ZN-IOBC6基于BS模式城轨CBTC实训装置

一、概述

在当今教育改革的大背景下，传统的教学实训行业也酝酿着重大变革，以当前先进的计算机技术、信息技术及互联网技术为依托；以提高教学质量和充分利用教学资源上为出发点进行改革，提高教学实训资源的利用率，降低设备采购及管理人员成本，避免资源浪费是本项目建设的目标。

本项目采用先进的 B/S 模式设计的实训系统，以城市轨道交通现场真实 CBTC 系统为蓝本，根据当前城轨列控系统使用特点和维护特点，以计算机软件仿真为主体，包含以下子模块：

计算机联锁实训子系统；

车载/轨旁 ATC 实训子系统；

DCS 实训教学子系统；

简易驾驶模拟实训教学子系统；

实训任务分配、故障注入及应急演练控制子系统；

教师端评估考核子系统；

铁路信号基础多媒体教学模块

与实验室实物信号设备联动模块。

以上各软件模块既可以实现完整 CBTC 实训演练功能，也可以实现单独模块操作实训；系统满足至少 300 人同时实训及演练。同时，计算机联锁软件系统也可以和实训室既有一期实物联锁实训系统联动，实现参训人员对现场实物设备的认知、实操、检修等实训任务。

CBTC 列控系统实验实训平台旨在为学生了解列车控制的基本原理，可以让学生自己设计列车自动驾驶算法，并参与人工驾驶，比较自动驾驶与人工驾驶的运行效率，分析各自的优缺点。同时可以为教师提供相关课题科研平台。

该实训基地可实现城市轨道交通通信信号等相关专业的理论及实训教学；所有设备可以联动，实现全功能 CBTC 系统实训功能及运营应急演练实训功能。

实训系统以现场真实 CBTC 系统为蓝本，根据当前城轨列控系统使用特点和维护特点，以计算机软件仿真为主体，同时在重点实训模块设置实物设备，既可以满足系统认知学习，也可以满足对系统的实操应用要求，同时大幅降低设备采购和后期维护成本。

系统可用于培训调度员和信号人员对行车指挥设备的操作，使运营人员和信号人员熟悉运营相关系统操作方式及理解故障情况下处理方法。实训系统采用联机运行模式，既可让运营人员单机进行实操，也可联机由教员统一进行故障注入及应急演练实训教学。

该实训系统还可以与实验室既有实物信号设备如计算机联锁实物系统实现联动，将实物道岔实训区的设备融入到该系统中，扩展更多的实验实训项目。
二、系统功能

1.B/S模式实训系统总功能描述

本项目B/S模式设计的实训系统，可以达到如下功能：

利用多媒体技术制作覆盖面很全的铁路信号基础类课程，弥补传统课堂教学的枯燥，不易理等缺点，既可以满足系统原理认知学习，也可以满足对系统的实操应用要求；

可实现城市轨道交通通信信号、运营管理等相关专业的理论及实训教学及实验实训；

可用于信号人员对行车指挥设备和信号设备的操作，使信号人员熟悉各种运营场景下相关系统操作方式及理解故障情况下处理方法。

所有设备可以联动，实训系统在突出信号控制及数据通信系统实训功能的前提下也可以实现运营专业应急演练实训功能。同时大幅降低设备采购和后期维护成本。

采用联机运行模式，既可让实训人员单机进行实操，也可联机由教员统一进行故障注入及应急演练实训教学。

能够开展轨道交通相关企业员工技术培训及技能鉴定；

教师端管理软件实现对参训人员操作实训步骤记录及考核评判；

以实验室软硬件设备为依托，能够开展 FAO 系统关键控制技术研究，如高性能列车自动驾驶算法，轨道交通信息安全传输研究（系统扩展*终功能）；

建立轨道交通信号系统安全测试需求模型，提出适合于城市轨道交通和高速铁路信号系统第三方安全测试方法及测试案例生成技术；

2.BS模式轨道交通CBTC软件仿真功能描述

系统采用情景化的实训模式，教师可在培训的过程中，对培训学员进行知识和操作等的实操和测试考核，通过测试结果了解培训的情况，对大量培训学员的培训结果大数据进行智能化评价，使教学及实验老师及时发现教学薄弱点和环节，以便指导培训的方向和重点。在培训完成之后能够完成城市轨道交通专业学生的教学管理和考核等功能。

3.B/S 模式实训系统实训功能描述

该实训系统可实现城市轨道交通通信信号等专业的理论及实训教学；所有设备可联动以实现全功能 CBTC 系统实训功能及运营应急演练实训功能。系统可用于培训调度员和信号人员对行车指挥设备的操作，使运营人员和信号人员熟悉运营相关系统操作方式及理解故障情况下处理方法。实训系统采用联机运行模式或单机运行模式，既可让运营人员单机进行实操，也可联机由教员统一进行故障注入及应急演练实训教学。。

