地铁车站微机联锁仿真培训系统的设计.pdf

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 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a nr a i lt r a n s p o r t ，t r a i n i n gf o rq u a l i f i e dp r o f e s s i o n a l s b e c o m e sa nu r g e n tp r o b l e m t oe a s et h ep r e s s u r eo ft h es u b w a ys t a t i o nf o rt r a i n i n gt h e s t a t i o na t t e n d a n ta n dt r a i nh i g hq u a l i t yp r o f e s s i o n a l s ，w eh a v ed e v e l o p e d as i m u l a t i o n t r a i n i n gs y s t e mu s e df o rs t a t i o na t t e n d a n t t h r o u g ht h eo w n e r s h i pc o n v e r s i o na m o n gt h e t r a f f i cc o n t r o ls y s t e m s ，s c h e d u l i n gs y s t e m sa n de n v i r o n m e n t a lc o n t r o ls y s t e m s , t h i ss y s t e m c a i la c h i e v et h ec o n t r o lf u n c t i o nf o ra l lt h es t a t i o no p e r a t i o n c o m b i n e dw i t ht h et e c h n o l o g yo fm i c r o c o m p u t e r - b a s e di n t e r l o c k i n g a n dt l l e c h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r l o c k i n ge q u i p m e n tu s e di nc h e n g d um e t r ol i n e ，t h i s t h e s i sm a i n l y i n l 阳d u c e dt 1 1 ed e s i g n , d e v e l o p m e n t a n d i m p l e m e n t a t i o n o fm i c r o c o m p u t e r 。b a s e d i n t e r l o c k i n gs u b s y s t e mw h i c h i su s e di ns i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mu s e df o rs t a t i o na t t e n d a n t t h em i c r o c o m p u t e r b a s e di n t e r l o c k i n gs y s t e m i sas i g n a lc o n t r o ls y s t e mu s e di b r g u a r a n t e e i n gt h er o a ds a f e t ya n di m p r o v i n gt r a n s p o r te f f i c i e n c y t h r o u g ht h ea n a l y s i st ot h e s y s t e mr e q u i r e m e n t s ，t h i ss y s t e mu s e sc sm o d e la st h es t r u c t u r a lm o d e l ，w h i c h i sd i v i d e d i n t ot h r e ep a r t s u s e ri n t e r f a c e ，b u s i n e s sl o g i cp r o c e s s i n g ( i n t e r l o c kl o g i cc a l c u l a t i o n ) a n d t h ed a t al a y e r ( d a t a b a s e b a s e dd a t a ) t h eb u s i n e s sl o g i cp r o c e s s i n gl a y e ru s e s f u n c t i o n a l m o d u l a rd e s i g nm e t h o dt oa c h i e v ev a r i o u sf u n c t i o n so ft h em i c r o c o m p u t e ri n t e r