城市軌道交通沙盤(pán)模型綜合設(shè)計(jì)＊

羅育輝

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510430）

軌道沙盤(pán)模型不僅在軌道交通運(yùn)營(yíng)單位中應(yīng)用，在教育機(jī)構(gòu)或各大專院校和職業(yè)培訓(xùn)學(xué)院也得到了廣泛應(yīng)用，該模型通過(guò)縮小隧道、火車(chē)、站臺(tái)等設(shè)備設(shè)施來(lái)仿真實(shí)際運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，以靜態(tài)形式呈現(xiàn)靜態(tài)地形、景觀、綠地、城市建設(shè)、橋梁、洞穴和水系等；以動(dòng)態(tài)形式演示火車(chē)依據(jù)控制系統(tǒng)命令在沙盤(pán)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)仿真演練的目的，通過(guò)演練來(lái)提高人們對(duì)軌道交通的認(rèn)識(shí)。由此可節(jié)省物質(zhì)和財(cái)政資源，能夠產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響[1]。

安全是城市交通的基礎(chǔ)。模型核心的安全模擬是對(duì)列車(chē)的控制，如模擬行動(dòng)、鐵路救援等。模型系統(tǒng)運(yùn)行的最重要前提是通過(guò)分支和燈光準(zhǔn)確識(shí)別附件的位置來(lái)控制模型系統(tǒng)。

“引導(dǎo)模式”功能已由機(jī)器[2]可編程邏輯（PⅠC）和單機(jī)完成；為了能夠在at-96 的幫助下為控制中心建造配電盤(pán)、燈泡和箭頭，已經(jīng)為城市鐵路系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)綜合培訓(xùn)系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)了DMV 控制的軌道交通控制系統(tǒng)作為控制點(diǎn)：信號(hào)輸出和道岔由工業(yè)管理局通過(guò)出口控制電源板和繼電器，用于驅(qū)動(dòng)軌道上的電源電路，以確保列車(chē)反向運(yùn)行，但實(shí)施管理機(jī)制具有成本高、完整性不足的特點(diǎn)，不利于推廣。文獻(xiàn)中開(kāi)發(fā)的城市軌道交通ATC（automatic train control）仿真系統(tǒng)[3]用于通過(guò)調(diào)制解調(diào)器接收的交通流信號(hào)控制列車(chē)，控制箭頭、信號(hào)燈和列車(chē)定位，并使用單層計(jì)算機(jī)MSP430 在PC（計(jì)算機(jī)）端模擬和控制各個(gè)目標(biāo)。其中一個(gè)控制面板集成了分布式控制和本地箭頭信號(hào)燈，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)電線移動(dòng)，系統(tǒng)服務(wù)效率低。根據(jù)研究[4]，鐵路運(yùn)輸開(kāi)發(fā)的鐵路運(yùn)輸綜合工作平臺(tái)提供機(jī)車(chē)管理。為此，C8051F330 用于提供點(diǎn)火裝置，并用于控制箭頭、聚光燈和帶有小光束的插座的位置。然而，由于機(jī)車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)連接與干電池的組合是可用的，因此不以相同的方式進(jìn)行比較。

1 列車(chē)模型控制系統(tǒng)設(shè)備基礎(chǔ)

列車(chē)模型控制系統(tǒng)設(shè)備主要包括列車(chē)模型、道岔、信號(hào)燈、道岔、列車(chē)定位裝置等。由于列車(chē)基本模型已經(jīng)配備了解碼模塊，本節(jié)僅介紹了列車(chē)模型的數(shù)字指令控制原理，不再致力于列車(chē)解碼，并且不再詳細(xì)闡述列車(chē)模型的基本知識(shí)。

在列車(chē)模型控制系統(tǒng)中，模型列車(chē)通過(guò)金屬輪獲得加載到軌道上的驅(qū)動(dòng)電流，提供了列車(chē)的速度和方向控制。

