（交通信息工程及控制专业论文）高速铁路列车调度指挥仿真实训系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 高等教育需要通过创新实践教学模式来实现创新型人才的培养，列车调度指 挥技能是铁道运输专业学生必须掌握的专业技能之一。本文通过对高速铁路列车 运行调度过程的详细分析，结合仿真技术在列车运行调度中应用研究的现状，以 列车调度指挥工作为核心，以培养技术应用型管理人才及进行科研活动为目的， 以培养学生的科技创新意识与能力为着力点，构建了高速铁路列车调度指挥仿真 实训系统的框架体系，并对其实现方式进行了研讨。 本文运用系统论、控制论、调度决策理论以及计算机仿真技术、数据库技术、 面向对象程序设计技术等对仿真实训系统进行了分析与设计，以期实现对硬件系 统、运营管理信息系统、列车运行过程仿真系统以及列车调度决策系统的构建、 集成与整合，达到接近于铁路现场实际的仿真实训目的。在此基础上，可以进一 步开展铁路行车领域的理论研究以及仿真系统的研发工作。论文主要内容如下： 1 、对系统硬环境进行需求分析，建立多屏拼接、分屏显示硬件平台； 2 、在运营管理信息系统中采用图形化设计技术，形象、完整展现股道现车 信息；采用模块化内嵌技术实现调度日班计划的计算机辅助编制； 3 、运用面向对象建模技术构建数字化站场、区间图及作业控制系统模型， 运用计算机仿真技术实现基于数字化图的列车运行过程动态仿真； 4 、以列车调度指挥过程为核心内容，采用人机交互技术建立阶段计划人工 编制与调整平台，采用统计报表的方式建立列车调度员调度指挥技能综合评价分 析系统； 5 、对列车调度指挥各种信息源进行分析，采用数据库建模技术对资源进行 整合，在满足调度决策系统对信息需求的同时提高系统数据处理、容错能力以及 可适应性。 高速铁路列车调度指挥仿真实训系统是集成在现代管理、运输调度、信息处 理、计算机科学、系统工程等技术手段基础上的综合半自动化决策实训系统。该 系统实现了调度指挥的人工决策、计划执行的集中控制、信息数据的集成共享、 运营管理的真实高效、作业过程的准确仿真等设计要求。系统的研发对铁路运输 专业人才培养及铁路运输信息化的提高等具有重要意义。 关键词：调度指挥；实训教学；动态仿真；高速铁路；人机交互 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t h i g h e re d u c a t i o nr e a l i z e st h ec u l t i v a t i o no fr e n o n a t i v et a l e n t sb yi r m o v a t i o no n p r a c t i c et e a c h i n gp a t t e m s r a i l w a yt r a i nd i s p a t c h i n gi so n eo ft h ep r o f e s s i o n a ls k i l l s t h a tt h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns t u d e n t sm u s tg r a s p t h i sp a p e r , t h r o u g hd e t a i l e d a n a l y s i so fh i g h s p e e dr a i l w a yt r a i no p e r a t i o nc o n t r o lp r o c e d u r e ，c o m b i n i n gt h e p r e s e n tc o n d i t i o no fs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi nt r a i no p e r a t i o nc o n t r o l ，l e a v i n gt h ec o r e o nt h er a i l w a yt r a i nd i s p a t c h i n g ，w i t ht h ep u r p o s eo fc u l t i v a t i n gt e c h n i c a la p p l y i n g m a n a g e m e n tt a l e n t sa n dc a r r y i n go nt h es c i e n t i f i cr e s e a r c ha c t i v i t y , i no r d e rt o t r a i r m i n gs t u d e n t s s c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a li n n o v a t i o nc o n s c i o u s n e s sa n da b i l i t y , c o n s t r u c t st h ef r a m es y s t e mo fh i g h - s p e e dr a i l w a yt r a i nd