l o c k i n g s v s t e m t h r o u g ht h ea n a l y s i st ot h ev a r i o u si n t e r l o c k i n gf u n c t i o n s ，t h ed a t al a y e r i sd e s i g n e d 、 ，i mt w ol d n d so fd a t as t r u c t u r e sw h i c ha r es t a t i cd a t aa n dd y n a m i cd a t a f i n a l l yt h i st h e s i s c o m p l e t e st h ei n t r o d u c t i o nt ot h ec o m m a n dp r o c e s s i n go f t h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n dt h e i m p l e m e n to ft h ei n t e r l o c k i n gs u b s y s t e m ，m a i n l yi n c l u d i n g ：p r o c e s s i n g t ot h eo p e r a t i o n c o m m a n do fi n s 仃u c t o r sa n ds t u d e n t s ，t h ei n p u t ，l o g i cc a l c u l a t i o na n do u t p u tm o d u l eo f i n t e r l o c k i n gs u b s y s t e m t h es i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mu s e df o rs t a t i o na t t e n d a n tp r o p o s e di nt h i st h e s i sw i l l h e l ps t u d e n t se x p e r i e n c et h ed a i l yw o r kr e s p o n s i b i l i t i e sa n dw o r kp r o c e s s e so f t h es t a t i o n a t t e n d a n t t h i ss y s t e mc a ns i m u l a t et h ee x c e p t i o n a lc o n d i t i o n sl i k ea l lk i n d so fe m e r g e n c i e s ， n o n n o r m a ld r i v i n ga n ds oo n ，b e i n ga b l et oc u l t i v a t et h es t u d e n t s a b i l i t yo fd e a l i n gw i t h r a n d o ms p e c i a ls i t u a t i o n s k e yw o r d s ：s q ld a t a b a s e ；s i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e m ；c o m p u t e ri n t e r l o c k i n g ； c ，sa r c h i t e c t u r e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 第1 章绪论 本章主要介绍本课题的研究背景和地铁车站微机联锁仿真培训系统的意义，以及国 内外发展现状，进一步阐述了系统设计思路及实现方法，并且说明了论文的研究内容。 1 1 课题研究背景及意义 随着中国铁路的快速发展，为了提高铁路的运输效率和安全性，各铁路运营单位 引进了先进的以计算机为操作平台的计算机连锁设备，在一定程度上缓解了铁路运营 的压力【1 1 。但是由于车务操作人员长时间采用传统的6 5 0 2 控制台的作业操作方式【2 引， 普遍存在着不能很快适应新技术的要求等问题，加之有些车务人员对微机联锁设备的 先进性和可靠性不甚了解，存在不顺手、不放心的心理；而新入职的车务操作员，对 车务作业流程和操作方法缺少经验，又不能直接到实际控制台上进行演练。因此，如 何高效安全地培训新老车务操作人员，使之能够快速掌握先进计算机连锁设备的操作 技能并且改变既有错误观念已成为车务操作人员培训教育亟待解决的问题【2 】。 在日常生活中，安全正点是城市轨道交通的优势所在，同时也是调度指挥系统的 工作目标。而安全正点运营的三大要素有：轨道交通各个系统与设备的可靠性、运营 过程的安全性以及处理事故和故障的及时性。其中人员、设备与环境是调度指挥系统 面对的三大要素。如何提高运营相关人员的应急处理能力，减轻紧急情况下调度人员、 车站人员的工作压力，同时避免发生不必要的操作是城市轨道交通所要解决的主要问 题，同样也是城市轨道交通运营仿真培训系统设计开发的出发点和目标。 所以设计一套地铁车站微机联锁仿真培训系统可逼真的模拟正常运营场景和模拟 各种非正常工况。