当前国内外列车模拟驾驶器的发展现状和所用技术，总结 得到利用模拟驾驶器技术来实现对动车组司乘人员的培训是一种非常经济有效地 方式，尤其是在对动车组故障的训练上，较传统培训方式有着得天独厚的优势。 第二章从软硬件配置和网络结构的角度上，根据系统功能需求，设计了高速 动车组模拟驾驶器及其故障仿真训练系统的整体方案，并进行了试验论证。 第三章完成了服务器及客户端硬件的选型标准及选型结果，并搭建了硬件平 台。其中，还就实物式的故障处理平台进行了设计和实现。 第四章介绍了如何利用面向对象的u m l 语言建模工具为系统软件进行建模， 并利用建立的模型进行软件编码。同时描述了m d 5 加密算法对系统秘密数据的加 密。其中，还就虚拟式的故障处理平台进行了设计和实现。 第五章介绍了w i n d o w sc e 嵌入式操作系统定制及调试的环境及方法。并采用 基于n e tc f 类库的v i s u a lc 撑完成了嵌入式应用软件，用以仿真c r h 2 型动车组 的车载信息显示系统。 第六章根据模糊综合评判算法给出了故障处理操作评价方法，并对其进行了 验证。 第七章介绍了系统的软硬件可靠性设计。 最后对全文进行了总结，并分析了未来的研究工作方向。 北京交通人。：硕十。学f 论丈 2 高速动车组故障仿真训练系统总体设计 模拟驾驶器的实现方式分为全实物、半实物和全软件方式。其中全实物模拟 方式以列车上的实物组成，其优点是连接方式与真车一致，直接明了，缺点是造 价高、培训内容和表现出来的现象不全面、无法实现全部故障设置；全软件方式 则是利用计算机实现所有列车的功能，优点是成本低，易维护，缺点是对计算机 要求比较高，不够直观【8 】。而半实物的方式不但利用了实物操纵模拟装置的优点， 而且克服了部分软件方式存在的缺点，因此采用这种方式来进行模拟驾驶器的开 发最为适合。 2 1 高速动车组模拟驾驶系统总体结构 由于高速动车组运行速度高、监控对象多、列车网络系统传输信息量大等特 点，要求其模拟驾驶器要具有大数据量的传输和快速处理能力，同时系统功能要 易于扩展，因此采用了目前较为先进的分布式网络系统结构 9 1 1 l ，如图2 1 所示。 【垫尊硒叛两率器系统i 晤蒜以太网 匪一 网网廉 a d i 站 | 据库fi 系统 一故障。豳一_ l 车载信息监j ! ! i l 屏卜一 ；故障处理t 工控机 d s p i 交流伺i ；服电机i 一 一一一 六自山度作 动器 图2 1 高速动乍组模拟驾驶系统总体结构 f i g 2 - 1a r c h i t e c t u r eo fd r i v i n gs i m u l a t i o ns y s t e mf o rh i g h s p e e de m u 动车组模拟驾驶器组成可以分为四个模块子系统： 1 ) 动车组运行操控模拟系统。该系统还原动车组驾驶室中手柄、按钮、监视 屏、指示灯等设备，同时将司机对手柄的操作通过牵引计算计算出牵引力或制动 力的变化，再结合当前路况的坡度、弯曲度等条件，最终得到列车车速的变化。 2 ) 动车组视景仿真系统。该系统以汁算机图形学、虚拟现实技术为然础，模 拟从动车组车窗观望的景色。同时能根据接收到的速度变化、紧急情况、头灯丌 闭、雨雪天气等信号改变视景内容。 6 高速动下组故障仿真训练系统总体设计 3 ) 动车组环境模拟仿真系统。该系统利用六自由度运动平台机构，模拟动车 组行进中的颠簸、加速度变化和特殊效果等。 4 ) 动车组故障训练系统。该系统允许通过设置虚拟故障，仿真动车组故障的 发生，根据监视屏( 司机驾驶台) 上给出故障的对应处理方法，并允许学员在故 障处理装置上模拟故障的处理。 其中动车组的视景仿真和环境模拟都是重在仿真人的感官感受，在设计方法 上与以往的列车模拟驾驶器没有太大差别。真正能达到训练操作能力的是运行操 控仿真及故障模拟及处理仿真。下面将详细介绍“高速动车组故障仿真训练系统 。 2 2 高速动车组故障仿真训练系统结构 2 2 1 高速动车组故障处理操作概述 根据铁道部运输局“运装客字 2 0 0 9 1 号”文件要求发布的文献2 ，c r h 2 型 高速动车组的故障类型按故障位置可以分为高压供电系统，牵引制动系统，辅助 供电系统，网络控制系统，供风及制动系统，转向架，空调通风系统，旅客信息 系统，重联解编及救援，车内设施，行车安全装置共1 l 类 1 2 】。