i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t i o n s y s t e ma n dh a sd i s c u s s e dt h ew a y o fi t sr e a l i z a t i o n i no r d e rt or e a c ht h eg o a lo ft h es i m u l a t i o ng e t t i n gc l o s et ot h er a i l w a ys p o t ， w h i c hi n c l u d e sr e a l i z i n gt h ec o n s t r u c t i o na n di n t e g r a t i o no ft h eh a r d w a r es y s t e m ， o p e r a t i o nm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，t r a i no p e r a t i o np r o c e s ss i m u l a t i o ns y s t e m a n dt r a i nd i s p a t c h i n gd e c i s i o ns y s t e m ，t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dd e s i g n st h eh i g h s p e e d r a i l w a yt r a i nd i s p a t c h i n gs i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mb ya p p l y i n gt h es y s t e mt h e o r y , c o n t r o lt h e o r y , t r a i nd i s p a t c h i n gd e c i s i o nt h e o r y , c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , d a t a b a s et e c h n o l o g y , o b je c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n ga n ds oo n b a s i n go nt h a t ，i ti s a v a i l a b l et ol a u n c ht h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no fr a i l w a yt r a i no p e r a t i o n s y s t e m t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed e m a n d so f s y s t e m h a r d w a r ee n v i r o m e n ta r e a n a l y s e d ，a n d t h e m u l t i - s c r e e ns t i t c h i n ga n dd i v i - s c r e e nd i s p l a yh a r d w a r ep l a t f o r mi se s t a b l i s h e d ； 2 b ya p p l y i n gt h eg r a p h i c a ld e s i g n i n gt e c h n o l o g yt ot h eo p e r a t i o nm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ，t h et r a c kt r a i ni n f o r m a t i o ni sw h o l l yd i s p l a y e d ；a n db ya p p l y i n g t h em o d u l a re m b e d d e dt e c h n o l o g y , t h ed a i l y - s h i f tp l a na i d e db yc o m p u t e ri sr e a l i z e d ； 3 t h ed i g i t i z i n gy a r d ，s e c t i o ng r a p ha n do p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mm o d e la r e c o n s t r u c t e db ya p p l y i n go b j e c t - o r i e n t e dm o d e l i n gt e c h n o l o g y , a n dt h et r a i no p e r a t i o n p r o c e s sd y n a m i cs i