根據(jù)電流信號(hào)的不同，列車(chē)模型控制可分為直流直接控制（以下簡(jiǎn)稱“DC”）和數(shù)字指令控制（以下簡(jiǎn)稱“DCC”），但在同一間隔內(nèi)，DC 不能獨(dú)立控制列車(chē)運(yùn)行，存在缺陷，與小速度下列車(chē)運(yùn)行不平整有關(guān)，因此DC 控制只能用于演示沙盤(pán)等場(chǎng)景?；贒C設(shè)計(jì)改進(jìn)的DCC 控制機(jī)制，利用數(shù)字電流信號(hào)對(duì)列車(chē)模型進(jìn)行控制，進(jìn)入軌道。列車(chē)模型將軌道上的數(shù)字電流整流為驅(qū)動(dòng)器，并通過(guò)解碼器接收列車(chē)地址、行駛方向和車(chē)速信號(hào)，提供模型列車(chē)的獨(dú)立控制。

當(dāng)前的DCC 信號(hào)由二次信號(hào)調(diào)制，如圖1 所示。二次波的大小是根據(jù)不同比例的列車(chē)模型確定的，例如以HO 比例的列車(chē)模型對(duì)應(yīng)的方波幅值為14.5 V。在方波電流信號(hào)中，短波表示的是1，其周期為116 μs，長(zhǎng)波代表的是0，周期循環(huán)232 μs；延伸0 表示數(shù)據(jù)包的結(jié)束，周期循環(huán)在95 μs～9.9 ms 之間。

圖1 DCC 信號(hào)時(shí)序示意圖

數(shù)字指令控制（數(shù)據(jù)包由引導(dǎo)位、地址字節(jié)、信息字節(jié)、控制字節(jié)組成，其中指令位由1 位大于14 位、每個(gè)字節(jié)之間不大于4 位和0 位組成。DCC 信號(hào)不僅提供傳統(tǒng)的列車(chē)速度和方向控制、列車(chē)LED 和聲音控制、信號(hào)燈道岔解碼，它還允許對(duì)地址字節(jié)的變量進(jìn)行解碼。

信號(hào)燈一般采用簡(jiǎn)單的熒光二極管，通過(guò)開(kāi)關(guān)輸出驅(qū)動(dòng)器顯示的箭頭根據(jù)實(shí)際需要購(gòu)買(mǎi)。因此，本文中不再進(jìn)一步描述這一點(diǎn)。道岔轉(zhuǎn)換和列車(chē)位置確定以多種方式進(jìn)行，因?yàn)樗鼧?gòu)成了列車(chē)模型控制系統(tǒng)的核心。下面分階段分析這些原則、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

模型系統(tǒng)的控制分支可以從屬于過(guò)渡和電磁位移。后出口由一個(gè)小型旋轉(zhuǎn)機(jī)器組成，該機(jī)器由鋼絲繩啟動(dòng)，并由控制保護(hù)裝置的機(jī)構(gòu)控制。缺點(diǎn)包括難以安裝控制裝置、故障的可靠性和難以并行時(shí)間。當(dāng)2個(gè)電磁線圈連接到內(nèi)部閉合彈簧上，且控制裝置適應(yīng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，將發(fā)生電磁放電閉合，并將撥叉移向箭頭方向。開(kāi)關(guān)變換器可以使用DCC 傳輸控制信息，然后通過(guò)專用解碼模塊或?qū)Ｓ每ü芾碇苯訉?shí)現(xiàn)。

列車(chē)模型位置是列車(chē)位置反饋的檢測(cè)，是保證區(qū)間閉塞控制的基礎(chǔ)。主要采用機(jī)械微動(dòng)開(kāi)關(guān)、電流傳感器、光電傳感器、霍爾傳感器、干單簧管等工具。機(jī)械微動(dòng)開(kāi)關(guān)將機(jī)械觸點(diǎn)置于軌道上，以確定列車(chē)位置。該方法具有機(jī)械斷路器使用壽命短、接觸試驗(yàn)影響列車(chē)運(yùn)行等缺點(diǎn)。通過(guò)將軌道劃分為多個(gè)區(qū)段并確保不同區(qū)段的物理和電氣隔離來(lái)確定電流，當(dāng)列車(chē)在區(qū)段內(nèi)時(shí)，軌道電源可能導(dǎo)致該區(qū)段內(nèi)軌道電流的變化，這將允許通過(guò)電流測(cè)量確定列車(chē)的位置。光電傳感器設(shè)計(jì)用于在軌道間隔內(nèi)堆疊光電，當(dāng)列車(chē)通過(guò)時(shí)，光電池到燈的信號(hào)反射到列車(chē)底部，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路產(chǎn)生0 或1 信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路可以判斷列車(chē)并確定其位置。霍爾傳感器類似于光電參數(shù)，當(dāng)列車(chē)通過(guò)霍爾傳感器時(shí)，在列車(chē)后部安裝一個(gè)小磁鐵，由于磁場(chǎng)的變化，產(chǎn)生霍爾電位差，信號(hào)調(diào)整后產(chǎn)生0 或1信號(hào)。干單簧管還配備了一個(gè)小磁鐵在列車(chē)底部，當(dāng)火車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，它會(huì)使單簧管的彈簧磁化，它被磁鐵吸引，轉(zhuǎn)化為吸力，并進(jìn)入常開(kāi)觸點(diǎn)狀態(tài)，以便通過(guò)數(shù)字輸入模塊對(duì)列車(chē)進(jìn)行定向。單簧管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用壽命長(zhǎng)、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，已成為列車(chē)非接觸定位的主要方式。

