摘 要： 由于在教学中不能到控制台上进行演练，学生缺乏实践经验，因此设计了一个符合铁道部相关技术标准的单线接发列车仿真系统。主要介绍了该系统的体系结构、基于组件实现的关键技术以及仿真系统故障模拟的要点。通过该系统，教师可以设置实际运行中所发生的故障，培养学生处理故障的能力。
关键词： 组件；故障；仿真
0 引言
现如今对于铁路仿真系统的进路排列、联锁和进路解锁算法的研究已有很多并已很完善，但是在此基础上，对于铁路故障的仿真却十分少见。为了让学生在校期间能充分了解铁路列车系统设备组成，提高处理故障的能力，保证铁路运输过程中的安全，本文设计了列车运行的故障仿真。通过单线接发列车仿真系统，有助于学生体验车务人员的日常工作流程，教师也可以通过教师机对学员机进行故障的设置，提高学员随机应对、处理特殊情况的应急能力。
1 系统的体系结构
系统中每个实验室各有沙盘一套（含3个车站）、沙盘接口系统一套，图1为单线铁路仿真系统。系统由大屏幕显示部分、教师机（管理服务器）、学员机（操作机）、沙盘模型、调度电话等部分组成。单线接发列车仿真系统沙盘设A、B、C三个站，B站接大屏显示。教师机可以对A、B、C三个站及区间设置故障。
教练机起着模拟站场设备状态的作用，如：设置信号故障、道岔故障、区段故障和模拟列车运行等，并可把这些状态信息发送至学员机。同时在学员机的对应设备上显示其状态信息，来作为学员模拟站场故障的处理，以达到提高学员处理故障问题的能力。教师机可以同时连接多台学员机，学员机与教师机之间的通信是双向的，只有当学员机连上了教师机才可以进行全部操作。教师机的主要界面如图2所示。
学员机起着仿真模拟现场计算机联锁系统（操作台）的作用。学员机具有以下功能：接收教练机发送来的信号设备状态信息（区段状态、道岔状态和信号机状态等），实现信号设备的联锁逻辑处理功能，完成进路确选、锁闭、发出开放信号和动作道岔的控制命令。学员可以在学员机上学习正常和非正常时的处理方法，培养解决故障的能力。
2 仿真系统故障模拟的功能结构
根据列车在实际运行途中故障处理的标准操作流程，可以将单线接发列车仿真系统故障模拟分为故障的设置、故障的处理、故障的监视、模拟列车的运行等步骤。所以将单线接发列车仿真系统故障模拟分为5个模块：联锁功能模块、联锁信息数据库管理模块、故障显示模块、故障设置模块和故障处理模块，各个模块相辅相成。将意义相近的步骤整合到同一个模块中，各模块之间相互独立，每个模块完成自己的功能。这种分布的体系结构及模块间的独立性，保证了系统具有良好的可扩展性[1-2]。图3为故障模拟的功能模块结构图。
2.1 联锁功能模块
该仿真培训系统以联锁软件模块为基础，联锁软件模块通过数据库模块读取数据库的数据，进行相应的计算。同时联锁模块通过计算故障显示模块传来的操作信息，得到更新的显示信息，再更新数据库中相对应的信息。
2.2 联锁信息数据库管理模块
数据服务器用于存储和维护系统所有的信息，是其他模块的数据后台，可以为其他模块提供数据提取和存储服务。在该仿真系统中，数据库需要的数据分为静态和动态两种。在程序运行前，被手动输入的数据就是静态数据，这些数据用来进行系统的初始化，在程序运行的过程中不会发生变化。关于区段、信号机、道岔的位置之类的都是静态数据。在运行了系统后，根据人员的操作，不断变化的列车信息、信号机的状态等都是动态的数据。
2.3 故障显示模块
故障显示模块提供了一个人机交互的界面，使得该仿真培训系统能够灵活地适应不同的场景。根据铁路的现场情况，按照标准绘制站场图，使模拟环境和真实环境基本一致，包括信号机、区段、道岔的位置等。故障显示模块可以实时地提供列车运行的状态信息以及故障信息的显示。
2.4 故障设置模块
系统分为教师机和学生机两大部分，故障设置模块是教师机的重要组成部分。在教师机上教师可以模拟故障设置，设置的故障主要包括信号机故障、区段故障、道岔故障等。在这个模块中还设计了与数据库信息的逻辑操作、教师机与学生机之间的通信以及故障设置的显示。
2.5 故障处理模块
故障处理模块是学员机的核心部分，它提供了故障处理的平台。学生机接收到教师机设置的故障后，根据每个故障的不同情况进行相对应的处理，同时教师机上也可以看到学生的处理结果。
3 关键技术的实现
3.1 组件的设计
站场图是该仿真系统的主视图，绘制站场图是开发该仿真系统的第一步。通过对实际站场图的分析，将整个站场图划分为几个相对独立的组件，并将组件的不同显示状态封装为组件不同属性的设定或方法调用。这些组件统称为站场图组件[3]。
3.1.1 组件的划分
站场图组件是微机联锁仿真系统中可视组件的一部分，它们分别对应于站场图中的图形元素。这些图形元素可以通过改变颜色或者形状来表达不同的含义。通过对实际站场的分析，提取出通用的站场组件，包括区段组件、道岔组件、信号组件等。
3.1.2 组件属性的设计
组件的属性分为以下两类：静态属性和动态属性。静态属性是指使用组件进行站场图设计或者界面设计时可以修改的一类组件属性，如道岔的朝向、区段的长短、信号机的种类等。动态属性是指在绘制站场图时无需设置的属性或者设置默认的属性，但在程序运行的过程中可以不断更改的属性。组件的动态属性主要包括区段占用、故障、道岔的定反、信号机的断丝等。这些动态属性在故障仿真中起着重要作用。因为在仿真系统运行时由教师进行故障设置，故障的表示用到了组件的动态属性。
3.1.3组件的实现
在该仿真系统中，将逻辑相对独立、使用频率较高的模块封装成为ActiveX组件。微软的ActiveX技术遵循了COM组件定义的规范，ActiveX对象将只对外部提供严格规范的调用接口。使用ActiveX组件技术来开发通用组件，缩短了仿真培训系统的开发周期，并使得软件质量得到了可靠的保证。在系统中利用VB开发了ActiveX组件。因为在VB中，可以很好地解决透明问题，这样在拼站场图时就不存在组件之间的遮挡问题。图4为进站信号机，方向是从左到右，名称为X1。信号机的名称、信号机的朝向等都是静态属性。信号机的故障类型等在仿真模拟时才会用到的属性则是信号机的动态属性。