地铁车站微机联锁仿真培训系统可尽可能真实的模拟相关人员的工 作台，仿真信号设备的各种功能，有助于学员体验日常工作流程，可模拟各种突发事 件、非正常行车等异常情况，让学员在近乎实际的工作环境下接受锻炼与考验，使学 员从心理与职业技能培训两方面感受并体验各种可能情况，培养学员随机应对、处理 特殊情况的能力，将各种异常现象( 或事故) 造成的损失降低到最小程度。 本系统在原有的讲解教学经验的基础上采用先进的计算机辅助教学手段，增强受 训人员的学习欲望，开拓受训人员的主动学习的主观能动性，不但能够提高培训效率， 而且可以显著提高培训质量。 本系统还可实现与虚拟车、电调、环调和模拟驾驶器进行联合培训。 1 2 国内外发展现状 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 目前，我国采用的车务人员培训主要有师傅传帮带、课堂集中讲授和借助仿真系 统这三种。 师傅传帮带是一较种传统的培训方式，需要的培i j i i 时间长而且技术提升小。课堂 集中讲授是一种理论提升比较快但是实际经验缺乏的培训方式；借助仿真系统既可以 有效的提高理论基础又可以在实践培训中积累实际操作经验，是目前一种比较有效的 培训方法。 系统仿真技术在各种系统分析与结果推算等方面存在着明显优势【3 1 ，利用系统仿真 技术能够逼真的完成人机界面的显示，能够模拟各种真实的工况环境，可以让学员感 受到真实的工作环境氛围，增强受i j i l 人员的学习欲望。利用仿真技术的研究已经在行 车调度、行车安全、人员培训等多个方面取得了丰富的研究成果。 在地铁调度人员的培训方面，发达国家和地区如欧美各国及日本、韩国、台湾和 香港地区等已经利用系统仿真技术成功的开发出了相关仿真培i j i i 系统，为地铁从业人 员提供职业培训所需的实作训练。例如香港地铁，依靠其先进的培训设备，在经营管 理、运行安全性、运营服务等方面取得了优异的成绩，被称为全球经营管理最为成功、 运行安全性最强、服务标准最高的地铁公司。但是其培训系统仍然存在着各个培训子 系统之间没有相对有效的联系方式的缺点。 在利用仿真设备进行职业技能培训方面，国内越来越多的行业开始加大对其研究 和应用的投入，但是总体还处于初级探索阶段。城市轨道交通的调度仿真培训系统己 - 、有应用的案例，如深圳地铁和广州地铁等，但尚无完整的综合运营仿真培训系统。 国内铁路领域( 朔黄铁路公司) 已经首次实现了行车调度指挥仿真培训系统、车站 值班员作业仿真培训系统与列车驾驶模拟器联合培训。 1 3 课题来源及论文研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于所在实习某公司地铁综合运营仿真培训系统研发项目下的成 都地铁司机及车站值班员模拟培训系统子项目，笔者在整个项目中主要负责车站值 班员模拟培训系统这一部分。由于以前公司曾做过深圳地铁运营综合仿真培训系统 研究报告，该报告主要分析了整条地铁运营线路中虚拟车、行调、电调、环调、车站 值班员等各个部分之间的关联关系，并且对其可仿真实现性作出了可行性评估，所以 在一些系统可行性分析上借鉴了一些深圳项目组成员的调研成果。 地铁车站微机联锁仿真培训系统是为了给学员提供一个可以逼真于实际工作中的 操作平台，通过学习培训来提高学员的常规操作技能和积累应急处理经验。所以在本 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 系统中所使用的线路数据是成都地铁一号线的真实数据，微机联锁的功能也是根据成 都地铁一号线的信号系统设计的。 1 3 2 论文研究内容 本文的主要研究微机联锁子系统以及培训系统所相关的课程、训练和评价等内容。 在研究工作中，本人的主要研究工作如下： 1 针对地铁车站微机联锁仿真培训系统，分析了深圳地铁运营综合仿真培训系 统研究报告，通过到成都地铁调研了解到车站值班员的工作职责，根据成都地铁提供 的( c d l i操作手册分析功能需求，并对其进行模型描述； 2 ) 对_ 深a t 圳s 地铁采用的西门子信号系统和成都地铁采用的安萨尔多信号系统进行了 详细的分析比较，为联锁子系统实现公用化提供理论基础。 3 ) 学习了微机机联锁技术，并且认真分析了c d l l - a t s 操作手册的各种操作过 程及各设备的改变状态。根据具体的操作流程分析出来的动态变量和成都地铁提供的 联锁表进行数据模型分析，建立合理的数据结构；并采用s q ls e r v e r2 0 0 5 数据库进 行数据库设计； 4 ) 使用存储过程来避免在程序运算中对数据库中底层数据的改变，并且通过使用 加密电子狗来保护访问系统程序和访问数据库的安全性。 5 ) 结合需求分析建立系统体系结构，进行了详细的功能模块设计，并编程实现， 主要工作有：用户操作命令、故障设置和微机联锁子系统。 1 4 论文内容安排 本课题主要从系统需求、总体设计以及实现及应用这几方面来介绍。具体安排如 下： 第一章，主要介绍本课题所在领域的国内外现状、课题来源及研究意义。 第二章，主要从计算机联锁技术和培训系统两方便对本系统进行需求分析。 第三章，通过需求分析来设计整个系统框架，并对各个子系统的功能模块进行设 计。 第四章，主要介绍本系统中所用到的数据结构设计及数据库的设计与实现。 第五章，主要介绍本系统的应用及测试效果。