该实训系统还可以与实验室既有实物信号设备如计算机联锁实物系统实现联动，将实物道岔实训区的设备融入到该系统中，扩展更多的实验实训项目。包括不限于以下实验实训功能：

城轨列控系统组成及原理认知

CBTC 系统核心技术及设备学习

CBTC 系统所属各子系统功能学习及实操

车载 ATC 系统实物认知及实操

车载设备检修及维护

车载设备运营数据分析

DCS 系统组成认知

DCS 系统基础原理实验

信号系统故障应急演练

4.B/S模式实训系统 故障注入及应急演练 功能描述

（1）故障注入

局部联机或全局联机模式下可由具有相应权限的教员台为学员台注入各种故障，以培训和考核行车指挥人员、乘务驾驶人员及设备检修人员的应急处置能力和故障处理能力。系统至少可注入的故障或突发事件包括但不限于以下：

道岔故障

计轴区段故障

屏蔽门故障

信号机故障

应答器故障

紧急停车按钮动作

ZC 故障

VOBC 系统故障

采集信息故障

硬件故障

软件故障

教师机系统能够设置以下故障（包括但不限于）：

道岔区段红光带、绿光带等各种沈阳地铁实际光带

非道岔区段红光带、绿光带等各种沈阳地铁实际光带

进路全部或部分不解锁

挤岔报警

转辙机故障

主副灯丝断丝

防护、出站、区间分界点、阻挡、预告、引导等信号机故障

轨道电路全红/全灭

信号机全灭/全闪

道岔四开状态等

所有设备和区段位置都可设置上述故障。

（2）应急演练

应急演练预案设计原则：

对应上述各种故障

结合北京地铁实际运营故障事件

针对信号专业各个岗位

针对与信号系统紧密相关的运营管理岗位

5. B/S 模式实训系统 软件 功能描述

（1）系统的人机界面满足人体工程学的要求，界面上的信息显示状态发生变化时，中间没有断续。

（2）界面显示及操作尽量与北京地铁现场一致。

（3）涉及到与监控或联动相关的界面信息与被控设备或被联动设备实际状态一致。

（4）系统具备简洁、直观、方便、明确的人机对话方式，所有终端的人机对话方式都一致。

（5）系统的人机界面采用中文界面的图形用户接口方式，具备多级菜单、多级窗口、图形移动和窗口缩放的功能。

（6）每页屏幕按功能划分为：标题区、菜单区、画面区、对话信息显示区。

三、系统优势

本项目各个软件模块采用了先进的 B/S 模式设计，有以下特点：

1. 不受制于时间和空间的限制。

实训人员只需要在任意连接 Internet 或校园网的个人计算机端登录 web 浏览器，在已经成功 用户的前提下可以不受实训地点、时间的限制，随时随地实现实训任务操作。教师及学生可以在任何时间任何地点接入服务器实现实训功能；学生可以在正式实训课程或者考核前自助登录实现预习，预演等操作，极大地方便实训开展及提高实训课程效果；

2. 提高实验室资源利用率。

采用 B/S 模式，可以充分利用实验室设备资源，实验室资源可以随时开放，其用户可以包括专业教师、校内学生及校外相关专业人员，实现实训功能与规模的极大拓展,并通过互联网平台及时分享教学资源，加强与学生的互动管理，从而从根本提高整体教学质量。

3. 维护和升级方式简单。

为保证软件功能更好的满足客户需求，软件的升级是必须也是必要的，以往的传统实训软件产品受制于厂家质保期、维护成本等限制往往难以及时响应客户需求对原有软件系统及时加以升级，采用 B/S 架构的软件只需要管理服务器端软件，极大简化了供货厂家和客户的管理程序及维护升级

成本，可以保证及时响应客户需求，通过不断升级软件实现完善原有的 Bug 或者增加新的功能，所有的使用者在客户端只需要启动浏览器，根本不需要做任何的维护升级，实验室管理人员日常基本是零维护。

4. 成本降低，选择更多。

B/S 架构的应用管理软件，只需安装在 Linux 服务器上即可，而且安全性高。服务器操作系统的选择是很多，不管选用哪种操作系统都可以让大部分人使用 windows 作为桌面电脑操作系统不受影响，这就使得*流行免费的 Linux 操作系统快速发展起来，Linux 除了操作系统是免费的以外，连数据库也是免费的，这样就降低了产品采购成本。

5. 开放式演练模式，更深入的参与信号系统的设计和运行

系统提供专业的信号设计 CAD 软件，实训人员可以根据课程设计、毕业设计等作业要求实现自主设计地铁线路及信号平面布置，自主设计联锁表并导入联锁系统，极大地提升了实训课程的参与深度与广度，同时也更加贴近显示地铁信号专业工作岗位技能需求实训。

