城軌列車運(yùn)行自動(dòng)控制實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

南 洋

（長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長春 130033）

目前，符合國家建設(shè)地鐵標(biāo)準(zhǔn)的城市，國務(wù)院已經(jīng)批準(zhǔn)了39個(gè)，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到50個(gè)左右，總規(guī)劃里程達(dá)7000km，是目前總里程的4.3倍。快速發(fā)展的軌道交通，保障其高效、安全、可靠運(yùn)營的根本就是列車控制系統(tǒng)，而列控系統(tǒng)離不開軌道交通信號及控制專業(yè)相關(guān)技術(shù)人員的努力。因此，培養(yǎng)大批具有應(yīng)用技術(shù)能力及創(chuàng)新思維的專業(yè)人才成為高職教育責(zé)無旁貸的重任[1]。列控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用對系統(tǒng)維護(hù)人員的需求量和職業(yè)技能水平也不斷增加，高職院校需要開發(fā)適合職業(yè)崗位技能需求的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，以增強(qiáng)學(xué)生對理論知識的鞏固和對職業(yè)技能的培養(yǎng)，滿足實(shí)踐教學(xué)需求。

1 城軌列車運(yùn)行自動(dòng)控制

城市軌道交通系統(tǒng)中，有效提高列車運(yùn)行效率并且保證列車運(yùn)行安全是系統(tǒng)運(yùn)營的首要任務(wù)，而確保上述功能實(shí)現(xiàn)的方式就是城軌列車運(yùn)行自動(dòng)控制技術(shù)（Automatic Train Control，ATC）。其以車載信號為主體信號，根據(jù)地面?zhèn)魉偷乃俣然蚓嚯x等信息，自動(dòng)控制列車的運(yùn)行，是保證列車運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)行車指揮和列車運(yùn)行自動(dòng)化，提高運(yùn)輸效率，減輕運(yùn)營人員勞動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)鍵設(shè)備，是一套完整的管理、控制、監(jiān)督系統(tǒng)[2]。

根據(jù)城市軌道交通通信信號技術(shù)的發(fā)展，目前我國應(yīng)用的列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)主要有基于軌道電路的列車控制系統(tǒng)（Track Circuit Based Train Control，TBTC）和基于無線通信的列車控制系統(tǒng)（Communication Based Train Control，CBTC）。TBTC系統(tǒng)技術(shù)成熟，安全可靠，但由于TBTC系統(tǒng)基于軌道電路來檢測列車位置并向列車發(fā)送控制信息，其軌道電路在性能和功能上存在缺陷和限制。CBTC是新型的城市軌道交通ATC系統(tǒng)，包括采用感應(yīng)環(huán)線和無線通信的CBTC系統(tǒng)[3]。

2 城軌列車運(yùn)行自動(dòng)控制實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 ATC系統(tǒng)技術(shù)革新推動(dòng)職業(yè)技能培養(yǎng)水平提高

隨著科技的不斷發(fā)展，ATC系統(tǒng)也從傳統(tǒng)的基于模擬軌道電路的ATC系統(tǒng)發(fā)展到基于數(shù)字軌道電路的ATC系統(tǒng)，再到現(xiàn)在的基于無線通信的CBTC系統(tǒng)，而未來互聯(lián)互通的CBTC系統(tǒng)將成為我國列車控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

為了更好地滿足現(xiàn)代學(xué)徒制建設(shè)需要，完成企業(yè)對學(xué)徒的用工需要，城市軌道交通通信信號技術(shù)相關(guān)專業(yè)學(xué)生需要通過實(shí)踐課程的實(shí)際動(dòng)手操作，了解城軌ATC系統(tǒng)不斷變化的新技術(shù)。但是，目前我國有關(guān)列控系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)和培訓(xùn)的設(shè)備較少，各高等院校相關(guān)設(shè)備列控功能體現(xiàn)不全面，且針對性較差，使學(xué)生尚不能完全掌握相關(guān)崗位工作內(nèi)容，也無法提高他們的實(shí)踐動(dòng)手能力。因此，為跟上ATC系統(tǒng)技術(shù)革新的步伐，更好地提高學(xué)生職業(yè)技能水平，設(shè)計(jì)開發(fā)滿足實(shí)踐教學(xué)和培訓(xùn)需求的列控系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)已經(jīng)迫在眉睫。