当故障发生时，其 故障将显示在嵌在动车组司机驾驶台的监视器上，并伴有报警声响【1 3 】。 表2 - 1 动车组故障常见故障处理 t a b 2 - 1g e n e r a lt r o u b l e s h o o t i n gf o re m u 故障位置故障部位处理方法 运行配电盘制动控制装置n f b ( b c u n )断开_ 再投入 相虑轴端( 红色) 紧急阀紧急制动 配电服务盘紧急短路n f b ( u v r s )闭合 车下速度发电机引出线断开 ( 白色) 供给阀fj修复断线 抱夕匕下轮踏丽状况确认故障显示灯点亮 关车门连锁1o r2b k k 复位 关门1o r2n f b进行测试 空调操作显示部将设备拔卜 故障显示灯降卜受电t j 表2 1 中归纳了动车组故障常见故障处理。故障的处理人分为司机和随车机械 师，司机负责通过车载信息系统监控装置监视列车故障的发生，及时通知随车机 7 北_ i 变通人学侦十。何论文 械师处理故障并在司机室里进行一些基本的故障处理操作，如远程切除设备，v c b 故障应急操作，电源切换，远程复位设备，投入、复位b k k b k k 2 ，关闭车门， 远程切除抱死，远程切除轴温报警，切除空调，复位r s 掣9 1 。 ，t 、 n ，州 。? 。 1 、，。? ，一。y 7 。 壶； 紧急制动 n 图2 2 动乍组故障处理标准流程图 f i g 2 - 2s t a n d a r df l o wc h a r to ft r o u b l e s h o o t i n gf o re m u 动车组故障处理的标准流程如图2 2 所示，随车机械师在接到故障通知后，依 据司机的指示日 往故障位置，如车厢内的运行配电盘、服务配电盘、轴端等，对 具体设备做f 故障处理操作。在随车机械帅处理完以后，通过无线电对话机告知 司机。司机最后根据故障的处理结果末判断是甭继续运行或是否需将情况通知调 度，安排救援。 功， 一 一 成， 绗 y 复 |，l挺 了，姆矗；|，母匪 高速动午纽故障仿真训练系统总体砹计 2 2 2 系统功能及设计方案 依照实际中的高速动车组故障处理操作流程，可以将整个故障模拟训练操作 归结为故障触发、故障监视、机车运行状态操纵、故障处理，故障报告等步骤。 基于这样的操作步骤，按照面向对象思想中的“高内聚，低耦合”的标准，提出 一种适用于高速动车组故障仿真训练的模块化结构模型划分，即系统数据存储模 块，故障触发模块、故障呈现模块和故障处理模块。这样，将意义相近的步骤整 合到一个模块当中，可以实现“高内聚”，从而保证模块内部的元素之间有着紧 密的逻辑联系，便于以后系统的修改和功能完善；而将意义较远的步骤分割为其 他模块，可以实现“低耦合 ，从而保证各个模块独立存在，模块之间采用外部 接口进行交互，不会因为某个模块中的逻辑更改导致其他模块内部逻辑也发生变 动，有利于提高系统的可扩展性。 将系统模型中的各模块具体化，可以建立一个由数据服务器、教员机、故障 显示台、故障处理机四个设备组成的系统软硬件结构方案。其中： 数据服务器用于存储和维护系统所有故障数据、学员培训记录等，在接收到 其他设备的请求时，可以为其提供数据提取和存储服务。 教员机的功能有两个，一是教员设置故障，二是查询并打印学员的故障处理 成绩。其中，考虑到在实际的行车过程中，故障的发生是随机的，同时也存在并 发的可能，因此为了尽可能真实地模拟故障发生，需要依据动车组运营过程中真 实发生的故障率建立故障经验库。故障训练系统依据故障经验库设有随机触发故 障和教员手动触发故障两种方式，每次最多允许同时触发五个故障。 故障显示台是反映列车运行状态的人机界面，可以显示列车的运行时速、各 部位的工作状态、故障状态等，一旦有故障触发，司机可以根据显示屏的内容来 进行故障判断，并及时将故障情况通知给随车机械师处理。 故障处理机是整个系统的核心，具有以下功能：提供故障处理平台；记录学 员故障处理过程；进行操作评分等。