通过界面来展示系统实现结果，通 过操作实例来体现微机联锁子系统的测试效果及应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 - - 一i i 一 第2 章系统的需求分析 本章主要是通过对信号系统设备的操作流程和操作内容来分析该仿真系统的联锁 功能需求。根据培训系统的意义从教员和学员两类用户的角度来分析用户需求。 2 1 系统功能需求概述 地铁车站微机联锁仿真培训系统的设计出发点是模拟真实的现场操作平台，仿真联 锁设备的功能【2 。所以主要从联锁功能和培训功能的两个角度来进行基本需求分析。 联锁逻辑运算为整个培训系统提供了一个操作准则n 1 。联锁逻辑运算主要对各种设 备之间的关联性进行相关逻辑运算，是整个培训系统中的关键部分。由于地铁车站微 机联锁仿真培训系统是一个以人机界面为主的操作系统，所以该模块必须有输入输出 子模块，并且需要相互协商来确定所传输数据的意义，以便进行教员、联锁和学员三 者之间的数据信息交互。 教员是整个培训过程中的组织者，教员的主要工作是组织指挥整个训练过程。教员 通过选择不同的课程开展训练以便有目的的提高学员的专业素质；教员在训练过程中 需要对学员的实时操作进行掌控，并对其进行指导：教员还可以通过设置故障来提高 学员遇到非正常情况时的应急处理能力和积累应急经验。 学员主要是通过学员控制界面的模拟来进行操作学习，进而掌握各种工况下的各 种应对操作，以便保障列车的安全运行。所以学员所操作的学员控制界面就需要逼真 于实际工作场所的操作控制台，以便高效的培训学员。培训学员是本系统的目的，所 以了解学员的功能对于本系统的开发来说是至关重要的。本培训系统主要是通过各种 工况的模拟来提高学员的操作能力和经验积累。 2 2 联锁功能需求 为了满足学员对信号设备的操作学习，首先需要清楚分析学员所采用的信号设备 的联锁功能操作。根据地铁车站信号系统的操作手册掌握具体的信号设备操作流程及 各个过程的现象，运用计算机联锁和铁路信号知识分析其中的联锁逻辑，构建联锁逻 辑运算模型。 联锁功能即联锁逻辑运算的体现，主要是通过逻辑运算使各种设备之间建立逻辑 关联性。因此本系统必须满足信号系统的所有操作功能，并且要求在人机界面与联锁 运算之间实现数据交互。具体的信号系统操作功能有： 1 道岔定反位 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 道岔在信号机系统中，主要是为转辙机的操作提供一个安全方法。道岔定反位操 作具体功能如下： 根据列车请求的进路，此逻辑可允许岔尖被推到定位或反位。 为了防止道岔的岔尖转动，道岔可以进行封锁操作。当道岔处于封锁状态时， 该道岔不能进行定反位转换，只有当道岔解封以后，才可以进行定反位转换 操作。 2 道岔封锁解锁 道岔封锁功能是为道岔提供自动锁闭，并不允许再有任何的道岔请求或动作。当 执行了道岔封锁后，道岔将保持锁闭在当前位置，直到道岔封锁被移除。 道岔解封仅对处于封锁的道岔有效。 3 轨道封锁解封 轨道封锁功能可防止通过该轨道区间设置任何进路。一旦系统传输该功能，其会 封锁信号机之间的轨道，并在轨道区段内任何进路上实施信号机出口封锁。 轨道封锁功能仅防止列车进入生效区域；而不会阻止已处于封锁轨道上的列车发 生移动。 轨道封锁解除功能仅对轨道区间内处于封锁的轨道有效。 4 信号机封锁解封 信号机封锁功能防止值班员开放一条通过终端信号机的进路。 信号机解封功能仅对处于封锁的信号机有效。 5 普通进路 普通进路就是指常规意义上的进路。具体是指提供一个始端信号机，再提供一个 相符的终端信号机构成的进路命令建立的进路。包括保护列车运行所需要的列车防护 区段的所有元素。 6 引导进路 当且仅当进路内方轨道或是保护区段故障或占用，并且列车已经占用接近区段时， 需要开放引导信号。引导进路所包括的元素跟普通进路一样。而引导进路的解锁则与 普通进路的解锁不同。 7 a r q 自动( 默认) 进路 a r q ( a u t o ( d e f a u l t ) r o u t er e q u e s t ) 自动进路请求只会在相应的接近区段被占用且无 反向进路时触发。 在本系统培训过程中，如果有集中站没有分配学员，则该集中站执行自动模式 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 ( a r q 进路模式) ，以便列车正常运行，维持正常培训。 8 f l e e t i n g 进路 f l e e t i n g 进路是指当自动通过功能有效时，在每辆列车成功通过进路的基础上，进 路会重新建立并开放信号。自动通过信号控制是允许进路以自动进路方式运行。 在正常列车运营的情况下，此功能会减轻操作员需要一次又一次的重复重新建立 同一条进路的负担。 9 关闭自动进路 在f l e e t i n g 进路开放后，若只想取消f l e e t i n g 功能则通过学员的a t s l c w 发送“关 闭自动进路”命令，该进路的自动重建功能将失效。 1 0 进路解锁 1 ) 正常解锁 对于进路和保护区段由于列车通过以后引起的单个元素的解锁，采用“三点法 来判断该元素是否应该执行解锁，具体的解锁条件为： 本轨道区段占用； 本轨道区段和下一轨道区段的轨道必须同时被占用： 本轨道区段出清的时候，下一轨道区段必须被占用； 2 ) 引导进路解锁 如果引导进路中第一个区段正常，则列车占用该区段后即关闭引导信号；如果引 导进路中第一个区段是故障区段，则在列车占用该区段且出清接近区段后关闭引导信 号机。 