在分析既有鐵路線路的需求和擴(kuò)建的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了沙質(zhì)車(chē)站的形式和回歸建筑風(fēng)格。鐵路軌道一般分為車(chē)站和區(qū)段。車(chē)站設(shè)有客貨裝卸平臺(tái)。在進(jìn)站進(jìn)路上，根據(jù)正常折返運(yùn)行的需要設(shè)置停車(chē)線，或在特殊情況下安排列車(chē)運(yùn)行。在一些車(chē)站、車(chē)輛回流線、停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛或中間站被遣返。

根據(jù)實(shí)際需要和軌道交通的實(shí)際配置，對(duì)沙盤(pán)模型覆蓋的A、B、C3 條線路設(shè)計(jì)了以下緩沖方案。

A 線由1 條自上而下的直線和5 個(gè)車(chē)站組成，均為島式站臺(tái)。A1 站下側(cè)設(shè)1 個(gè)交叉口，共有4 組道岔；A3 站有1 個(gè)帶有4 個(gè)箭頭的八角形出口；第5 段有交叉口和4 組道岔。正常情況下，列車(chē)在交叉口A1 和A5 車(chē)站運(yùn)行。

B 線由1 條自下而上的直線組成，車(chē)站由6 條環(huán)線設(shè)計(jì)，其中B5、B6 站為側(cè)站臺(tái)，其余為島式站臺(tái)。從B4 站下側(cè)設(shè)置回流線，用3 個(gè)箭頭與正交線連接；在B6 站底部安裝1 條帶2 個(gè)箭頭的單線；列車(chē)在環(huán)B上運(yùn)行，無(wú)需返回。

C 線由4 個(gè)車(chē)站組成，每個(gè)車(chē)站都是一個(gè)島式站臺(tái)。C1 站下部設(shè)置2 條折返線和2 條存儲(chǔ)線，分別位于2 條正交線的延長(zhǎng)線上，2 條折返線由6 個(gè)箭頭組成的交叉過(guò)渡線連接；為了轉(zhuǎn)移到C4 站，安裝了1 個(gè)帶有4 組道岔的交叉口。正常情況下，C1 終點(diǎn)站列車(chē)采用單道岔和交叉口，C4 終點(diǎn)站列車(chē)采用交叉口辦理折返。

2 管理結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際軌道運(yùn)動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)實(shí)際信號(hào)設(shè)備的配置，在沙地上設(shè)置信號(hào)設(shè)備、軌道電路、道岔、道岔等設(shè)備，模擬線路運(yùn)行時(shí)真實(shí)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)了沙地模型的仿真演示和教學(xué)功能。

沙箱本體的軌道、道岔、信號(hào)機(jī)、道岔機(jī)采用德國(guó)進(jìn)口標(biāo)準(zhǔn)的1∶87 通用模塊。為了確?？刂葡到y(tǒng)中車(chē)輛、線路、開(kāi)關(guān)和信號(hào)機(jī)的控制，建議使用底部控制包（最初由奧地利Rocco 進(jìn)口），以提供對(duì)車(chē)輛、線路、開(kāi)關(guān)和信號(hào)機(jī)的控制。主要硬件組件如表1 所示。