为了满足功能需要，故障处理机被设计为由 故障处理主控台和故障处理平台两个部分组成：其中故障处理主控台负责学员的 登录、当前故障处理进度的显示、故障处理的记录等；故障处理平台提供虚拟式 和实物式两种形式t 虚拟式故障处理平台因为只需要一台电脑来运行软件，所有 具有经济、培训方便、空间占用小等优点；而实物式处理环境可以仿真列车设备 的真实形态，因列车设备较多，体积也较大，因此造价高、占地大，但是具有很 高的真实性，可以提高虚拟现实的沉浸感。设计两种形式的故障处理甲台，可以 满足实际培训时的不同需要。 在系统设计和实现阶段用到的软硬件工具如表2 2 所示。 9 北京交通人学硕 j 学何沦文 表2 2 系统所片j 设备及：【：具列表 t a b 2 2l i s to fe q u i p m e n ta n dt o o l sf o r t h es y s t e m 类别上具设备名功能 硬件p c 1 0 4 板膏故障显示台的主控装置 彩色液晶屏 显示故障信息及列下运行信息 触摸屏 提供故障显示台的输入接口 j f ：作站 运行客户端软件 服务器 运行服务端软件 软件组态王6 5 2 模拟用户的虚拟式故障处理操作环境 v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 5 w i n d o w s 程序编程及嵌入式软件编程用集成开 发环境 。 v i s u a lb a s i c6故障处理平台相关程序开发环境 t 】r l l f u np l a t o u m l 软件系统建模j r 具 o r a c l e9 i数据库管理系统 p l a t f o r mb u i l d e rw i n d o w sc e 嵌入式系统开发环境 r a t i o n a lr o b o t 软件性能测试r t 具 2 3 高速动车组故障仿真训练系统网络设计 2 3 1 常见网络拓扑类型及选型 在分析了系统的软硬件结构以后，为了将系统的各个设备有机地连接起来， 以支持设备之间的通信，需要确立系统的网络拓扑结构。网络拓扑结构是指用传 输媒体互连各种设备的物理布局，即用某种方式将网络中的计算机等设备连接起 来。拓扑图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互之i 、日j 的连接，它的结构主 要有星型结构、环型结构、总线结构、分布式结构、树型结构、网状结构、蜂窝 状结构等。 表2 3 中列出了各种结构的优缺点对比。 1 0 高速动下纽故障仿真训练系统总体设计 表2 3 多种网络拓扑结构类型对比 t a b 2 - 3c o m p a r i s o na m o n gk i n d so fn e t w o r kt o p o l o g yt y p e s 结构类型 结构简介 优点缺点 星型结构工作站以星型方式集中控制，具有网络延迟时中心系统必须具有极高的可 连接成网间小、传输误差较低、易于 靠性，中心系统一旦损坏，整 维护和安全等个系统便趋予瘫痪 环行结构单向方式操作，每简化了路径选择的控制；控= 书点过多时，传输速率低，网 个端用户只与两个制软件简单络响应时间长；环路封闭，不 相临的端用户相 便于扩充；可靠性低，一个节 连，信息流在网中点故障将会造成全网瘫痪；对 沿同定方向流动分支节点故障定位较难 总线结构使用同一媒体或电 费用低、数据端用户入网灵 一次仅能一个端用户发送数 缆连接所有端用户活、站点或某个端用户失效 据，其它端用户必须等待到获 的一种方式不影响其它站点或端用户通得发送权；媒体访问获取机制 信 较复杂；维护难，分支节点故 障查找难 分布式结将分布在不同地点具有很高的可靠性；路径选连接线路用电缆长，造价高； 构的计算机通过线路 择最短路径算法降低网上延 网络管理软件复杂 互连起来的一种网迟时间，传输速率高；各个 络形式节点间均可以直接建立数据 链路，信息流程最短；便于 全网范围内的资源共享 树型结构分级的集中控制式通信线路总长度较短，成本除了叶：仃点及其相连的线路 网络较低，节点易于扩充，寻找 外，任一节点或其相连的线路 路径比较方便 故障都会使系统受到影响 网状拓扑网络的每台设备之系统可靠性高，容错能力强不经济，只有每个站点都要频 结构间均有点到点的链繁发送信息时才使用这种方 路连接法 蜂窝拓扑无线局域网中常川无需传输介质，组网方便成本高，传输速率不稳定，系 结构结构。它以无线传统可靠性若 输介质点剑点和多 点传输为特征 在本系统中，数据服务器即是网络拓扑中的网络服务器，教员机、故障显示 台、故障处理机是网络拓扑中的工作站。