m u l a t i o n b a s e do nd i g i t i z i n g g r a p hi s r e a l i z e db y a p p l y i n g c o m p u t e rs i m u l a t i o n ； 4 t h eh i g h s p e e dr a i l w a yt r a i nd i s p a c h i n gc o u r s ei st h ec o r ec o n t e n to ft h i s p a p e r t h et r a i nd i s p a t c h e rc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na n da n a l y s i ss y s t e mi s c o n s t r u c t e db ya p p l y i n gh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nt e c h n o l o g yt o e s t a b l i s h i n g p l a t f o r mo fw o r k i n go u ts t a g eo p e r a t i n ga n da d j u s t m e n t ；t h ec o m p r e h e n s i v ea p p r a i s a l a n a l y t i c a ls y s t e mo ft r a i nd i s p a t c h e rd e p l o y m e n ta n dc o m m a n ds k i l li sc o n s t r u c t e db y a d o p t i n gs t a t i s t i c a lr e p o r tf o r m 5 d i f f e r e n ti n f o r m a t i o ns o u r c e so ft r a i n d i s p a t c h i n g a r e a n a l y z e ， d a t a b a s e m o d e l i n gt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt oi n t e g r a tt h er e s o u r c e s ，a n dt h es y s t e m s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a d a p t a b i l i t ya n dt h ec a p a b i l i t yo fd a t ap r o c e s s i n ga n df a u l t t o l e r a n c ea r ee n h a n c e d w h i l em e e t i n gt h es t a t i o n sn e e d so fi n f o r m a t i o ni nd i s p a t c h i n gd e c i s i o ns y s t e m h i g h - s p e e dr a i l w a y s t a t i o n d i s p a t c h e rt r a i n i n g s i m u l a t i o n s y s t e m i sa c o m p r e h e n s i v es e m i - a u t o m a t i cd e c i s i o ns y s t e mb a s e do nt h ei n t e g r a t i o no ft e c h n i c a l m e t h o d s ，s u c ha sm o d e mm a n a g e m e n t ，t r a f f i cd i s p a t c h ，i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ， c o m p u t e rs c i e n c ea n ds y s t e m a t i ce n g i n e e r i n g t h i ss y s t e mr e a l i z e st h er e q u e s t so f d e s i g n ，s u c ha st h ea r t i f i c i a ld e c i s i o n , c e n t r a lc o n t r o lo fe x e c u t i n gp l a n i n t e g r a t i o n a n ds h a r i n go fi n f o r m a t i o na n dd a t a ,r e a l i t ya n dh i g he f f i c i e n c yo fi n v e n t o r y m a n a g e m e n ta n de x a c t