对于具有防护区段的进路，其引导进路也具有相同的防护区段。列车通过引导进 路，防护区段可正常解锁，但是进路中故障区段及其之后的区段不能被解锁。 3 ) 取消进路 取消进路是指进路建立后，进路取消命令来自值班员人机界面。在取消进路命令 执行时，会有两种不同的情况。一是当没有列车接近信号机：这种情况下进路可以立 即被取消。另一种是当有列车接近信号机时：这种情况下进路必须在预定的延时结束 后被取消。这个时间允许列车在联锁信号机前停下，或者列车无法停车，进入联锁区， 所有锁闭生效。 4 ) 延时解锁 当本进路的接近区段被占用且执行取消进路时，延时解锁功能有效。在取消进路 操作有效开始计时，延时结束后进路解锁。 除此之外，在一些紧急情况下联锁子系统还涉及一些站台操作，具体的有： 1 1 紧急停车逻辑功能 西南交通大挚硕士研究生学位论文 第7 页 紧急停车的目的是使某些预先设定的范围或区域内的所有列车停止。当执行功能 时，紧急停车将关闭所有发车信号机和进入站台的最后一架接近信号机。紧急停车的 复位只能通过按压紧急停车复位按钮来完成。 如果发车进路已建立后，按下紧急停车按钮，发车信号机点红灯并且进路继续锁 闭；如果按下紧急停车按钮后再排列进路，如果其他条件具备，进路将被锁闭，但信 号不开放。 1 2 站台扣车逻辑功能 站台扣车的目的是使停在站台上的列车延迟发车。当执行该功能时，站台扣车将 取消站台的发车信号。站台扣车的复位只能通过按压站台扣车复位按钮来完成。 1 3 屏蔽门逻辑功能 p s d 信息被用在联锁信号逻辑中。为了获得信号机允许显示，所有屏蔽门应该被 关闭或者从屏蔽门面板旁路。如果发车进路已建立后，p s d 关闭且锁紧信号或p s d 旁路信号丢失，进路始端信号机将处于关闭状态；如果联锁未接收到p s d 关闭且锁紧 信号或p s d 旁路信号，此时排列进路，如果其他条件具备，进路将被锁闭，但信号不 开放。 联锁逻辑运算的模型建立在第三章中具体介绍。 。 ： 2 3 教员功能需求 教员主要是为教员提供在培训过程中所需要的各项功能。教员在整个训练过程担 当组织者和指导老师。下面就从这两个角色来介绍教员的详细功能模块。 由于教员是组织者，需要在整个训练过程中负责其组织管理工作，所以教员需要 对学员信息、课程信息和基础数据( 故障信息) 这三项基本数据进行管理。 教员作为指导老师需要新建训练、选择课程、为参加培训已登录的学员分配所要 进行训练的集中站。教员还可以时刻监控学员的训练现况，这样就可以对学员所进行 的操作进行讲解指导，或是在考核测评后对其进行主观评价。所以教员需要对训练进 行管理并且要实现整个运营线的监控。 因此，教员的功能用例如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 嘲乒9 一 图2 - 1 教员系统的功能用例图 1 学员信息管理 由于本系统是为了培训学员，所以学员信息需要教员来管理。在培训过程中教点 可能要对学员信息进行新建、修改、删除、保存等操作。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 2 课程管理 对于某一种工况来说，所要进行的处理步骤和处理流程都基本相同，所以为了方 便其培训，教员可以针对所要进行培训目的的工况组合设置一些有针对性的课程，并 对其进行保存，以便在以后的培训过程中还可以选择该课程进行培训。具体包括新建、 修改、删除、保存等功能。 3 训练管理 训练管理主要有新建训练，选择训练课程，根据运营线上的集中站数量，为登陆 的学员分配训练集中站。如果学员人数多于集中站数量，教员可以同时多建立几个训 练为登陆的学员分配训练集中站。在训练过程中教员可以任意地对训练中的学员操作、 操作结果、运行状态等信息进行监控，以达到有效的培训目的。具体从训练的总体流 程和监控业务两方面介绍。 具体的操作流程如图2 - 2 所示。 a 训练的流程 业务描述： 7 1 ) 教员在启动服务器系统后，启动教员客户端。 。2 ) 启动完成后，新建训练、选择课程列表中的课程并等待学员登录。 。 3 ) 待学员登录完成后，为已登录的学员设置所要培训的集中站。分配集中站是指 为每次培训已登录的学员进行集中站分配。 中站。 - 个学员管辖的所有车站就称之为一个集 4 ) 为学员分配集中站后，给服务器系统发送系统初始化命令。 5 ) 系统初始化完成后，给服务器系统发送开始训练命令，并且可通过监控运营路 线掌握学员操作状况，通过时刻表检验学员操作是否及时有效。 6 ) 根据培训目的教员可以选择性的设置一些相关故障，以便检查学员处理故障的 能力以及应急反应。 7 ) 在培训完成后，教员给学员的训练作出评价，结束训练、删除训练。 b 监控模块 监控模块就是指运营线路监控和时刻表监控两部分。 监控部分的业务描述： 1 ) 在训练过程中，教员可以任意查看学员计算机屏幕，观察操作情况，总结学员 常见的错误操作，并及时作出纠正。 2 ) 可以通过线路示意图查看全线列车运行状况，也可以查看具体列车状态。通过 查看全线列车运行状况，可以使教员充分了解当前训练环境状况。 3 ) 通过查看实际运行图绘制曲线，和计划运行图比较运行的偏差。