考虑到未来发展全国性高速动车组模拟 l ：变通人手埘i 卞恤皓史 训练时会有训练器地域分布广的需要，以及高速动车组数据传输量大，需要较高 传输速度的情况，选用分布式网络拓扑结构，叮以符合系统需求。 从软件系统体系结构上考虑，选取c s ( c l i e n t s e r v e r ，客户村u 服务器) 网络 架构，从系统的局域网通信协议标准上考虑，选取目前被广泛使用的i e e e 8 0 2 3 u 协议规定的具有1 0 0 m b p s 传输速率的f a s te t h e m e t 中的1 0 0 b a s e - t x 子类。 1 0 0 b a s e - t x 足一种使用5 类数据级无屏蔽取绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技 术。它使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据。在传输中使用4 b 5 b 编码方式，信号频率为1 2 5 m h z 。符台e i a 5 8 6 的5 类布线标准和i b m 的s p ti 类布线标准。使用同i o b a s e - - t 相同的r 卜一4 5 连接器。它的最大网段长度为1 0 0 米。它支持全敢l 的数据传输。 综合考虑咀上各点设计如图2 - 3 所示的系统网络结构图。 国 虚拟式 敞障处删、r 台 实物z 敞障处理，f 台 虚拟，c 敞障处理、r 台 班物t 放障处雕、f f 州2 - 3 故障仿真训练系统刚络拓扑h f i g2 - 3n e t w o r k t o p o l o g yd i a 鲜a mo f t r o u b l e - s h o o t i n g t r a i n i n gs w k m 在系统中采用的服务器即是s e r v e r 端，而故障显不台、敞障处理机及教员 高速动下组故障仿真训约：系统总体设汁 机即是c l i e n t 端。同时考虑到故障处理机及故障显示台均为学员需要用到的培 训工具，必须保证地域上的一致性和传输速率的快速性，因此采用二级网络将显 示屏与故障处理机进行双击互联并通过网络设备统一接入总网中，同时，虚拟式 故障处理平台和实物式故障处理平台均为记录学员故障处理操作步骤并与故障处 理主控装置通信的设备，因而采用了第三级网络用以进行故障主控机同两种不同 故障处理平台的接口。而服务器及教员机因为其在逻辑上具有独立性，因此可以 采用单机联网的方式。 2 3 2 网络协议选用 o s i 七层参考模型即开放系统互连( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 参考模型。o s i 标准是由国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ，简称i s o ) 组织制定 的。由于这个标准模型的建立，使得各种计算机网络向它靠拢，大大推动了网络 通信的发展。该模型将传输协议在数据通信中的任务分解为一种七层结构，每一 层都将其下面的层遮掩起来，即在上面的层里，下面层次的细节被隐藏起来。这 七层分别为物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 、数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 、网络层( n e t w o r k l a y e r ) 、传输层( t r a n s m i tl a y e r ) 、会话层( s e s s i o nl a y e r ) 、表示层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) 和应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) u 引。 这样分层可以使人们更容易探讨和理解协议的许多细节：在各层间标准化接 口，允许不同的产品只提供各层功能的一部分( 如路由器在一到三层) ，或者只提 供协议功能的一部分；创建更好集成的环境；减少复杂性，允许更容易编程改变 或快速评估；较低的层为较高的层提供服务；把复杂的网络划分成为更容易管理 的层15 1 。 