基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真的電力機(jī)車(chē)模擬駕駛裝置研究

[摘 要]傳統(tǒng)的機(jī)車(chē)乘務(wù)員費(fèi)時(shí)長(zhǎng)，效率低，已經(jīng)難以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的鐵路發(fā)展需求。基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真原理的電力機(jī)車(chē)模擬駕駛裝置的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，已成為解決機(jī)車(chē)乘務(wù)員培訓(xùn)工作的更經(jīng)濟(jì)、安全、高效的方式。本文介紹了HXD3B型電力機(jī)車(chē)模擬駕駛裝置的系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)方案和建設(shè)電力機(jī)車(chē)模擬駕駛實(shí)訓(xùn)室所需的軟硬件環(huán)境，為機(jī)車(chē)乘務(wù)員培訓(xùn)工作的改革創(chuàng)新提供了一種新的思路和方法。

[關(guān)鍵詞]電力機(jī)車(chē) 模擬駕駛 系統(tǒng)仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）10-0391-01

一、研究背景

隨著中國(guó)鐵路的大跨步發(fā)展，電力機(jī)車(chē)的更新?lián)Q代日益迅速。幾年前還風(fēng)行祖國(guó)大江南北的韶山系列電力機(jī)車(chē)，現(xiàn)已被無(wú)情地淘汰出鐵路運(yùn)輸?shù)闹髁鬈?chē)型范疇，被具有更先進(jìn)的技術(shù)的和諧系列電力機(jī)車(chē)取代。這種迅猛的鐵路現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)更新給傳統(tǒng)的機(jī)車(chē)乘務(wù)員培訓(xùn)工作帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，特別是對(duì)各職業(yè)院校的鐵道機(jī)車(chē)專(zhuān)業(yè)的建設(shè)和發(fā)展更是打擊沉重。因?yàn)殍F路專(zhuān)業(yè)設(shè)備的特殊性，實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)需要學(xué)校給予大量的資金支持和政策傾斜。但往往是一種車(chē)型的相關(guān)設(shè)備剛剛配置齊全，鐵路現(xiàn)場(chǎng)卻已經(jīng)更新?lián)Q代更新型的機(jī)車(chē)，讓所有的工作努力都白白浪費(fèi)了。這種投入多，產(chǎn)出少的狀況讓各職業(yè)院校對(duì)鐵道機(jī)車(chē)專(zhuān)業(yè)建設(shè)心有余而力不足。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步使模擬仿真技術(shù)發(fā)展迅速，電氣控制技術(shù)的發(fā)展令屏幕上開(kāi)車(chē)更加逼真，能更為有效地訓(xùn)練機(jī)車(chē)乘務(wù)員在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)正確及時(shí)有效地操作機(jī)車(chē)。而且，由于沒(méi)有電器柜實(shí)物，所有電器設(shè)備采用數(shù)學(xué)模型仿真實(shí)現(xiàn)，改變傳統(tǒng)電路中靠采集獲得節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的方式，系統(tǒng)命令和設(shè)備的反應(yīng)都靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，完全不需要造價(jià)高昂的設(shè)備支持，大大節(jié)省了實(shí)訓(xùn)室建設(shè)的資金投入。同時(shí)，系統(tǒng)的維護(hù)也更為簡(jiǎn)單方便。在鐵道機(jī)車(chē)專(zhuān)業(yè)的課程實(shí)施方面與傳統(tǒng)的真實(shí)設(shè)備的區(qū)別不大，投入產(chǎn)出比更加合理，是更為經(jīng)濟(jì)，更有效率的培訓(xùn)方式。

二、設(shè)計(jì)思路

計(jì)算機(jī)硬件部分由數(shù)據(jù)采集及外圍驅(qū)動(dòng)電路，模擬氣壓表組成。軟件部分由列車(chē)牽引計(jì)算程序，電路仿真程序。首先，各個(gè)單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串行接口傳入工控機(jī)。工控機(jī)通過(guò)交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳至教員機(jī)。教員機(jī)把列車(chē)編組數(shù)據(jù)與傳入的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)賦值到仿真程序中得到電牽引力，將之代入牽引計(jì)算中，得到機(jī)車(chē)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，將速度值傳輸?shù)綀D形工作站。圖形工作站得到速度后，根據(jù)計(jì)算獲得當(dāng)前的公里標(biāo)，調(diào)用該公里標(biāo)下的三維建模數(shù)據(jù)，同時(shí)將圖形渲染輸出，控制機(jī)車(chē)信號(hào)機(jī)顯示相應(yīng)的色燈信號(hào)。通過(guò)這種方式，將數(shù)據(jù)采集、控制、計(jì)算、圖像實(shí)時(shí)渲染等數(shù)字化處理技術(shù)，組成軟硬一體的機(jī)車(chē)模擬駕駛系統(tǒng)。