l ys i m u l a t i o no fo p e r a t i o np r o c e d u r e t h es t u d ya n de x p l o i t m e a n sa1 0 tt ot h ec u l t i v a t i o no fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np r o f e s s i o n a lt a l e n t sa n dt h e e n h a n c e m e n to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i z a t i o n k e y w o r d s ：d i s p a t c h i n g ；p r a c t i c et e a c h i n g ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；h i g h s p e e dr a i l w a y ； h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n 西南交通大学曲南父遗大罕 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 不保密团，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：丑暖 指导老师签名： 同期：a 口阳、卜2 - 5 ，一+ 一。一1 却山 l 同期：g o l o 7 2 3 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： 研制开发了高速铁路列车调度指挥仿真实训系统。 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： 立童纵 一、厂 1 7 t 期：0 pf 矿卜己多 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 根据铁路网中长期发展规划，从2 0 0 5 年开始，我国高速铁路建设工作已 经进入实施阶段l l 】。在高速铁路的规划、设计、建设和运营中存在许多需要解决 的问题，其中的调度系统涉及高速铁路行车计划、运输组织和调度指挥等方面， 是高速铁路建设中的关键核心系统之一。但是，调度系统不同于其他单项系统或 产品，它涉及到运输计划组织、调度指挥、通信信号、牵引供电、动车组等专业， 十分复杂。因此，研究高速铁路调度指挥系统的模式，选择最佳的调度管理方式 将是高速铁路建设与运营管理的关键。 高速铁路的修建将极大提高我国的列车运行速度，释放既有线通过能力，改 变客运能力紧张的局面。为了与我国的国情和路情相适应，我国的高速铁路将采 用高速铁路公司建运合一【2 】的运营管理模式和多种速度列车共线运行的运输组 织模式。列车运行具有高速度、高密度、高正点率和高安全性的要求，同时我国 高速铁路的修建是分段建设、逐渐成网的过程，所以我国高速铁路运输组织和调 度指挥涉及因素多、工作复杂、与既有线有明显的不同且相互间协调难度大【3 1 。 我国高速铁路的建设和运输组织都没有现成的经验和规律可循，且由于高速 铁路的安全性、高速性、连续性等特点，设计人员不可能通过高速列车实际运行 来对各种调度指挥模式进行比选。随着我国高速铁路建设进程的加快，研究开发 高速铁路列车调度指挥仿真系统的需求日益突出。同时，中国高等教育需要加强 实践环节，其中更需要加强教师与学生的实践与创新意识。以实训基地为平台， 创新实践教学模式，把主动实践的理念贯穿在学习的多个环节，在主动实践的过 程中，注重学生质疑力、观察力、协同力、领导力等素质的培养，丰富和发展实 训基地的内涵是培养创新人才的关键之一。此外，铁路运输信息技术及指挥手段 的发展也缺乏新型的培训手段。运用现代仿真技术模拟高速铁路真实运输环境， 建立集教学、培训、职业技能鉴定和技术服务为一体的多功能教育培训中心，以 营造创新的意识和氛围、创新的精神和能力、创新的条件和动力十分必要。 为了在实践性教学、培训手段及科研上有重大突破，本文以高速铁路运输指 挥系统中的重要岗位列车调度员为研究对象，建立高速铁路列车调度指挥仿 真实训系统( 以下简称“仿真实训系统”) 。系统通过对真实列车调度指挥系统进 行仿真，有效确定各项参数，为管理决策和技术决策提供依据；针对具体的阶段 调整计划，通过仿真运行测试计划的合理性，并对调度指挥过程出现的问题快速 研究、解决；对于车站的改扩建方案，通过基于各方案的调度指挥模拟，可计算 各项能力指标，验证方案的合理性；通过参数的设定可产生不同的模拟实训难度 等级，具有广泛的适用范围和较高实用价值。 以该系统为实训平台，以加强实践性教学环节和提高职业技能为着眼点，可 对既有的教学体系逐步进行本质性改造，其中包括对人才培养计划的修订、对理 论教学内容的改造和对实践性教学环节的改进等，形成新的“先校内后校外，先 模拟后实际的实践教学模式；实现高等教育在铁道运输专业人才培养方面的 “三个转变 ，即从以知识传授为中心向以能力培养为中心转变，从培养继承和 使用知识的人才向培养能够发现和创新知识的人才转变，从为当今社会培养人才 向为未来社会培养人才的转变。 