城市轨道交通CBTC信号控制及运营管理仿真实训系统

城市轨道交通CBTC信号控制及运营管理仿真实训系统

一、系统介绍

★城市轨道交通CBTC信号控制及运营管理仿真实训系统仿真沙盘

（一）城市轨道交通CBTC信号控制及运营管理仿真沙盘的总体功能及特点

图1 城市轨道交通CBTC信号控制及运营管理仿真沙盘系统平面图

1. 以微缩城市轨道交通设备模拟线路运行情况，可以实现线路上列车行车调度信号、指挥系统和调度系统的模拟训练。

2. 采用四个实体站+N个虚拟仿真站的方式实现完整的线路模拟系统，投资量小，但可以通过虚实结合的方式模拟完整地铁线路。仿真小车在驶出真实线路区域后，将在虚拟存车线中运行。

3. 系统按CBTC系统实际分布及应用等级划分为控制中心仿真设备、车站级轨旁仿真设备、车载仿真设备三部分，系统划分明细，各子系统间接口清晰，方便对各子系统的单独学习和研究，亦可实现整个大系统的联动实训。

4. 采用真实的转辙机、信号机等室外信号设备，并与联锁系统接口，能够实现联锁系统对真实转辙机的操纵、定/反位转台采集、信号点灯及真实轨旁信号设备的维护实训等。

5. 可进行CBTC和点式后备模式下的地铁信号系统运营仿真实训，模拟信号系统故障降级模式下的系统运营；

6. 能够模拟演示信号故障，演绎行车规则，训练行调和值班站长对事故处理的能力。

7. 能够真实显示出操作列车运行图、列车闭塞、运行等；道岔能电控，库内调车。

8. 列车运营沙盘的行车调度能反映城市轨道交通现场行车组织与相关设备之间的关联关系。通过编制调度指挥计划和下达控制系统指令，实现列车在模拟线路上运行，直观体现出各项行车组织作业与车站、线路、车辆等运输设备之间的关联关系，完成仿真实训系统制定的行车任务。

9. 实训系统载体是场站、行车、调度、信号等平台建设内容的集中体现，表现形式分为静态展示和动态演示两部分。静态展示形象地表示地形地貌、场景绿化、城市建筑、高架桥梁、山形隧道和河流水系等基础设施；动态演示是指根据行车调度系统下达的计划，通过转化为控制系统指令，完成列车在实训系统载体上的调度运行控制，从而达到动态演示的目的。

10. 车站控制设备训练系统是城市轨道交通工程训练体系的重要组成部分，能帮助学生更直观、更感性的理解信号和行车调度的理论知识，加深调度和车辆之间协调的认识，同时利于学生在脑海中快速建立线路和车辆运行的立体图。

11. 轨道交通综合调度控制仿真教学系统包括ATC实训系统、联锁仿真实训系统、城市轨道交通ATS系统、轨道交通运营沙盘信息系统等，可作为轨道交通运营沙盘综合实验教学平台。

12. 轨道交通运输线路仿真实训系统：集成了常见的轨道交通固定及移动设备，可仿真城轨系统的运行过程，并可与轨道交通综合调度控制仿真教学系统集成，形成软硬件结合的一体化仿真实训平台。

13. 系统提供教学组织管理功能，用于教师组织学生进行教学和实验。

14. 系统性能满足连续工作时间不低于12小时，能够适应-10～50摄氏度及不高于85%相对湿度的环境。

15. 具备为用户提供所有控制系统的通信及接口协议，所有控制及数据信号均能进入以太网的能力。

16. 轨道交通列车运营沙盘在设计时统一布局，操作上能相互独立，也能相互关联。

17. 地铁信号系统的车地通信采用无线通信技术，采用自由无线通信技术模拟实现。

18. 实训系统台体模型及控制系统能为系统后续升级拓展提供接口和详细说明书。

19. 系统采用分布式仿真计算架构，可以采用可伸缩的部署方案，对于软件模块的部署没有工作站的划分限制。甚至一个工作站可以运行多个车站的仿真单元。可以根据现场的运算负载进行动态的调整。

城市轨道交通CBTC信号控制及运营管理仿真系统沙盘的实体线路单轨图如下图所示：

图2 CBTC信号控制系统沙盘的实体线路单轨图

（二）组成及架构

城市轨道交通CBTC信号控制及运营管理仿真系统由控制中心仿真设备、车站级轨旁仿真设备、车载仿真设备三部分组成，具体组成及功能如下：

表1城市轨道交通CBTC信号控制及运营管理仿真系统设备组成

各子系统的具体组成及功能描述如下：

1）控制中心仿真子系统：

控制中心仿真系统采用与南京地铁2号线控制中心OCC相同的人机界面和符号集表示方式，可在以下方面对调度人员进行ATS相关的模拟培训：

• 进行列车识别号的管理；
• 模拟列车和车次号步进，模拟线路上列车的运营；
• 在大屏幕上综合显示全线线路状况、列车位置及状态；
• 生成列车运行的各种数据和报表及打印；
• 进行用户权限管理；
• 信号设备模拟：可以模拟车辆段和正线信号设备的状态变化，并响应培训学员在培训工作站上对信号设备的操作；
• 故障模拟：模拟控制中心轨道/计轴故障及故障恢复；模拟道岔状态故障及故障恢复；模拟信号机故障及故障恢复；模拟控制中心外部外部接口故障等；
• 场景保存与调用：模拟系统可以将当前的模拟场景保存到硬盘，并可以在下次模拟时快速调用恢复场景。

