地鐵信號系統(tǒng)的仿真研究

蔡璇

【摘 要】地鐵運(yùn)輸是城市交通中重要的組成部分，也是如今人們出行的重要交通工具。隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提升以及現(xiàn)代通信技術(shù)的研究，地鐵信號系統(tǒng)的性能也得到了不斷的完善。論文根據(jù)地鐵信號基礎(chǔ)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)綜合仿真研究，實(shí)現(xiàn)地鐵信號基礎(chǔ)設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備安裝順序的立體模型建設(shè)，并運(yùn)用相關(guān)的信息技術(shù)做出對地鐵車輛運(yùn)行動(dòng)態(tài)模式的仿真模擬，讓學(xué)生能夠快速了解地鐵信號基礎(chǔ)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和整體結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理、地鐵列車的整體運(yùn)行模式，進(jìn)而提高軌道交通專業(yè)課程的教學(xué)效果。

【Abstract】Metro transportation is an important part of urban transportation， and it is also an important means of transportation for people today. With the development of society and the advancement of science and technology， as well as the study of modern communication technology， the performance of metro signal systems has also been continuously improved. This paper studies the experimental comprehensive simulation of virtual reality technology according to the structure and principle of metro signal infrastructure equipment， and realizes the three-dimensional model construction of the basic structure， running state and installation sequence of metro signal infrastructure equipment， and the relevant information technology is used to simulate the dynamic mode of metro vehicle operation， so that students can quickly understand the technical parameters and overall structure of metro signal basic equipment， as well as the operation principle and the overall operation mode of metros vehicle， so as to improve the teaching effect of rail transit professional courses.

【關(guān)鍵詞】地鐵信號系統(tǒng);仿真;軌道交通

【Keywords】metro signal system; simulation; rail transit

【中圖分類號】U284? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069 （2020） 01-0193-02

1 引言

地鐵信號基礎(chǔ)設(shè)備是地鐵正常運(yùn)行安全與穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵性保障設(shè)備的重要組成部分。其運(yùn)行的功能是為地鐵信號系統(tǒng)控制地鐵車輛進(jìn)行運(yùn)行、車輛穩(wěn)定、線路轉(zhuǎn)換、整體的速度調(diào)控和車輛調(diào)轉(zhuǎn)等進(jìn)行信號的收發(fā)與控制，因此，地鐵信號系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備整體結(jié)構(gòu)、運(yùn)行的作用和操作原理等全部的專業(yè)知識是軌道交通專業(yè)學(xué)校學(xué)生所必須掌握的內(nèi)容。隨著現(xiàn)代素質(zhì)教育和新課程改革標(biāo)準(zhǔn)的推行，對學(xué)生的實(shí)踐能力要求越來越高。但就目前的實(shí)際教學(xué)情況來講，無法讓學(xué)生到地鐵運(yùn)行現(xiàn)場去進(jìn)行實(shí)際的觀察和學(xué)習(xí)，并且地鐵信號的設(shè)備通常體積都很大，由于其成本造價(jià)也較高，無法實(shí)現(xiàn)將實(shí)物帶到專業(yè)的教學(xué)課堂上來進(jìn)行實(shí)際的操作和設(shè)備結(jié)構(gòu)的展示，而且教學(xué)實(shí)驗(yàn)室也無法將真實(shí)的地鐵場景做出完全的還原，然而，利用虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)進(jìn)行虛擬世界的仿真場景和設(shè)備的創(chuàng)建就能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)踐教學(xué)的體驗(yàn)，通過利用信息設(shè)備的軟件系統(tǒng)結(jié)合真實(shí)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行地鐵運(yùn)行模式和信號系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的真實(shí)環(huán)境的模擬并建立出交互式的三維動(dòng)態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)將真實(shí)的多元信息進(jìn)行融合到三維立體模型動(dòng)態(tài)模擬行為當(dāng)中的系統(tǒng)方針，讓學(xué)生能夠整體深入到三維立體的虛擬環(huán)境中。在相關(guān)城市軌道交通專業(yè)院校課程中進(jìn)行實(shí)踐式模擬教學(xué)具有很好的優(yōu)勢和作用。