同时，以该系统为技术平台，通过对铁路运输生产过程进行系统分析，使得 计算机仿真技术、数据库技术、信联闭技术和运输组织学理论等交叉融合，并且 在仿真实训系统的研发中得到创新性应用，为铁路行车领域理论研究及科研活动 提供了仿真模拟平台，在培养铁路运输专业人才及提高铁路运输信息化等方面具 有重要意义。 1 2 国内外研究现状 随着计算机软硬件技术的发展，数字计算机模拟在铁路规划、设计、管理与 培训领域得到了广泛应用。 国际上，运用计算机模拟方法研究解决的铁路运输问题主要集中在点线能力 协调、列车运行自动控制、路网工作指挥等方面：2 0 世纪7 0 年代美国联邦铁路 局与p e a t ，m a r w i c k & m i t c h e l l ，c o ( p m l & c o ) 公司签约对线路能力与各种影响因 素之间的统计关系的研究；m e l l i t t 等人对快速铁路运输系统运营及供电系统的 研究；c u r y 等人研究了地下铁路系统时刻表的编制及优化问题；c r e m o n i n i 等人 研究了列车自动防护系统的模拟问题；b o o c h 曾将面向目标的规划方法应用于开 发一个大型铁路网络的管理系统；1 9 9 5 年，加拿大国家铁路公司在 c o r p o r a t e s t r a t eg i e s ，i n c ，( c s i ) 的帮助下，开发了铁路分析与交互线路模拟 系统；英国a e a 铁路技术公司研发可以快速、高效地分析列车间隔和线路能力的 铁路模拟系统v i s i o n ：美国研发应用于研究时刻表、列车运行实时调度等方面 的模拟系统l 0 6 s i m ：北美铁路以t p c 为基础研发用于精确模拟任何铁路系统、 任何列车的铁路模拟软件r a i l s i m ；日本交通控制实验室从新干线的交通控制系 统出发，研发可以进行列车运行计算、列车模型对运营的影响分析、延误恢复及 分析、不同通信信号制式的影响分析、多列车运行能力及效果评价等具有通用意 义的铁路模拟系统u t r a s 3 s 】。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始致力于铁路运输系统的模拟研究，初期的研究主 要应用在铁路编组站及列车运行过程计算。1 9 9 3 年，北方交通大学研究推出了 可用于教学培训的铁路列车接发系统；1 9 9 7 年，香港理工大学与北方交通大学 共同致力于基于列车牵引计算的通用列车运行过程模拟系统，并在1 9 9 9 年开始 应用于轨道交通系统的设计工作；2 0 0 1 年，北方交通大学蒋熙、于勇等利用虚 拟现实技术建立了编组站技术作业过程模拟系统，该系统具备了可变的编组站模 拟实验环境、模拟车站信联闭功能、利用控制台操作实现接发车和调车作业、三 维动画的形式实时展现驼峰溜放的真实场景和车组的溜放动态等功能【4 引，但系统 缺少车站调度指挥功能。2 0 0 3 年，西南交通大学研发了用于教学培训的常速铁 路列车调度指挥技能仿真实训系统，实现了计算机仿真技术与铁路技能实训系统 的良好结合。2 0 0 7 年6 月2 9 日铁道部下发关于铁道科学研究院客运专线运营 调度仿真实验室建设的批复文件，批准在铁道科学研究院建设“客运专线运营 调度仿真实验室”，开展客运专线运营调度系统设计、开发、测试和试验工作， 该工程总投资27 4 3 万元，包括：1 个调度指挥中心，1 个客运专线调度所，5 个车站调度，5 套自律分散c t c 系统及相关的联锁、列控数字仿真系统，1 个电 力受控站仿真系统，1 个综合维修调度系统，1 个动车组基地调度系统，1 个乘 务基地调度系统，5 处防灾安全报警信息监测点；该系统采用现代化信息技术装 备，以列车运行指挥为核心，综合集成运输计划、行车指挥、决策支持、安全监 控等功能，可以开展各种形式的仿真试验，而且试验可重复进行，但该实验室至 今还没有建成【1 3 】。 从国内外铁路仿真系统的研究现状可以看到，仿真技术虽然得到了重视，所 开展的研究也取得了一定成果，但由于高速铁路的技术设备复杂，调度指挥工作 不可控因素多，模拟运输工程软、硬环境难度大、技术含量高，迄今为止，仍缺 乏针对高速铁路调度指挥仿真开展的研究，更没有形成适合我国高速铁路调度指 挥技能实训的规模化集成仿真实验环境。本系统结合大量前人所作的工作和取得 的研究成果，在现代仿真实现技术的支撑下，自主探索、先易后难，通过开展大 量基础性研究工作，旨在实现将模拟仿真技术应用在铁路运输专业实验室建设上 的重大突破。 1 3 研究的主要内容 众所周知，高速铁路列车调度指挥是一个有约束的调度组合优化问题，在数 学界和计算机界一直被称为p 难题( n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a lp r o b l e m ，非 确定型的多项式问题) 。但仿真实训系统并不涉及求解n p 问题的智能算法，而 是将学员作为决策支持系统中的“推理机”来完成规定的任务，以简化系统的设 计，达到培养学员列车调度指挥技能的目的。 