表1 沙盤(pán)模型主要設(shè)備

沙箱控制功能主要由主控制器和子系統(tǒng)的分布式系統(tǒng)完成。主控制器和相應(yīng)子項(xiàng)目的系統(tǒng)位于一條直線上，即3 個(gè)正交復(fù)合體A、B 和C。有3 個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)來(lái)降低系統(tǒng)的復(fù)雜性并提高系統(tǒng)的可用性。每個(gè)基本控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)由5 個(gè)軌道區(qū)段組成：一個(gè)車(chē)輛段中，每個(gè)軌道區(qū)段沿下降線通過(guò)，下降線分為2部分，每個(gè)部分與這2 部分隔離。列車(chē)可自動(dòng)通過(guò)隔離區(qū)段，無(wú)需“相位交叉”特殊操作。

3 硬件設(shè)備

硬件設(shè)備主要包括配電二次系統(tǒng)和警察二次系統(tǒng)。配電二次系統(tǒng)包括道路分岔系統(tǒng)、信號(hào)子系統(tǒng)、反饋?zhàn)酉到y(tǒng)和軌道電子系統(tǒng)，用于控制系統(tǒng)中的真實(shí)軌道模擬。

道路分岔系統(tǒng)包括道岔變流器殼體（含分岔節(jié)點(diǎn)）、雙線圈變流器、道岔譯碼控制器等。信號(hào)子系統(tǒng)。系統(tǒng)包括信號(hào)機(jī)外殼、信號(hào)解碼裝置、信號(hào)電源等。

反饋?zhàn)酉到y(tǒng)，由8 路反饋模塊、車(chē)輛反饋傳感器和電磁鐵組成。車(chē)輛反饋傳感器來(lái)自控制總線中的編碼器。高級(jí)機(jī)器用于引入邏輯評(píng)估，這將是服務(wù)器區(qū)域反饋?zhàn)酉到y(tǒng)。軌道電子系統(tǒng)，對(duì)于這種車(chē)型，每輛車(chē)都使用自己的電源，其中車(chē)輛分為2 部分，2 部分是分開(kāi)的。列車(chē)應(yīng)在無(wú)專用道岔或道岔的情況下自動(dòng)運(yùn)行。軌道電子學(xué)是主要的組成部分。

主控制裝置的模塊可分為外部模塊，用于車(chē)輛管理、數(shù)據(jù)傳輸和拆卸的建筑組件。各模塊與硬件控制緊密相連，確保整個(gè)砂體運(yùn)動(dòng)可控。

沙盒的硬件系統(tǒng)由3 個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)A、B、C 組成。系統(tǒng)由1 個(gè)主控制器、4 個(gè)放大器、多個(gè)指針、跨網(wǎng)絡(luò)解碼器和多個(gè)跨網(wǎng)絡(luò)編碼組件組成。主控制器負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，接收沙箱運(yùn)動(dòng)覆蓋命令。開(kāi)關(guān)設(shè)備的控制代碼和信號(hào)代碼。主機(jī)也從收發(fā)器傳輸?shù)椒答佅到y(tǒng)?？刂浦行倪B接到4 個(gè)放大器。在軌道上，6 列城市軌道交通提供4 個(gè)放大器。2 個(gè)車(chē)庫(kù)中有1 個(gè)放大器，主體部分有2 個(gè)放大器。

4 控制軟件

控制功能主要通過(guò)雙引擎計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將沙箱模型連接到本地和本地控制之間，并在車(chē)站狀態(tài)圖中顯示，接收操作員的控制命令，在驗(yàn)證其合法性后，將其發(fā)送給沙箱主控制器執(zhí)行。

管理軟件采用面向?qū)ο蟮腃++語(yǔ)言編寫(xiě)，并使用了廣泛的系統(tǒng)類庫(kù)。Vs2017 用作可視化編程環(huán)境中的可編程工具。

控制軟件按功能分類可分為視圖、通信和控制模塊。該模塊被描述為不同領(lǐng)域中的人類行為。它還反映了沙箱的狀態(tài)，并顯示了所述對(duì)象的效果。用于連接系統(tǒng)和quantum 以及Shan 設(shè)備的操作控制和采集的通信模塊；在收到操作員的命令后，模塊化設(shè)備控制對(duì)象的中心并模擬移動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)技術(shù)開(kāi)發(fā)、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，硬件運(yùn)行相對(duì)快速可靠，砂石和硬件系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地管理和維護(hù)，演示培訓(xùn)高效，類似的項(xiàng)目值得仿效。