三、軟硬件環(huán)境

針對(duì)以上設(shè)計(jì)思路，在選配系統(tǒng)硬件時(shí)，我們更注重元器件的通用性和標(biāo)準(zhǔn)性，采用主流電氣控制設(shè)備。包括：司機(jī)操縱臺(tái)體、扳鍵開(kāi)關(guān)組、司機(jī)控制器、CCB-II制動(dòng)控制器、CCB-II屏、TCMS顯示屏、LKJ2000監(jiān)控屏、CIR無(wú)線(xiàn)列調(diào)、八顯示機(jī)車(chē)信號(hào)、開(kāi)關(guān)、按鈕、指示燈、儀表、投影機(jī)、金屬弧形投影幕、專(zhuān)業(yè)投影倉(cāng)、專(zhuān)業(yè)級(jí)仿真圖形融合機(jī)、CGI前向視景圖形工作站、電路圖仿真計(jì)算機(jī)、列車(chē)運(yùn)行仿真計(jì)算機(jī)、5.1聲道功放揚(yáng)聲器組、多媒體故障處理觸摸一體機(jī)、I/O采控計(jì)算機(jī)、學(xué)員桌椅、學(xué)員計(jì)算機(jī)、液晶顯示器、桌面司控器、耳機(jī)、教員桌椅、教員計(jì)算機(jī)、通用監(jiān)控顯示器、RS485串口通訊卡、語(yǔ)音通訊設(shè)備、工業(yè)級(jí)交換機(jī)、機(jī)柜、電源設(shè)備線(xiàn)纜及配件、專(zhuān)用工具等。

軟件采用與專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)鐵路機(jī)車(chē)模擬駕駛裝置的公司合作開(kāi)發(fā)。具有如下功能：完成真實(shí)模擬機(jī)車(chē)在各種環(huán)境下的運(yùn)行狀況、機(jī)車(chē)動(dòng)力性能、真實(shí)操控感、視聽(tīng)環(huán)境、牽引制動(dòng)特性；能培訓(xùn)受訓(xùn)司機(jī)進(jìn)行機(jī)車(chē)正常駕駛的操作方法、操作規(guī)程與操作步驟；能夠設(shè)置模擬常見(jiàn)的機(jī)車(chē)故障、突發(fā)事件，培訓(xùn)受訓(xùn)司機(jī)按實(shí)際處理方法、處理規(guī)程進(jìn)行排除處理；具有獨(dú)立教員系統(tǒng)能夠進(jìn)行綜合管理、組織教學(xué)和考核。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造、集成等過(guò)程應(yīng)采用的規(guī)范和適用標(biāo)準(zhǔn)：UIC 國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)；IEC 國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)；ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織標(biāo)準(zhǔn)；GB 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；TB 中華人民共和國(guó)鐵道部標(biāo)準(zhǔn)。

系統(tǒng)特性：

（1）穩(wěn)定性：系統(tǒng)采用成熟技術(shù)及相關(guān)工藝，主要設(shè)備應(yīng)采用工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。系統(tǒng)主要設(shè)備與部件的平均無(wú)故障時(shí)間大于20，000小時(shí)；系統(tǒng)整體平均無(wú)故障時(shí)間大于10，000小時(shí)；系統(tǒng)主機(jī)兩次故障平均時(shí)間大于3000小時(shí)。

（2）易用性

所有操作系統(tǒng)均采用中文Windows XP及以上版本，所有交互系統(tǒng)提供中文圖形界面，符合常規(guī)窗口式系統(tǒng)的操作模式。系統(tǒng)具有合理的使用成本，有利于長(zhǎng)期、有效地利用該系統(tǒng)進(jìn)行人員培訓(xùn)與考核。

（3）可維護(hù)性

系統(tǒng)設(shè)備具有良好的可維護(hù)性，方便維護(hù)人員完成日常維護(hù)。

（4）可擴(kuò)展性

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，預(yù)留升級(jí)擴(kuò)展接口利于后期升級(jí)擴(kuò)展。