鉴于此，本文主要研究以下内容： 1 、对高速铁路列车调度指挥工作进行分析，运用系统工程、面向对象研究 等方法建立可程序化的调度指挥仿真体系结构； 2 、对列车调度指挥硬环境进行分析，运用屏幕拼接、分屏显示、边缘融合 等技术建立系统硬环境支撑平台； 3 、对运营管理信息系统进行分析，采用图形化设计技术形象、完整展现列 车运行信息；采用模块化内嵌技术实现日班计划的计算机辅助编制； 4 、对站场、区间的拓扑结构进行分析，通过建立基础数据、基本单元、可 编程算法模型交互式铺画数字化站场、区间图； 5 、对列车运行过程进行分析，运用面向对象建模技术和仿真技术建立作业 控制系统仿真模型，使列车作业过程仿真效果具有真实可信性。 6 、对列车调度指挥原理进行分析，采用人机交互技术建立阶段计划人工编 制与调整平台； 7 、对高速铁路的运输生产指标体系进行分析，采用统计报表的方式建立列 车调度员调度指挥技能综合评价分析系统； 8 、对列车调度指挥各种信息源进行分析，采用数据库建模技术对资源进行 整合，在满足调度决策系统对信息需求的同时提高数据处理能力和系统性能。 9 、对系统的操作安全性进行分析，通过及时纠错、操作提示、条件制约、 建立知识库等机制，提高系统的容错能力及可适应性； 1 0 、对人机交互系统进行分析，运用软件工程思想与方法，实现对运营管理 信息系统、列车运行过程仿真系统、列车调度指挥决策系统等的交互式设计； 1 l 、在软件开发过程中，通过运用快速原型模型实现软件的反馈验证式渐进 开发。 第2 章系统总体规划与设计 系统的总体规划与设计是软件开发的前提和基础，合理的总体结构不仅对整 个系统起着不可缺少的指导作用，更是使系统具有良好性能的根本保证。仿真实 训系统借鉴了以往铁路信息系统建设的成果，同时也针对其中的不足做了大量的 基础性研究工作，是集成在现代管理、运输调度、信息处理、计算机科学、系统 工程等技术手段基础上的综合半自动化决策实训系统。该系统应达到调度指挥的 人工决策、计划执行的集中控制、信息数据的集成共享、列车运行的准确仿真等 设计要求。 2 1 系统设计原则与依据 2 1 1 系统设计原则 系统设计的目标是追求整体最优，在设计时应抓住主导事件，并且按决策需 要对信息进行分类，综合运用各种知识和技术实现最终目标。系统设计的原则可 以保证系统在各个阶段的研发过程中的统一性、连贯性和可更新性，为系统提供 宏观控制点，以一条统一的准绳连接相互独立的各个子系统，保持系统各个部分 之间的稳定，从而使系统研究工作相辅相成，逐步推进。仿真实训系统为实现系 统目标坚持以下几项原则： 1 、适用性原则：系统的设计要满足铁路相关规定及实训的要求，采用各种 灵活方式，提高实训效率和质量，尽量符合现场实际运行环境和功能需求，并具 有很强的应变能力，以适应今后调度指挥系统的发展。 2 、科学先进性原则：系统在设计过程中，应充分利用同类系统的先进经验， 采用先进的系统设计技术、计算机技术，要跟上现代信息技术的高速发展，能不 断完善，灵活扩展，不仅在功能和技术上先进，而且确保系统适应未来技术长远 发展趋势。 3 、整体最优原则：因为列车调度指挥涉及到若干子系统，就要充分利用各 个部分之间的联结，取长补短，使总效果最优。 4 、系统简洁可靠：由于实训对象大多不是专业计算机人员，所以系统应安 全可靠、层次清楚、操作方便、便于管理； 5 、统筹考虑，分步实施：明确阶段计划编制时的可控因素，关键是保证列 车按图正点发车；明确系统设计中的详细表述与概要表述部分，列车运行过程以 动态光带方式表示，动车组管理、设备管理等采用“黑匣子”方式解决；明确学 生与系统在作业上的分工协调。在具体实施中，掌握好系统实现的各个阶段，从 整体框架上打好基础，既能实现当前的功能要求，又能为下一步的发展留有余地， 灵活的安排系统内部结构与功能之间的关系。 6 、通用性原则：通过建立数据字典、通用模块等设计方法，使系统具有较 强的可扩展性，以满足不同高速铁路列调技能实训要求【1 7 1 。 2 1 2 系统设计依据 仿真实训系统的研究、设计和开发完全是以当前的高速铁路调度指挥实际状 况为依据，结合铁路未来信息化的发展方向，综合列车调度多方面的规章制度要 求以及计划管理、行车管理、动车管理、集中监视等功能，从而为系统设计实现 建立坚实的基础。其设计依据主要有以下几项： l 、铁路调度各种规章制度，如铁路技术管理规程、铁路运输调度规则、 铁路行车组织规则、车站行车工作细则等； 2 、列车调度体系结构，调度系统组成、分工与职责范围； 3 、以列车调度员为中心的行车组织关系，各工种工作流程、任务、职责及 其相互关系； 4 、列车调度工作中有关计划和命令的制定、修改和下达程序以及信息处理、 交换关系； 5 、各种物理设备动作的时间、逻辑条件和相应的反馈、表示信息； 6 、列车调度系统功能实现的各种手段，调度员工作层面的现有工作流程和 操作界面，随着铁路信息化发展的新的调度方式、方法、工作界面及环境。 2 2 系统目标分析 仿真实训系统的最终目标是建成一个以高速铁路为背景的设备硬环境及调 度指挥软环境，使学员在理论学习的基础上，综合利用专业理论知识，掌握列车 调度员的调度指挥技能，更好的适应现场需求，达到培养技术应用型人才的目的。 为了便于对高速铁路这一复杂大系统进行分析和研究，采用抽象原理对其 信息处理过程和输入输出实体进行概括和归纳，构造出一个既反映主要目标又 简明扼要的基本目标模型，如图2 1 所示。 ； 建设目标 ! 能力目标 ) 互一 列车开行计划 l 营 计 - - - t 动车组运用计划 l 划 i 乘务员运用计划l 千 系一 系统维护系统 统 - q统计处理系统l 固h场图配置系统i 定 设 _ 道岔仿真 i 人备 一 闭塞分区仿真 i 机 仿 交 真一 联锁关系仿真 l 互 工 系 系 一 信息查询系统 l 统 统 叫 系统维护系统 1 列 一 信号控制系统 l 雹： 匿 _ 1 进路控制系统 i 仃 _ 车站技术作业仿真l 仿 真 _ 列车区ie l j 运行仿真i 子 一 信息查询系统 i 系 统 叫 作业回放系统 i 列 一列车运行基本图 i 垒 调 _ 列车运行控制系统i 度 _ 列车运行监视系统i 决 策_ 1 列车运行调整平台l 子 一 难度设置系统 i 系 统 叫 综台评价系统 l ； 塑塑口 i 亟固 i i i i i 一一r 一一一一一一一一一一一 i l l 匦塑团 i 匹重圆 ；匝叠困 - i i i 一一卜一一一一一 i 匝墅圜 ：口亟圃 ；囫垂圃 ：匹亘圃 ；匝委圃 i 匾堑圃 - - 一一 l ；匪堕圈 i 压垂圃 ：臣匦囹 ；匝垂囹 !l 点线能力协调i li ：= = ! ! ：芝= = i 图2 - 1 系统总体设计目标 项目的研发将围绕总体设计目标，运用系统工程的方法、思想和准则，按照 一定的原则对系统的动态行为在时间序列中进行描述和分析，按照计算机仿真的 步骤对系统进行建模、分析、设计、运行和决策。 2 3 系统总体结构 仿真实训系统是一个建立在由计算机及其网络设备组成的以软件方式实现 的大型仿真系统，其总体框架在硬件和软件层次上是相互独立的，各组成部分形 成以功能封装为主要特征的模块结构，各系统组成部分软硬件结合负责特定功能 的完成和调用，以网络作为系统信息交换的媒体，将各子系统联结成一个协同工 作的有机整体，其系统结构软硬件实现平台如图2 - 2 所示。 软 件 实 现 硬 件 支 持 系统框架分成6 个层次，处于底层的系统硬件是系统实现的基础，系统为软 件实现规定了统一的硬件接口和一致的软件实现平台，系统开发语言与系统网络 管理平台是列车调度仿真系统的实现方法，车站技术作业子系统、列车运行控制 子系统、数据库子系统乃是系统的核心结构组成，列车调度决策系统是系统面向 用户的功能平台和界面，上下层之间相互作用，共同实现仿真目的。 结构化系统分析的基本思想是白顶而下将整个系统划分为若干个子系统，子 系统再划分为若干个模块，然后自上而下逐步设计n2 | 。仿真实训系统以列车调度 员及调度决策所需信息为核心内容，对调度决策、运营管理、计划控制、作业仿 真、统计分析等过程控制分系统进行集成与整合，实现技术站决策、优化、管理、 调度、控制一体化，达到接近于现场实际的仿真实训目的，其仿真基本原理如图 2 3 所示。 骚一 三 图2 - 3 仿真基本原理 其中仿真模型是整个系统的关键，在仿真实训系统中要实现对高速铁路运输 环境的仿真，必须创造在相似性原理基础上的虚拟软硬件支撑平台，实现各种方 式下的调度集中控制。系统围绕计划的编制、修改、调整、下达和实现来组织各 子系统的内部结构和功能，建立一个在可视化条件下的实时仿真体系，从最初的 车站、区间配置图的绘制到图形化操作界面的实现都能以多媒体方式来表现。系 统的输入是系统运行的基础数据，系统通过收集各种原始信息和实时仿真信息辅 助调度员制定实时的列车调度调整计划；系统中间处理过程是针对列车调度计划 和列车实际运行情况之间的偏差以及各相关状态进行合理的随机性调整过程；最 后实现系统仿真的目的，同时输出仿真所得的各种指标和图表。 系统总体结构如图2 4 所示，列车运行调整系统、列车运行控制系统、车站 技术作业仿真系统以过程控制系统为中心相互联动，构成整个仿真实训系统。 车站技术作业仿真系统 过程控制系统 指令解释 央策数据库 图 图2 4 系统总体结构 仿真数据库 圈 列车运行控制系统 在仿真实训系统中，列车调度员的主要任务是进行列车运行调整，组织“按 图行车”。过程控制系统将列车调度员的决策计划解释成可执行指令，经联锁控 制模块操控进路自动办理、信号自行显示，使车站所有的列车进路、闭塞分区的 列车占用自动执行，进而产生车站作业动态及列车运行动态，实现车站技术作业 过程及列车运行过程仿真全面自动化。列车调度员通过数据平台的共享掌控全线 的运输生产数据，通过技术作业过程及列车运行控制仿真平台的信息反馈监控车 站作业及列车运行动态，通过列车运行调整平台的人机交互方式最终实现高速铁 路的列车调度指挥。 从人机交互模式角度看，仿真实训系统包括车站作业动态显示区、列车运行 控制区以及列车调度指挥区等三个交互区域，分别对应用户层次的调度环境仿真 需求、列车运行仿真和车站调度指挥需求，为实现其功能和作用，系统以此为基 点，在设计中分别配备各自的数据库、功能主机、通信服务器和用户接口，并按 照层次关系逐级提升，体现其特殊功能要求，同时以通信道将它们联结成一个整 体，如图2 5 所示。 雾 亘一 逼 信 道 幽2 - 5 人机交互模式 用尸接口 用户接口 用户 用户 第3 章系统硬件设计方案 3 1 总体设计 高速铁路列车调度指挥硬环境包括车站的线路、车场、区间、列流、信联闭 以及其他相关调度基础环境。