i e e e 8 0 2 3 u 的l a n 标准遵循o s i 参考模型的原则，描述了以太网络三层 物理层和数据链路层的功能以及与网络层的接口服务。以太网体系结构由三个层 次组成：逻辑链路控制( l l c ) 层、介质访问控s o ( m a c ) 层和物理层( p h y ) 。要在以 太网上i f 确传输数据，使用网络协议是必不可少的，而t c p i p 协议则是首选。 应川层 传输层 网络层 数据链路层 f t p 、e m a i l 、t e l n e t 等应用 t c p u d p l p 、i c m p 、i g m p 设备驱动及接lj 板譬 图2 _ 4 t c p d p 协议族 f i g 2 - 4t c p i pp r o t o c o lf a m i l y 北京交通人颂十。何论文 图2 4 显示了t c p i p 协议族构成【l 引，网络协议通常是在不同的协议层上进行 开发，每一层分别负责不同的通信功能。t c p i p 协议族，是一组不同层次上的多 个协议的组合。每一层负责实现不同的功能。 在本系统中，链路层的协议通过具体网络接口芯片硬件及其驱动程序来实现， 网络层的协议在操作系统中由其自身实现，而传输层协议则需要在自编写的应用 程序中实现，且t c p 和u d p 均分为服务端和客户端两种，需要根据具体情况来进 行编程选择。应用层协议是基于网络的封装好的业务应用，由于本系统只需要利 用以太网进行基本的数据传输，因此此层协议没有使用。 1 4 高速动下细故障仿真训练系统硬什殴计 3 高速动车组故障仿真训练系统硬件设计 经过第2 章中高速动车组故障仿真训练系统的总体结构设计，可以确定系统 包括服务器、教员机、故障显示台、故障处理机四大模块。下面将逐一分析并设 计各模块的硬件。 3 1 服务器及客户机选型 服务器负责的是整个系统的数据交换和存储，需要经常与客户端进行通信， 因此必须较大的通信数据吞吐量和通信速率，因此可以选用专业的服务器来完成 工作，在本系统中选用了i b m 公司出品的，型号为x 3 8 5 0 的机架式服务器，其装 备了i n t e lx e o n 至强c p u ，4 g 带e c c 校验的d d r 2 内存和容量为2 1 4 6 g 的s a s 硬盘，可以满足数据快速处理及存储高可靠的要求。 教员机和故障处理机的主控台是为了达到故障训练的目的而专门设立的设 备，不属于真实列车的组成设备，分别用于同教员和学员进行人机交互，重在提 供一个友好的人机界面，对网络能力要求不高，但需要提供为教员和学员所熟悉 的操作平台，因此可以选择和普通p c 操作相同的工作站来搭建硬件平台。在本系 统中，选择了联想公司出品的型号为s 1 0 6 4 8 3d 4 7 工作站，运行的是w i n d o w sx p 操作系统。 3 2 故障显示台硬件设计 在实际的c r h 2 型动车组列车中引用了车载信息装置和自诊断技术，该系统 由列车信息中央装置和列车信息终端装置构成，同时还有监控显示器及显示控制 装置、车内信息显示器、l c 读卡器等附属设施。司乘人员可通过触摸车载信息系 统的显示器，来实现控制指令的传送、了解车辆实时运行状态。 司机室和乘务员室的两种显示器分别针对司机和乘务员的职能设置了不同的 权限f 1 。7 1 。头尾车的4 台显示器能查询显示车辆上各种状态的信息并执行司机部分 操作命令，可以查看列车行驶状态、车辆信息、出库信息、制动信息、电源电压、 配电盘信息、车门状态及车次设定等3 8 项功她r j g ；乘务员室的显示器只显示和执行 乘务人贝相关信息，用以查看车门信息、空调状态、实现对服务设旋、广告显示、 空调模式等项目的设定等2 l 项功能。图3 1 所示为乘务员室罩的车载信息显示器。 陴到 匕。露l 幽3 - 11 ：载信息显示器 f i g3 - 1t m i n - c a r r i e di n f o r m a t i o nm o n i t o r 当运行中出现故障时各台显示器都能刊步显示故障的信息及相应的处理方 案。图3 - 2 为文献1 7 中c r h 2 型动车组故