设备组成：控制中心仿真设备组成如下图所示：

图3 控制中心仿真设备组成

此次提供的控制中心仿真设备参考西门子信号系统ATS功能及显示方式，力求和实际系统的*。系统实物设备包括：

1）综合显示大屏：采用8台46寸液晶LCD（2行×4列）组成的大屏幕显示阵列、支架和分屏器组成，用于模拟显示线路上的所有列车、轨道区段、道岔、信号机、车站等的实时状态，显示的内容和符号定义与真实系统**；

2）中央ATS服务器：用于模拟中央ATS系统处理服务器的列车车次号管理、自动进路设置、列车调整、用户权限管理、控制权管理、记录和回放、报警及事件管理等功能；

3）培训模拟器：可模拟线路和轨旁设备状态，可模拟一定数量的点式或CBTC列车，并能根据排列出的进路自动控制多列车运行，可模拟和生成控制中心常见故障；

4）调度员工作站HMI：两台调度员培训工作站HMI可以让学员实际操作ATS人机界面，完成人工进路设置、部分或全部信号机自排全开/自排全关、追踪全开/追踪全关、单独操作或锁闭轨旁信号设备、车次号操作、控制权的交接、设置紧急停车、扣车、跳停指令、联锁相关的道岔单操、道岔单锁、关闭信号、重新开放信号、封锁（单个或全区）信号、区段封锁等功能。学员也可分析和处理工作站上出现的相关事件信息和故障报警信息；

5）打印机：可生成列车运行的各种数据报表，能生成学员模拟和操作记录；

6）网络设备：构成冗余的控制中心网络。

2）车站级轨旁仿真子系统：

车站级轨旁仿真设备是基于城市轨道交通主流ATC轨旁系统架构及设备研发的一套服务于用户培训的分布式仿真系统。该系统采用先进的分布式仿真技术，将地理位置上独立分布的不同软硬件设备有效整合，构建成一套实物与仿真模拟设备相结合的车站级轨旁ATC仿真系统。该系统具有以下功能特点：

• 可实现对行车管理人员（调度员、车站值班员）和信号设备维护人员进行轨旁ATC系统功能和原理的培训；
• 可以培养信号维修人员发现和处理轨旁信号设备故障的能力，考核维修人员的工作水平。
• 通过现地工作站可实现车站级本地ATS相关功能。通过对车站值班员进行培训，可使其全面掌握站级ATS系统的相关操作；
• 对轨旁室外信号基础设备维护人员进行培训，使其熟悉并掌握各种轨旁设备的功能及原理；
• 真实的计轴系统配合仿真小车，可以模拟一个计轴轨道区段的占用和出清，使学员能对计轴和轨道区段相关功能及原理有更进一步的认识；
• 可仿真实现联锁系统相关功能，通过与真实的西门子S700K转辙机和真实信号机的连接，了解联锁系统、转辙机、信号机相关维护、接口原理、操作方法、常见故障识别与处理等；
• 采用真实的电源屏系统，可以开展电源屏的操作、使用、维护及常见故常排除等实训教学。

设备组成：车站级轨旁仿真设备组成如下图所示：

图4 车站级轨旁仿真设备组成

车站级轨旁仿真设备是以南京地铁2号线CBTC系统的轨旁室内/室外设备为基础进行开发的，轨旁室外设备大多采用真实设备，室内仿真机柜无论在外观和功能上都力求和实际系统*。系统设备包括：