2 地鐵信號基礎(chǔ)設(shè)備概述

2.1 地鐵信號基礎(chǔ)設(shè)備中信號機(jī)的組成以及作用

地鐵車輛在軌道線路上正常運(yùn)行時(shí)必須要及時(shí)接收到準(zhǔn)確信號，并依據(jù)所收到的地鐵信號系統(tǒng)所發(fā)出的指示信號對地鐵車輛的速度進(jìn)行有效調(diào)控，在信號系統(tǒng)的設(shè)備組成中，信號機(jī)是目前地鐵信號系統(tǒng)中所應(yīng)用的進(jìn)行視覺信號調(diào)控的組成設(shè)備，其主要的運(yùn)行模式在于利用不同顏色的信號燈來實(shí)現(xiàn)列車信息傳達(dá)并達(dá)到操控列車的目的，實(shí)現(xiàn)地鐵車輛的行車速度控制。而目前地鐵在運(yùn)行中所應(yīng)用的信號系統(tǒng)中的信號機(jī)設(shè)備多為三顯示LED燈顯信號機(jī)，其構(gòu)成并不復(fù)雜，主要的部件是發(fā)光組件和一些附屬的設(shè)備結(jié)構(gòu)組件所組成的，信號機(jī)系統(tǒng)中的核心組成構(gòu)建是發(fā)光組件，也正是發(fā)光組件才能夠?qū)崿F(xiàn)按照不同顏色的發(fā)光信號來做出不同調(diào)控和指令的顯示。按照相關(guān)規(guī)定，信號機(jī)的現(xiàn)實(shí)顏色含有以下幾種含義：第一個(gè)是紅燈，代表地鐵車輛按照信號的提示需要在到達(dá)信號燈前停止運(yùn)行，并停在規(guī)定的位置上;第二個(gè)是綠燈，在交通指揮中綠色信號燈同樣代表著車輛可以通行，而且所有的軌道路線當(dāng)中的道岔都是開啟著直向的通行狀態(tài)，代表著地鐵車輛可以按照正常規(guī)定的移動(dòng)速度向指定的方向運(yùn)行;第三個(gè)是黃燈，表示著地鐵可以通行，但是必須要依據(jù)進(jìn)路當(dāng)中所開設(shè)的道岔按照規(guī)定的一側(cè)進(jìn)行車輛的運(yùn)行，而且需要按照信號所代表的控制速度來保持車輛移動(dòng)的固定運(yùn)行或作出降速的調(diào)整;最后一個(gè)是紅燈加黃燈，這一信號指的是對車輛的引導(dǎo)信號，要求地鐵車輛按照規(guī)定的速度越過信號機(jī)，并注意準(zhǔn)備隨時(shí)停止地鐵車輛運(yùn)行[1]。

2.2 地鐵信號基礎(chǔ)設(shè)備中道岔、轉(zhuǎn)轍機(jī)的機(jī)構(gòu)

地鐵車輛道岔的結(jié)構(gòu)主要是指地鐵車輛是從一條股道轉(zhuǎn)向另一條股道的轉(zhuǎn)轍設(shè)備。按照其主要的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)包含了基本軌道、尖軌道、彎合龍軌、翼軌、護(hù)輪軌等各個(gè)部分的構(gòu)件所共同構(gòu)成的，按照結(jié)構(gòu)順序，基本軌是指與正線線路進(jìn)行連接的鋼制軌道部分，而尖軌主要是指道岔結(jié)構(gòu)中能夠進(jìn)行道岔移動(dòng)的變軌部分，通常道岔當(dāng)中的尖軌會設(shè)置兩根，一根是作為離開基本軌所用，另一根是與基本軌緊密貼合在一起的。從原理上講，尖軌是實(shí)現(xiàn)道岔位置發(fā)生位移進(jìn)行車輛變軌的設(shè)置，其是通過轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制進(jìn)行尖軌移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)軌功能[2]。

2.3 地鐵信號系統(tǒng)當(dāng)中軌道電路的構(gòu)成和主要的運(yùn)行原理

按照地鐵運(yùn)行系統(tǒng)中的構(gòu)件部分功能的設(shè)計(jì)來講，對軌道電路的組成設(shè)計(jì)主要是以鋼軌作為主要導(dǎo)體進(jìn)行閉合回路的構(gòu)建，并實(shí)現(xiàn)將地鐵車輛的車輪部分軋入回路時(shí)通過金屬材質(zhì)的車輪作為導(dǎo)體起到閉合回路短路的作用，并由此完成對車輛位置的檢測和記錄以及信號的傳遞。