四、系統(tǒng)功能

系統(tǒng)可以進(jìn)行事故、突發(fā)事件的模擬，可在課程中預(yù)先設(shè)置突發(fā)事件或由教員根據(jù)需要設(shè)置突發(fā)事件，視景系統(tǒng)能即時(shí)作出響應(yīng)。按照用戶(hù)提出事件現(xiàn)象、處理過(guò)程進(jìn)行仿真制作，以達(dá)到提高司機(jī)應(yīng)急處置能力的目的。系統(tǒng)構(gòu)建全三維虛擬化實(shí)訓(xùn)環(huán)境，可以進(jìn)行列車(chē)檢查、非正常情況處理相關(guān)的操作，可以放置響墩、火炬、短路銅線(xiàn)、鐵鞋、復(fù)軌器；可使用檢點(diǎn)錘、鉗子、手持對(duì)講機(jī)、綠旗、黃旗、紅旗等工具；可以手動(dòng)清除線(xiàn)路上的障礙物。三維列車(chē)上的車(chē)鉤、制動(dòng)軟管、折角塞門(mén)和截?cái)嗳T(mén)均可以操作，可進(jìn)行連接、斷開(kāi)、拆卸、更換等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)事故車(chē)輛與列車(chē)分離?？梢栽谙薅〞r(shí)間內(nèi)按照作業(yè)規(guī)范進(jìn)行非正常下行車(chē)組織演練，包含標(biāo)準(zhǔn)化的車(chē)機(jī)聯(lián)控、設(shè)置防護(hù)、操作監(jiān)控裝置等非正常處置步驟，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控、記錄（包含監(jiān)控裝置的操作）演練過(guò)程的每一步操作，并對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)答案自動(dòng)評(píng)定成績(jī)。

模擬駕駛器具備HXD3B型大功率機(jī)車(chē)的機(jī)車(chē)性能及運(yùn)行環(huán)境仿真功能，能夠真實(shí)地模擬HXD3B大功率機(jī)車(chē)在各種運(yùn)行環(huán)境與工況下的運(yùn)行狀況、操縱特性、牽引/制動(dòng)特性以及其它特性，可滿(mǎn)足受訓(xùn)人員進(jìn)行列車(chē)操縱模擬，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)、起車(chē)、運(yùn)行調(diào)速、進(jìn)站停車(chē)以及運(yùn)行中非正常情況處置等操縱技能的演練培訓(xùn)。

模擬駕駛器能夠完整的模擬HXD3B大功率機(jī)車(chē)的控制邏輯，提供可視化的電路圖界面，實(shí)時(shí)顯示受訓(xùn)人員模擬控制條件下的控制電路狀態(tài)變化。操縱臺(tái)上的所有操作、顯示設(shè)備、開(kāi)關(guān)、聲音和發(fā)光報(bào)警系統(tǒng)按實(shí)際情況進(jìn)行控制和響應(yīng)，顯示系統(tǒng)與真實(shí)機(jī)車(chē)相應(yīng)設(shè)備具有相同的界面、按鈕及功能。

機(jī)車(chē)的牽引、制動(dòng)系統(tǒng)按實(shí)際情況控制和響應(yīng)，故障報(bào)警顯示、燈光和聲音報(bào)警系統(tǒng)配備與實(shí)際相一致，并按照實(shí)際情況進(jìn)行控制和響應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)基于硬件的故障模擬，也可實(shí)現(xiàn)基于軟件及軟、硬件結(jié)合的故障與突發(fā)事件的模擬，能夠模擬運(yùn)行線(xiàn)路與機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中相關(guān)的各類(lèi)故障、突發(fā)事件。包括車(chē)輛內(nèi)部電器、制動(dòng)機(jī)、電機(jī)等各類(lèi)故障，行人掉道、天氣突變、障礙物等突發(fā)事件。教員可通過(guò)教員控制臺(tái)同時(shí)設(shè)置單個(gè)故障和多個(gè)故障。系統(tǒng)采用硬件實(shí)做與軟件模擬相結(jié)合的方式進(jìn)行故障排除的模擬?？刹捎糜布?shí)物操作排除的機(jī)車(chē)故障將使用硬件實(shí)做的方式實(shí)現(xiàn)，無(wú)法采用硬件實(shí)物操作排除的機(jī)車(chē)故障以三維動(dòng)畫(huà)多媒體軟件的方式模擬實(shí)現(xiàn)。

作者簡(jiǎn)介

李德儉（1975-），男，遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院鐵道工程系，講師。