6.系统满足至少 300 人同时实训及演练，并能对所有参训人员操作数据加以记录分析，通过大数据分析以柱状图、雷达图的形式给出实训结论，使实验老师和专业课老师很容易发现教学、实验的薄弱点，能够及时有的放矢，提高教学实训质量。

7. 添加铁路信号多媒体教学模块，利用图片、文字、动画、虚拟现实模型等多媒体技术再现传统课堂知识，使学员可以随时随地登录查看对应的知识点，不受时限制对专业知识点加以学习巩固。

8. 计算机联锁软件系统也可以和实训室既有实物联锁实训系统联动，实现参训人员对现场实物设备的认知、实操、检修等实训任务。

四、B/S 模式实训系统 设备介绍

该系统由车载及轨旁 ATP/ATO 设备、DCS 系统、模拟驾驶系统、计算机联锁设备、典型室内/外信号基础设备组成一套完整的 CBTC 仿真实训系统。

该实训系统设备配置灵活，根据采购要求，既可以实现完全的软件仿真实训，单独组网不与其它系统连接；也可以预留与真实实物设备、虚拟现实电子沙盘系统等仿真实训系统连接，形成网络化教师机/学员机系统。系统架构设计接口开放，便于采购方连接其他轨道交通相关实训系统或实现后期实训基地升级。

1.  车载 ATP/ATO 实训设备

教师组车载 ATP/ATO 设备，包括 ATP 计算机（基于 3 取 2 结构的通用安全平台）、ATO 计算机、测速装置（软件仿真）、应答器天线及车载处理单（BTM）、车载无线设备（包括交换机及 AP 天线）等软件仿真模块。另外，为保证列车折返功能和驾驶模式建立的连续性，需要软件仿真一定数量的列车，以满足车载 ATP 相关功能实现。车载系统结构图如下（仿真系统只设置单侧车头实物 CC 设备）：学生组车载设备采用软件仿真各个功能模块。

ATO 提供节能驾驶推荐曲线生成软件、人工驾驶数据分析软件，演示软件至少提供以下功能点：

（1）软件能够配置线路站间距离、线路坡度以及线路不同客流量等外部条件，自动计算并显示节能驾驶推荐速度-距离曲线

（2）软件能够计算乘坐舒适度、列车准点率、能量消耗等不同性能指标，并依据所选取的指标项对司机人工驾驶策略的优劣进行评估。不接受视频及动画演示。

2.轨旁 ZC 子系统

该系统采用软件仿真实现 ZC 功能，每个小组设置一套 ZC。

ZC 可以与 CI 联动，产生变化的移动授权；

采用图形界面方式展示出列车位置、移动授权的变化；

ZC移动授权的变化可以与 ATP 联动产生动态变化的目标距离控车曲线。须在投标现场提供以上功能软件演示，不接受视频动画等多媒体演示方式。

ATP 系统是地铁列车控制系统中保障列车运行安全的关键设备， ZC 是 ATP 系统的轨旁控制设备，该设备采用通用安全应用平台，为软件冗余结构，用于实时处理以下重要的安全相关功能：

列车移动授权的计算；

与联锁接口，实现轨旁设备状态和列车位置相关数据的交互；

与 ATS 接口，实现列车运行信息（列车状态、准备模式、调整、扣车和折返等）的交互；

通过无线系统，实现与列车车载设备的通信。

在一级设备集中站设置 ZC 设备，完成管辖范围内地面 ATP 功能，并与本管辖区内的联锁设备及相邻集中站的 ZC 设备交换信息。

3. 计算机联锁子实训设备

系统每个小组设置五台 CI 仿真软件包括：

正线设备集中站联锁 4 套

车辆段联锁 1 套

CI 联锁系统是以计算机技术为核心，采用通信技术、可靠性与容错技术以及“故障-安全”技术实现联锁关系的信号系统。

该联锁系统的联锁功能根据车站行车安全的需要，在规定的联锁条件和规定的时序下自动对进路、信号和道岔实行控制。具体包括：包括与其他子系统的数据通信功能，并对系统外部设备以及 CI 内部不同子系统间通信状态进行监控。

本项目供货范围包括对既有联锁的互联互控，是既有实物联锁及信号基础设备成本本系统地一部分。 

人机对话层：操作人员通过人机接口向联锁机构输入操作信息办理进路等信息，人机接口接受联锁机构输出的反映设备工作状态和行车作业的表示信息，如进路是否被占用。电务维修机接收并存储联锁操作机设备状态。

联锁运算层：系统核心，实现联锁功能，必须具有故障－安全性能。其根据联锁条件，对输入的操作信息和状态信息，以及联锁机构的当前内部信息进行处理，改变内部信息，产生相应的输出信息，即控制命令，并交付执行层控制外部设备予执行。