在编写组件时，第一步是按照现场的信号机样子进行模拟，用程序把它画出来。信号机是用有颜色的圈圈和一个水平的“|—”组合表示的。接着就是编写信号机的各种属性以及各种属性所对应的各种信号机的状态。以信号机的名字属性作为例子来说明。
（1）通过ReadProperties来读取ID属性的值。
Private Sub UserControl_ReadProperties（PropBag As PropertyBag）
m_ID=PropBag.ReadProperty（"ID"，def_ID）
End Sub
（2）通过WriteProperties来保存ID属性的值。
Private Sub UserControl_WriteProperties（PropBag As PropertyBag）
Call PropBag.WriteProperty（"ID"， m_ID， def_ID）
End Sub
（3）通过Get函数获取信号机当前的ID，再通过Let函数设置信号机新的ID名称。
Public Property Get ID（） As String
ID=m_ID
End Property
Public Property Let ID（ByVal vNewValue As String）
Dim ss As String
ss=m_ID
m_ID=vNewValue
PropertyChanged "ID"
RaiseEvent CaptionChanged（ss， vNewValue）
UserControl.Refresh
End Property
编写完组建后，生成.ocx文件就可以在仿真系统中运用了。图5所示是编写完成的信号机组件的一部分属性。
3.2 联锁表的编制
联锁表反映了车站内的道岔、进路和信号机之间的联锁关系。根据站场图，按照信号机排列顺序列出本站可办理的所有进路，按照这种进路的排列顺序完成联锁表的编制。每条进路中联锁内容包括进路的始端信号机、终端信号机、道岔锁闭、区段锁闭、敌对条件等。
采用Accesss数据库进行数据的存储。在数据库中主要存储了关于信号机、道岔、区段的信息。以信号机为例，在数据库中保存了信号机的Index（站场图上的编号）、ID（站场图上的名称）、Type（0-进站、1-出站、2-调车、3-区间）、Direct（信号机的方向）、FirstQD（信号机朝向所对应的区段或者道岔）、JJQD（靠近信号机的区段或者道岔）、Difference（差置信号）、Apposition（并置信号）以及YH（所在咽喉）这些信息。
3.3 故障仿真
3.3.1 故障的分类
在该模块中故障主要有区段故障、信号机故障、道岔故障。其中区段故障有区段占用、区段故障、区段压不死等；信号机故障有设置红灯灯丝断、设置黄灯灯丝断、设置白灯灯丝断等；道岔故障有道岔定反无表示、道岔定位无表示、道岔反位无表示等[4]。
3.3.2 故障仿真的实现
故障仿真通过教师设置故障类型、故障的地点，在站场视图上模拟出故障。当仿真软件运行到故障发生时刻时，站场视图上的相应设备组件会被设置成故障状态，站场视图上的其他设备也会做出相应状态改变。如信号机断丝表示此处列车无法通过。要做到逼真的故障仿真，就要保证其发生时，站场视图上的各设备状态与故障现场一致。
在该仿真系统中道岔、信号、区段的操作和故障设置在对应设备的下拉菜单中，图6是信号机的下拉菜单。
以信号机的断丝故障为例，当显示设置红灯灯丝断时，先去找到相对应的断丝故障的bit位，并对该位置进行设置。
Public Sub SetXHErr（ByVal Index As Integer， ByVal DW As Integer， blnFlag As Boolean）
Dim oldXHErr As Boolean
oldXHErr=frmMain.XH（Index）.Error Or frmMain.XH（Index）.Fault
If blnFlag Then
Select Case DW
Case 1 ′红
frmMain.XH（Index）.ErrDW1 = True
If Not FindBit（Index， 0） Then
SetBit Index， 1， False
SetBit Index， 2， False
End If
SetBit Index， 7， True
………………………….
ShowSpecialErrInfo XHInfo（Index）.YH
End Sub
ShowSpecialErrInfo函数实现了对故障的显示，并且把发现故障的信号机加入到故障信息列表里，以便于后面的查看。
4 结论
单线接发列车仿真系统为学生提供了一个逼真的实训环境。该系统的故障模拟有助于学生体验车务人员的日常工作流程，教师也可以对学生进行故障的设置，提高学员随机应对、处理特殊情况的应急能力。
参考文献
[1] 赵根苗，陈永生.ATS仿真培训系统的设计与实现[J].城市轨道交通研究，2004，7（1）：55-57.
[2] 鲁也传，陈永生，郭玉臣.基于通信的列车自动监控系统平台设计与实现[J].计算机应用，2009，29（S2）：152-15.
[3] 王野，郭秀清.基于组件技术的列车自动监控仿真系统开发平台[J].计算机应用，2007，27（z2）：286-288.
[4] 张耀方.CRH3型动车组故障仿真训练系统的研究[D].北京：北京交通大学，2012.