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 4 ) 教员还可以在监控界面还可以设置一些故障给培训学员，以便提高学员遇到突 发事件的应急处理能力，增加实践经验。 4 故障管理 图2 - 2 教员工作的主要流程 在培训过程中给学员模拟一些故障场景，提高学员在非正常工作环境下的工作技 能和增强心理素质。所以教员在培训过程中需要设置一些故障以便能比较真实的模拟 故障场景，为学员积累应急处理经验。具体包括新建、修改、删除、保存等功能。 2 4 学员功能需求 学员是本系统主要的服务对象，所以学员的界面操作功能必须能满足学员的操作 要求。学员的具体所需功能如图2 3 所示： 由用例图可知，学员的主要工作就是对进路、道岔、信号机、轨道区段、站台等 多种对象进行操作，所以在系统实现过程中需要有道岔、信号机、轨道区段、站台等 多种设备对象，并且各种设备均有多种状态。为了在界面上准确逼真地显示这些设备， 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 通过类图对各种设备类、类型以及它们的内部结构、内部结构之间的关系进行描述。 各个类均有相应的图元与之对应，例如信号机有信号机图元、道岔有道岔图元等，以 便直观地显示在人机界面上，方便学员地操作学习。 学员模块的总体流程如图2 4 所示。 学员模块的业务流程描述： 1 ) 在启动服务器系统后，学员登录客户端； 2 ) 等待教员分配集中站及系统初始化； 3 ) 在教员开始训练后，根据教员所选择课程的要求进行相关操作训练； 4 ) 教员结束训练后，结束培训。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 图2 3 学员系统的功能用例图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 i i 1 车站管理 图2 - 4 学员总体操作流程图 学员培训是以车站为单位的，所以需要对车站的运营模式、验证模式、通信是否 连接正常等进行管理。 2 设备管理 在进行联锁操作时，都是以车站设备( 信号机、道岔、轨道区段) 为对象进行操 作的，根据设备的位置来判断设备类型，根据所进行操作的菜单位置来判断所进行的 操作命令类型，将这些数据传输给联锁运算模块，进而在联锁运算模块中进行联锁逻 辑运算。 3 站台管理 在本文中，站台管理是指站台上的一些操作按钮状态的管理。主要有：紧急停车 按钮、站台扣车按钮和屏蔽门按钮。 4 权限切换 本地人工控制仅限于本联锁控制区域。邻近的联锁将继续以先前配置的模式运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 主要有两种情况需要使用联锁的本地控制。 一种情况是在测试阶段支持联锁的自我检测；第二种情况是用于c b t c 系统降级 模式时对于联锁的控制。 在系统中设置这个功能就是为了能更逼真的仿真真实系统的权限切换功能，为了 使学员在培训过程中学习各种可能进行的操作，进而提高综合职业素质。由于在调研 中发现a t s ，l c w 两个操作界面的联锁相关操作内容和操作流程均一样，所以在后面 就不详细介绍。 2 5 非功能需求 由于本系统是基于实际应用开发的，所以必须具有较强的实用性、易用性、可扩 展性、可维护性、可测试性、可靠性和安全性。主要体现在下面几个方面： 1 本系统可进行的操作训练与实际工作平台上的可进行的操作方式均一样，并且 学员系统界面与实际的工作平台界面保持一致，便于有效提高培训效率。 2 本系统采用模块化思想来设计实现，使系统易于维护和测试： 3 本系统采用加密电子狗技术、学员登录模块来防止非法人员的访问，以便维护 系统的安全性； 4 本系统采用可扩展性较好的s q ls e r v e r2 0 0 5 数据库作为外源数据库，提高系 统的可扩展性。 5 本系统在开发时选用稳定性较高的硬件设备和可靠性较高的软件平台，来提高 系统的可靠性。 2 6 系统安全分析 本系统是一个车站微机联锁仿真培训的应用系统，所以需要考虑系统的安全性。 主要从下面几方面来进行安全性分析： 1 ) 考虑到可能有非法用户的使用，在本系统中采用加密电子狗对数据传输进行保 护； 2 ) 使用用户登陆模块，通过用户身份验证码来保护系统安全： 3 ) 在系统初始化时，要访问数据库，对数据库进行加密，来保护数据库的安全； 4 ) 对教员和学员用户设置不同的角色和权限，防止用户越界操作，保证系统的正 常运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 第3 章系统设计 本章基于前面的系统需求分析，主要进行系统总体设计及各个功能模块的详细设 计。首先介绍了系统整体架构，接着详细介绍了系统中的各个模块设计。这些模块主 要通过各自的不同职责功能来划分的。 3 1 系统设计目标 地铁车站微机联锁仿真培i j l i 系统主要包括逻辑运算功能和培训功能两部分。但是 在设计这个系统时，还需要考虑到与虚拟车、o c c 等子系统的接口以及联锁子系统的 公用化实现等因素，所以具体的设计目标可以分为下面几个部分： 1 ) 本系统是一个仿真培训系统，所以在学员的人机界面设计上要逼真于学员真实 的工作操作平台； 2 ) 本系统是基于对成都地铁一号线的微机仿真培训系统，所以在联锁逻辑运算上 必须符合成都一号线所采用的信号设备的特点和规则。 