通过计算机相关技术及仿真理论，其应实现与现场 具有相同属性和功能行为的调度指挥环境，为列车调度指挥技能仿真实训提供基 础环境平台，其功能如下： 1 、在计算机屏幕上以图形方式显示车站、区间信息，包括线路、信号、列 流等； 2 、大屏幕的拼接具有车站布置图动态切换功能，以实现不同环境实训的要 求； 3 、通过屏幕拼接整体显示列车运行计划、列车运行控制等管理系统，为列 车调度指挥动态提供相关信息； 4 、提供列车调度员编制和调整列车运行计划的图形化操作平台； 5 、提供实时显示调度指挥相关信息的信息显示平台； 6 、网络通信稳定、快速、可靠； 7 、具有可拓展以满足系统升级及科研需要的硬件接口； 8 、一套键盘、鼠标即可实现跨主机控制； 9 、硬件配置在满足系统功能的前提下，故障率低、性能高、易维护。 按照系统设计规划及硬环境功能需求，仿真实训硬件系统总体设计如图3 - i 所示，主要包括多屏幕拼接硬件系统、多屏显示硬件系统以及多主机控制硬件系 统。此外，总体设计中还包括实训教学所需的大屏幕投影拼接硬件系统。 系统网络为星型拓扑结构局域网，车站控制机、列调控制机( 兼数据库服务 器) 两台功能主机采用t c p i p 通用网络协议互联，组成一个有机整体，实现系 统仿真的整体功能。 嚣墨 圈3 - 1 崾仆系统总体设计结构削 列车运行监视屏用于对列车运行过程进行动态仿真，即实时展现车站咽喉 区、到发场和砸謦分区等的设备状态以及列流的动态，为列车调度员进行调度指 挥决策提供设备运用、作业进度等信息；列车运行计划显示j 井用于对列车开行方 案( 包括基奉运行线、季节波动运行线、同别波动运行线及团体旅客需求的临时 运行线) 进行管理；列调控制机为列车调度员编制、f 达阶段计划提供了操作平 台，同时为系统管理提供后台支持，列车调度员在列调控制机上对运行线直接进 行操作，包括列车运行变更、硎车进路构成操作等。当需要慢行时调度员直接进 行临时速度控制；车站控制机( 工作站) 用于将列车调度员的调度决策计划分解 细化，产生过程控制系统可识别的计划指令直接动态下达给技术作业过程仿真 系统付诸执行。 32 多屏幕拼接硬件系统设计 高速铁路车站、区间、列车等信息的图形化显示需要应变性较强的多屏幕拼 接硬件系统，在仿真实训系统中，车站信息的显示通过车站控制机来控制，” 台主机控制1 6 台1 7 英寸l c d 硅示器，通过软件可对高速铁路各站运用1 6 1 拼接方案柬动态显示站内、区间数掘信息，方案如图3 2 所示。 图3 - 2 多屏拼接方案设置 在本控制系统中，关键是信号、进路、列流等的实时显示，而这些信号来源 于控制网络，信号进入主机后，由手机内的软件加以处理并实时输出显示到车站、 区图上，基于m a t r o x 技术的g 4 5 0 m m s 多屏显卡配备由四颗芯片组成、体积 最小的图形加速器，可避免信号数据在传递、显示过程中出现延时，大大提高工 作效率。其硬件系统结构如图3 3 所示。 列车运行信息显示屏 幽3 - 3 多屏幕拼接硬件系统鼎构翻 m a t r o x g 4 5 0 m m s 为p c i 接口，具有髓显示输出功能，能以其指定芯片和显 存仝力推动每个显示屏，数字每输出最高分辨率为1 2 8 0 1 0 2 4 ，最大支持4 个 p c i 卡在同一系统中运用，可构建1 6 个l c d 输出的图形工作站。 33 多屏显示硬件系统设计 列车运行计划等信息系统需要多屏实时显示计划变更情况，而多辟扩展正是 不少业图形用户常常用到的技术，更大的显示面积可以有更宽阔的视野，提高 工作效率。m a t r o x t r i p l e h e a d 2 0 0 设备的两个侧面共有4 个d s u b 接口其中一 个为列调控制机的视频输入，另外三个分别为左、中、右的视频输出。内部有专 门的数模转换芯片，并通过c y c l o n e e p i c 6 t 1 4 4 可编程芯片将显卡的输入视频信 号拆分为三个小画面，最后由三个d s u b 接口输出。t r i p l e h e a d 2 g o 支持最高3 8 4 0 x1 0 2 4 的分辨率，这恰好是三台1 9 英寸l c d 显示器分辨率的组合，可以轻松 将三台1 9 英寸l c d 组合成一台4 5 英寸的显示器。m a t r o xt r i p l e h e a d 2 g o 的工 作原理是把自己模拟成一个宽屏显示设各，要求电脑输出相当于三个屏幕宽度的 图像，然后再把视频信号拆分为三个输出画面分别在三个显示器上显示，其工作 原理如图3 - 4 所示。 l 一鬈溢 l 、n d 圈- ， 3 8 4 0 i0 2 4 显示 计算机( 站翌竺型! i 图形处理器t 1 2 8 0 1 0 2 41 2 8 0 10 2 41 2 8 0 1 0 m 图3 - 4 t r i p l e h e a d 2 g o t 作原理 如今的主流笔记本显卡都已经提供了双头输出，可以通过屏幕扩展的方式为 列车运行计划等信息系统提供更大的显示范围( 其多屏显示硬件系统结构如图 3 - 5 所示) ，受训人员可以通过软件设置屏幕扩展( 如图3 - 6 所示) 在多屏显示 环境下，将众多的计划、列车等信息按要求设置( 如