2.2 城軌列車運(yùn)行自動(dòng)控制實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)自主開發(fā)，性價(jià)比高

目前，我國列控系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格昂貴，動(dòng)輒上千萬元一套，而且國外公司列控系統(tǒng)核心技術(shù)受知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，處于保密狀態(tài)。對于高職院校而言，價(jià)格如此昂貴，如果作為學(xué)生實(shí)踐教學(xué)設(shè)備，一次性投入過大，性價(jià)比較低。而通過自主設(shè)計(jì)開發(fā)列控實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，可以大大節(jié)省資金，同時(shí)可以通過仿真教學(xué)來為高職院校學(xué)生和企業(yè)員工提供技術(shù)培訓(xùn)，除了實(shí)現(xiàn)教學(xué)應(yīng)用外還具有一定的社會(huì)服務(wù)功能。

2.3 設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)對接企業(yè)需求，針對性強(qiáng)

傳統(tǒng)城市軌道交通通信系統(tǒng)和信號系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備主要以沙盤演示及通信、信號設(shè)備實(shí)物操作為主，普遍通用化設(shè)計(jì)且功能展示以結(jié)果為主，缺少針對性?；谄髽I(yè)實(shí)際需求的設(shè)計(jì)理念來進(jìn)行列控實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，可以充分吸收已有相關(guān)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼顧實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性及可操作性。在滿足行業(yè)、企業(yè)對信號段、通信段工作人員的職業(yè)技能需求基礎(chǔ)上，與理論課程相適應(yīng)、與學(xué)生層次相適應(yīng)、與崗位技能相適應(yīng)，力求通過簡單的實(shí)踐操作和過程演示，讓學(xué)生通過觀察現(xiàn)象及動(dòng)手實(shí)際操作實(shí)現(xiàn)對理論知識的鞏固，從而實(shí)現(xiàn)“學(xué)徒”的職業(yè)技能培養(yǎng)。

3 城軌列車運(yùn)行自動(dòng)控制實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)長春軌道交通集團(tuán)有限公司所提出的職業(yè)技能需求，該實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)可用于實(shí)現(xiàn)輔助專業(yè)多門理實(shí)一體課程及專修實(shí)踐課程中相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程及實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)踐教學(xué)。

城軌列車運(yùn)行自動(dòng)控制實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)主要由信號仿真教學(xué)模塊和通信真教學(xué)模塊兩部分組成，如圖1所示。兩套系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際教學(xué)需要單獨(dú)啟動(dòng)某一系統(tǒng)，或者可以兩者聯(lián)合啟動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)要求。該實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)采用虛實(shí)結(jié)合的方式，通過真實(shí)設(shè)備和虛擬仿真相結(jié)合，更加立體地呈現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)相關(guān)功能。

圖1 列車運(yùn)行自動(dòng)控制實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)

3.1 信號仿真教學(xué)模塊

城市軌道交通列控系統(tǒng)中，不論是TBTC系統(tǒng)還是CBTC系統(tǒng)，其信號系統(tǒng)都肩負(fù)著保護(hù)運(yùn)行列車的運(yùn)行安全，提高列車運(yùn)行效率的重要使命。對于信號段工作人員來說，需要掌握其主要基礎(chǔ)設(shè)備的日常維護(hù)與檢修、聯(lián)鎖系統(tǒng)的日常維護(hù)及車載設(shè)備的調(diào)試與維護(hù)等工作內(nèi)容，并具備相關(guān)實(shí)際操作技能。