3 ) 在数据传输方面，必须保证其实时性。只有车站值班员实时了解相关设备的状 态，才可以保证及时地做出正确的判断，以便保证行车安全。 4 ) 由于部分信号设备操作有由于列车触发的，所以本系统在设计时需要与虚拟车 子系统留有接口，以便在一些进行联锁子系统和虚拟车子系统联合训练时的信息传输： 5 ) 本系统中的学员人机界面通过权限转换功能可实现与o c c 仿真系统同时在线 仿真的功能，从而为学员作业和o c c 调度作业的联合培训提供一个仿真平台； 本系统中的学员系统与虚拟车、o c c 、驾驶模拟器、电调和环调子系统，通过通讯 设备进行现场通话实现各子系统同时在线仿真的训练，从而为相关部门提供一个综合 培训的仿真平台。 3 2 系统环境 根据第二章的需求分析，本系统的用户有两类：教员和学员。由于每一条地铁运 营线路只采用一套信号系统设备，所以在培训过程中学员所使用的联锁系统必须是同 一个，而且运营线路也是同一个，才可以体现出这些学员彼此操作所带来的影响。因 此微机联锁子系统和数据库均放在了服务器上，而学员和教员放在与服务器同一个内 部局域网上。微机联锁子系统主要负责接收教员和学员传过来的命令数据信息，进行 相关处理，并把执行结果返回；而数据库用于整个培训系统的数据存储。 对于教员来说由于本身的身份职责关系，需要在训练过程中时刻监控学员的操作 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 i i _ _ i _ _ _ i l _ i _ _ _ l i _ l l l l _ l l l _ l _ _ i _ l _ i 现况，以及检查学员操作是否合格。所以教员需要三个显示器，分别是：教员人机界 面、运行线路监控、运行时刻表监控。 其中：教员人机界面主要显示一些教员在培训过程中的一些日常工作按钮；运行 线路监控主要显示教员培训过程中培训线路，用于监控学员的操作以及在训练过程中 设置一些故障；运行时刻表主要显示所培训课程的运行时刻表和在培训过程中实际运 营的时刻表，以便教员检验学员的操作是否正确。 结合上述分析，设计出的系统运行环境如图3 - 1 所示。 教员入机界面运行线路监控运行时刻表监控 。 息心 学员 系统开发环境： 操作系统：w i n d o w sx p 数据库：s q ls e r v e r2 0 0 5 开发语言：c + + 开发工具：v c6 0 开发所用框架：m f c 3 3 系统体系结构 学员 图3 - l 系统运行环境 学员 软件系统体系结构是一种综合各种观点的模型，可以用来描述整个系统。各种体 系模式的系统设计和开发过程存在很大的区别，所以我们先从本系统的需求出发来决 定所要采用的体系模式。 微机联锁系统，就是采用计算机技术实现的车站信号自动控制系统【4 】。本系统以进 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 路、道岔、信号、紧停、扣车等为控制对象，由联锁运算模块来实现进路、道岔、信 号之间的联锁逻辑【5 7 1 ，并遵循列车运行和调车作业的要求，自动控制选择进路、转换 道岔、开放信号等。成都地铁采用的是浙大网新提供的信号系统设备，所以在进行联 锁设计时应充分考虑网新信号系统的特点，并针对这些特点进行仿真实现。 由于微机联锁系统的功能要求与性能要求都比较高，所以需要采用上下两层乃至 多层的分层结构。车站值班员仿真培训系统既要求具有逼真的人机界面，同时又要求 操作效果的高可靠性与高安全性。随着铁路运输业的快速发展，车站规模的日益增大， 承载业务逐渐增多，联锁系统的复杂度也日益增强，因此本系统采用多层模块结构。 地铁车站微机联锁仿真培训系统主要是针对培训车站值班员设计的应用系统，即 一教员多学员模式。但是不论教员还是学员所采用的信号系统是同一个，所以教员、 学员和服务器需要处于同一个局域网中。因此本系统采用三层c s ( c l i e n t s e r v e r ，即 客户机朋艮务器) 体系结构。这种体系结构中用户操作模块布置在客户机上，数据存储 在服务器上的数据库中。具体工作过程：客户机端的应用程序向服务器端的管理程序 提出请求，服务器端的管理程序负责接收并且经过相关运算处理客户端提出的请求， 并返回结果。 c s 三层结构分别是：表示层、业务逻辑层和数据层。由于本系统是采用面向对象 技术实现的，所以为了避免在业务逻辑层访问数据时对数据库底层数据的修改【3 7 1 ，在 访问数据库数据时要在建表存在内存中_ ，以便程序访问。如图3 - 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 图3 - 2 系统软件体系结构 表示层为系统操作人员提供了人机界面及与其系统的通信界面。该层针对不用的 使用者多对应的人机界面不同。具体对应关系：若是针对学员，表示层对应于学员的 人机界面；若是针对教员，表示层则对应于教员的运行线路监控系统。 业务逻辑层是人机界面和数据层的交通枢纽，它接收来自人机界面层的人机命令 和直接控制层的现场设备状态信息，完成全部联锁逻辑运算，并向人机界面层直接输 出执行结果。该层对应于地铁车站微机联锁仿真仿真系统中的联锁运算模块。 数据访问层是为了有效的隔离业务逻辑层和表示层对数据层数据的直接访问，该 层可针对数据进行增添、删除、修改、更新、查找等。