3 當(dāng)前城市軌道交通的地鐵車輛運(yùn)行模式概述

目前城市軌道交通中地鐵列車運(yùn)行模式主要包含了以下幾種：第一種是車輛自動(dòng)駕駛模式，這種車輛運(yùn)行模式是通過車載及軌旁設(shè)備進(jìn)行車輛自動(dòng)運(yùn)行的;第二種是連續(xù)式速度防護(hù)下的人工駕駛模式，這種模式的主要原理是通過連續(xù)式的速度保護(hù)系統(tǒng)作為運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)督和人工操作的駕駛模式，如果地鐵運(yùn)行中的車輛速度超過了軌道運(yùn)行所規(guī)定的固定速度最大限速的數(shù)值時(shí)，地鐵車輛就會觸發(fā)自動(dòng)的制動(dòng)設(shè)置，將車輛進(jìn)入停止運(yùn)行的狀態(tài)，然后再由人工操作進(jìn)行地鐵車輛的重新啟動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行;第三種是在點(diǎn)式速度保護(hù)狀態(tài)下的人工駕駛模式，其運(yùn)行的模式和狀態(tài)與連續(xù)式駕駛模式基本相同，但也存在一定的差異，主要表現(xiàn)在車輛速度防護(hù)的方式上，其主要的通信方式是點(diǎn)式;第四種是限制式人工駕駛模式，是通過人工進(jìn)行操作和駕駛驅(qū)使地鐵車輛實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，但其規(guī)定地鐵車輛的運(yùn)行速度保持在25km/h以下[3];第五種是非限制人工車輛運(yùn)行模式，其主要是由人工進(jìn)行操作，并且不設(shè)定速度的限制。

4 地鐵信號系統(tǒng)的仿真構(gòu)建

4.1 地鐵信號系統(tǒng)中的模擬場景和信號設(shè)備模型的仿真模擬

地鐵信號系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建主要是按照實(shí)際的地鐵場景中的所有設(shè)備以及信號設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行立體模型的仿真搭建，同時(shí)這兩部分也是實(shí)現(xiàn)仿真虛擬搭建的重大難點(diǎn)。按照計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)流程來講，要想實(shí)現(xiàn)地鐵虛擬場景的搭建首先要對地鐵場景進(jìn)行真實(shí)數(shù)據(jù)的獲取，其次，進(jìn)行實(shí)際場景的模擬計(jì)算，取地鐵三站兩區(qū)之間的長度作為仿真場景的模擬數(shù)據(jù)，并增加列車模型[4]。

4.2 地鐵信號系統(tǒng)仿真虛擬模型動(dòng)畫效果

對元件的查看與設(shè)備結(jié)構(gòu)的分析目的是方便學(xué)生對地鐵信號系統(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確地觀察和記憶，并實(shí)現(xiàn)對其結(jié)構(gòu)做到準(zhǔn)確地拆解記憶。通過爆炸圖和控制道岔及轉(zhuǎn)轍機(jī)各個(gè)元件屬性的添加，能夠?qū)⒃M(jìn)行隱藏和顯示設(shè)定，在顯示時(shí)還能夠通過語言文字的設(shè)置來提示和分析結(jié)構(gòu)中的每一構(gòu)成部分。最后再進(jìn)行地鐵車輛駕駛模式的模擬設(shè)定，實(shí)現(xiàn)地鐵車輛操控的演示讓學(xué)生掌握地鐵車輛的幾種駕駛模式的實(shí)際情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對地鐵信號系統(tǒng)的仿真[5]。

5 結(jié)語

地鐵信號系統(tǒng)的仿真搭建能夠從根本上解決軌道交通實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)難題，特別是對學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)和對地鐵信號系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理、技術(shù)參數(shù)、裝配順序及運(yùn)行駕駛模式的認(rèn)知與知識掌握都有著極大的作用和教學(xué)的效果，極為有利于城市軌道交通專業(yè)學(xué)生的知識水平和實(shí)踐能力的提升。

【參考文獻(xiàn)】

【1】宋亮亮.城市地鐵系統(tǒng)運(yùn)行的脆弱性仿真研究及應(yīng)用[D].南京：東南大學(xué)，2017.

【2】徐斌.基于高階調(diào)制系統(tǒng)的地鐵信號檢測算法仿真[J].信息系統(tǒng)工程，2017（04）：146-148.

【3】李振才.地鐵隧道WiFi信號傳播特性仿真及定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2016.

【4】蘇劼.無錫地鐵2號線站前折返信號仿真分析與改進(jìn)[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2015（03）：69-72.

【5】張曉.南京地鐵二號線信號系統(tǒng)研究與仿真[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.