為培養(yǎng)城市軌道交通通信信號技術(shù)專業(yè)學(xué)生相關(guān)職業(yè)能力，通過信號仿真教學(xué)模塊的基本控制功能可以集中展示各信號基礎(chǔ)設(shè)備的聯(lián)鎖關(guān)系，并可以單獨(dú)展示各自的工作過程，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備性能測試的操作。此外，此實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)還可對列控系統(tǒng)的功能進(jìn)行仿真。

例如，信號仿真教學(xué)系統(tǒng)具備的主要功能設(shè)計(jì)有：通過信號基礎(chǔ)設(shè)備的不同狀態(tài)表示進(jìn)路位置及開通狀態(tài)；通過接收信號控制命令驅(qū)動(dòng)相關(guān)信號設(shè)備動(dòng)作，如信號機(jī)、道岔的控制等，學(xué)生可以了解信號系統(tǒng)控制命令執(zhí)行過程；可設(shè)置進(jìn)路故障，引導(dǎo)學(xué)生對分路不良、“紅光帶”誤顯示等故障進(jìn)行分析處理；能夠?qū)崿F(xiàn)信號設(shè)備相關(guān)電氣性能測試，提高學(xué)生對地鐵現(xiàn)場日常巡檢工作流程的熟練度；能夠通過信號仿真平臺(tái)進(jìn)行ATO系統(tǒng)的模擬和ATS系統(tǒng)的模擬等。

3.2 通信教學(xué)模塊

城市軌道交通通信系統(tǒng)是指揮列車運(yùn)行、公務(wù)聯(lián)絡(luò)和傳遞各種信息的重要手段，是保證列車安全、快速、高效運(yùn)行不可缺少的綜合通信系統(tǒng)[4]。通信系統(tǒng)是列車自動(dòng)控制的基礎(chǔ)設(shè)備，一方面負(fù)責(zé)傳輸各種控制指令和行車信息，另一方面實(shí)現(xiàn)全線各個(gè)系統(tǒng)的通信與聯(lián)動(dòng)工作，因此數(shù)據(jù)互通是信號模塊與通信模塊設(shè)計(jì)的首要要求。對于通信段工作人員來說，除了需要掌握車-地通信傳輸系統(tǒng)（包括有線通信和無線通信）的基本工作原理及工作過程以外，還應(yīng)該掌握專用通信設(shè)備的日常維護(hù)及常見故障處理方法，并具備相關(guān)實(shí)際操作技能。

為培養(yǎng)城市軌道交通通信信號技術(shù)專業(yè)學(xué)生相關(guān)職業(yè)能力，通信系統(tǒng)仿真平臺(tái)主要展現(xiàn)傳輸系統(tǒng)的工作過程，實(shí)現(xiàn)有線通信和無線通信，通過仿真平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)性能測試。此外，此平臺(tái)還可通過添加擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)其他通信子系統(tǒng)功能展現(xiàn)，如PA系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)等。

例如，通信仿真教學(xué)系統(tǒng)具備的主要功能設(shè)計(jì)有：能夠通過有線通信和無線通信方式實(shí)現(xiàn)車地雙向通信，可通過平臺(tái)修改行車信息從而實(shí)現(xiàn)對信號系統(tǒng)的控制；能夠通過傳輸系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)其他通信子系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)功能展示等。

4 結(jié)語

城市軌道交通系統(tǒng)快速發(fā)展的背景下，列控系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，系統(tǒng)維護(hù)人員的需求量不斷增加，其職業(yè)技能水平要求也不斷提高。設(shè)計(jì)與開發(fā)城軌列車運(yùn)行自動(dòng)控制教學(xué)系統(tǒng)，可以增強(qiáng)學(xué)生對理論知識的鞏固和對職業(yè)技能的培養(yǎng)，滿足實(shí)踐教學(xué)需求。該系統(tǒng)可適用于城市軌道通信信號技術(shù)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)工作，可對信號工、通信工進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)。