由于每条运行线路都是有很多 进路，而且每条运行线路上的设备属性和位置也不同，所以数据库的数据量比较大， 而且每种设备的属性很多，为了防止在业务逻辑层访问数据层时对数据层数据的直接 修改，本系统使用数据访问层，将数据层的数据读入系统内存，既提高了系统运行速 度，又便于数据库本身的数据维护。 数据层是为系统提供所需数据的数据库，可以使用不同的读取方法将数据层中的 数据存储在系统内存中，便于系统的访问和操作等。该层对应于微机联锁系统中的设 备。 在地铁车站微机联锁仿真培训系统中，联锁逻辑是最核心的部分。微机联锁子系 统主要是针对联锁设备进行相关的逻辑运算并通过与学员系统和教员系统的人机界面 反映出来。由于联锁设备是为提高行车效率，保证行车安全而设置的设备。由此可知， 服务器系统中所进行的各种逻辑运算的正确与否直接关系到培训人员的培训结果，进 而危及到行车安全。 3 4 信号设备模型建立 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 通过类的描述来体现各种设备的类型及内部结构0 0 - 1 4 l 。在程序设计中是通过定义结 构体实现的，在联锁逻辑运算之后通过改变设备的结构体属性来改变设备显示状态。 ( 1 ) 信号机的类的描述和结构体定义 定义一个具体的信号机需要用到的数据有：设备编号、名称、方向、坐标、种类 ( 折返信号机、调车信号机等) 。 信号机 i m e q u i p m e n t l d ； c h a r n a m e 10 ； i n t s t a t i o n l n d e x ； i n td i r e c t i o n ； i n tf i r y a x i s ； i n t f i r x a x i s ； i n t t y p e ； c h a n g e s i g n a l b k s t a t e 0 c h a n g e s i g n a l s t e m s t a t e0 c h a n g e s i g n a l b a l l s t a t e0 c h a n g e c l a s s ie n a b l e s t a t e 0 s i g n a l u n l o c k 0 s i g n a l l o c k 0 信号机结构体定义： ? t y p e d e fs t r u c tt g e q u i p m e n t ：t g o c c b a s e ： | n te q u i p m e n t l d ； ，设备编号 l n to w n s t a l d ；所属车站的编号 t i l ts t a t u s ；信号机状态( 灯丝断) l n ts i g n a l s t e m ；信号机颜色( 灯柱) m ts i g n a l b a i l ； 信号机灯位( 颜色) l n ts i g n a l b k ；信号机的背景色 i 。r l ta u t o f l e e t ；自动进路标示 m ta b l e t o b e g i n l i g h t ； 与信号机封锁有关 l n te n a b l e ； 使能标志 l o n ge n a b l e t i m e ； 设备使能操作延时 i n tc l o s e f l a g ； 紧停、屏蔽门、扣车信号机关闭属性 e q u i p m e n t , * l p e q u i p m e n t ； ( 2 ) 轨道区段的类的描述和结构体定义 定义一个具体的轨道区段需要用到的数据有：线路段编号、类型、坐标、前接主 段、前接副段、后接主段、后接副段、所属集中站。 线路段 l o n gn l d ；l o n gt y p e ； l o n gf i e l d ；d o u b l ep o s i t i o n ； d o u b l el e n g t h ；p o i n t p t 【3 】； l o n gn n e x t m a i n ；l o n gn n e x t s u b ； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 l o n gn p r i o r m a i n ；l o n gn p r i o r s u b ； i n to w n e d s t a t i o n ； o p e 耻q d s b o o p e r - q d j s0 s e q d z y 0 s e q d c q 0 轨道区段结构体定义： t y p e d e fs t r u c tt g l i n e s e c t i o n ：t g o c c b a s e t i n tl i n e s e c t i o n i d ： i n to w n l i n e l d ； i n tn e x t m s e c t i o n i d ； i n tn e x t p s e c t i o n l d ： i n t p r e m s e c t i o n l d ； i n t p r e p s e c t i o n l d ； c h a r o r b i t