1）计算机联锁设备：模拟西门子SICAS联锁系统相关功能，可实现排列和取消进路、操控转辙机、开放信号机等相关联锁功能，可模拟常见的联锁故障现象；

2）区域控制器：模拟西门子TrainguardMT系统的轨旁WCU-ATP子系统的相关功能，能实现列车跟踪、移动授权计算等的仿真；

3）计轴主机：模拟计轴系统实现计轴功能；

4）继电器接口柜：采用真实的继电器接口柜和铁路信号重力式安全型继电器；

5）防雷分线柜：含机柜及防雷端子；

6）电源屏：采用真实电源屏设备，选用目前地铁项目中使用的主流电源屏品牌；

7）现地工作站：通过现地工作站可实现车站级本地ATS相关功能，仿真界面及符号集定义与南京地铁2号线现地工作站**；

8）网络交换机等网络设备：采用16口以太网交换机组建车站级轨旁仿真网络；

9）计轴磁头：采用2套计轴磁头，可构成一个完整的轨道区段，配合仿真小车可实现轨道区段的占用和出清；

10）信号机：选用地铁正线所使用的真实矮柱三显示信号机；

11）三相交流转辙机：选用地铁正线所使用的真实西门子S700K转辙机，通过仿真计算机联锁设备实现对转辙机的操纵；

12）紧急停车按钮：实物车站紧急停车按钮；

13）发车计时器或表示器DTI：采用LED点阵发车计时器，包含外壳及支架；

14）可变数据应答器：定制的450mm╳260mm╳40mm欧标应答器（含可变应答器电缆）教具1台；

15）固定数据应答器：定制的450mm╳260mm╳40mm欧标应答器教具2台；

16）AP机柜及天线：模拟轨旁AP机柜1台及柱状自由波天线2根；

17）无人折返按钮：实物按钮；

18）LEU机柜：仿真轨旁LEU机柜一台；

19）箱盒及线缆：根据仿真系统搭建的需要，配置箱盒及线缆。

3）车载仿真子系统：

地铁CBTC实训系统设备用于信号维修及使用人员全面理解和掌握信号ATC系统控制中心设备、轨旁设备、车载设备系统组成及原理、相关功能和操作、故障识别与维护等方面的知识和技能。

车载仿真系统采用实物和仿真设备相结合的系统构成方案，能够模拟城市轨道交通车载信号系统真实设备环境、外部传感器环境和车辆接口环境，能提供逼真的驾驶室人机交互界面HMI、驾驶台指示灯、按钮、开关，提供全功能、全过程、具有实时驾乘体验的仿真培训服务。

车载仿真设备可以对城轨列车司机和车载信号设备操作维护人员进行下列模拟实训工作：

• 利用仿真车载ATP/ATO系统主机对车载信号设备操作维护人员进行设备的工作原理、设备组成、基本操作、故障识别与排查的培训与考核；
• 对安装和维护人员进行车载外部真实传感器设备的安装和日常维护作业培训； 
• 通过测速仿真装置提供的调速系统及调试电机，根据模拟的列车速度驱动车载脉冲里程计OPG旋转，并随着仿真列车速度的变化改变OPG转速；
• 通过模拟故障注入训练提高信号维修人员发现和处理故障的能力，考核维修人员的工作水平；
• 培训设备可以模拟车载ATP、ATO系统和设备的运行情况，配合驾驶台指示灯和司机显示单元HMI，可进行车载信号系统的驾驶模式管理、列车定位、超速防护、自动驾驶、车门监督与控制、扣车/越站、退行监督等功能的演示和操作体验；
• 可对列车驾驶员进行培训，进行模拟驾驶操作，使其了解信号的相关知识及操作方式。

设备组成：车载仿真设备组成如下图所示：

图5 车载仿真设备组成

车载仿真设备以目前国内主流的城市轨道交通信号系统设备组成、界面及功能为基础，做到与真实系统的界面及功能相*。为了提高系统的仿真实训效果，测速仿真装置仿真地铁项目中使用的真实脉冲速度传感器，并采用电机和调速系统根据仿真列车速度实时驱动和模拟车轴及测速传感器旋转。

车载仿真设备组成包括：

1）车载ATP/ATO设备：模拟西门子CBTC系统的车载OBCU设备。能够实现车载ATP/ATO的系统的上电操作、驾驶模式预选操作及管理、列车定位、防护曲线计算、超速告警与防护、自动驾驶、站台自动精确停车、车门监督与控制、扣车/越站、退行监督等功能；

2）列车模拟器：模拟真实信号系统与车辆接口，接收来自于司机培训台的开关、按钮和控制手柄的操作指令。仿真列车动力学模型，根据人工或ATO的牵引/制动操作命令，对列车的速度、加速度和位置进行模拟，并根据仿真列车位置向车载ATP/ATO设备发送和更新应答器报文信息；

3）车载无线天线：提供两套模拟的CBTC系统的车载柱状自由波天线教具；

4）车载应答器查询器：提供一套模拟的车载应答器查询器教具；

5）测速仿真装置：仿真脉冲式速度传感器，并结合驱动电机及调速系统，根据列车模拟器输入的仿真列车速度，实时驱动车轴及速度传感器旋转；

6）模拟驾驶培训台（器）：包含信号系统司机显示单元HMI、驾驶台操作按钮、开关和指示灯。其中司机显示单元HMI采用10.4”高分辨率显示屏，通过接收车载ATP/ATO系统传来的显示信息，实时显示列车当前速度、推荐速度、紧急制动触发速度、目标速度、目标距离、列车控制级别、运行模式、紧急制动状态、车门状态、警示信息等内容；驾驶台操作按钮包括：车门允许按钮、ATO启动按钮、驾驶模式预选升级按钮、驾驶模式预选降级按钮、自动折返按钮、确认按钮；驾驶台操作开关包括：门模式选择开关、驾驶室激活钥匙、列车方向开关及手柄等；指示灯包括：ATO启动灯、折返指示灯、门状态指示灯等。或采用仿真计算机仿真技术实现计算机软界面仿真驾驶操作。

大屏及实物设备

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