执行层：接受上层信号控制命令和道岔控制命令，并向联锁层传输信号、道岔、轨道电路的状态信息，其控制电路必须时故障－安全的。

现场设备：主要指室外的道岔、信号机、计轴等。按照此层级结构，全功能联锁系统可分为：联锁机子系统、IO 控制单元子系统和现地工作站子系统，分别对应于联锁运算层、执行层和人机对话层。

4.DCS 数据通信实训设备本实训系统每组设置两套 DCS 软件仿真系统

无线数据通信网络仿真工作站

有线数据通信网络仿真工作站

数据通信子系统按照模拟冗余网络配置。骨干网络由专用传输设备构建。同时，为全线配置骨

干网网络管理平台，确保对数据通信子系统各层设备进行网络管理。车地无线通信由轨旁 AP 与车载 AP 组成，模拟冗余配置，轨旁 AP 接入无线接入交换机。轨旁无线 AP 均采用现成商用设备（COTS）。

轨旁无线通信设备主要包括无线控制器和 AP 设备。

设置冗余的无线控制器用于对全线无线 AP 设备进行管理和认证以及监控。并提供本地维护、远程维护、集中维护等多种维护手段，以及完备的告警、测试、诊断、跟踪、日志等功能，方便用户的日常维护管理。

专门为 DCS 系统设计的仿真软件能够展示 DCS 内部数据流及控制逻辑的可视化界面便于教学：

包含至少以下两个模块：

（1）数据通信系统的性能测试演示软件

根据目前典型的 CBTC 系统的的业务特点，灵活加载 CBTC 业务。

测试软件能够实时显示在 CBTC 业务下，DCS 系统的传输延迟，丢包率性能，实时显示周期能够自由调整。

测试结束后，用户点击离线分析，软件能给出测试期间的 DSC 系统性能总结。

（2）数据通信系统监控演示软件

实施监控 DCS 系统中的传输信令，在界面显示车到地，地到车的业务流量。

监控软件能存储监测到的信令，并在监测结束后完成离线分析。要求投标现场提供以上功能软件演示，不接受视频动画等多媒体演示方式。

5.线路设备仿真子实训设备

实训系统每组设置线路仿真工作站 1 套。实现对线路各个元素仿真及故障注入功能。同时可以在线路仿真工作站实现教师机功能的故障注入考核、应急预案下发控制等功能。

6.线路基础设备软件仿真

I/O 控制单元子系统作为系统的执行表示层，需要接收联锁主机子系统的驱动命令，判断驱动命令是否正确，正确后则驱动继电器动作；采集继电器节点状态，并反馈给联锁主机子系统。

该实训系统 IO 控制单元采用组合架及现场设备仿真软件，左侧为现场设备仿真界面，右侧为联锁接口电路组合架仿真软件界面。左侧采用类似站场图的模式模拟信号轨旁设备，如轨道区段、信号机、转辙机、站台安全门、紧急停车按钮、防淹门设备。均可以在相应图标上通过左键设置器

状态，在道岔出点击左键即可以设置各个继电器状态即现场设备状态。同样，在软件右侧的组合架仿真界面也可以勾选相应设备设备的继电器状态来设置现场设备状态。效果与在左侧设置一致。

信号实训设备的配置如图所示

五、 B/S 模式实训系统原理 概述

该系统中各个软件模块采用 B/S 模式设计，可以实现实训功能与规模的极大拓展,使实训功能不受制于时间和空间的限制。Browser/Server 结构主要是利用了不断成熟的 Web 浏览器技术：结合浏览器的多种脚本语言和 ActiveX 技术，用通用浏览器实现原来需要复杂专用软件才能实现的强大功能，同时节约了开发和使用成本。

B/S 结构（Browser/Server，浏览器/服务器模式），是 WEB 兴起后的一种网络结构模式，WEB浏览器是客户端*主要的应用软件。这种模式统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。客户机上只要安装一个浏览器，如 Internet Explorer，服务器安装 MYSQL 等数据库。浏览器通过 Web Server 同数据库进行数据交互。B/S *大的优点就是可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件，只要有一台能上网的电脑就能使用，客户端零安装、零维护。

基于 B/S 模式的基于通信的 CBTC 系统可以展示 CBTC 系统的工作原理。实物及相关软件仿真实训设备主要用于向信号系统的维护人员及运营人员提供信号设备的实物（硬件设备）维护及维修实训，使其熟悉 CBTC 系统的组成、功能，帮助维护人员掌握故障识别和故障处理操作，并考核其工作水平，同时可供参观人员了解系统组成及功能，另外也可对列车驾驶员进行实训。

实训系统可以以某条地铁线路为背景专门设计整条线路数据或特定区域的线路数据，实物设备能体现正线区段内一个设备集中站的工作状态及一个车载 ATP/ATO 车载系统的工作状态，并且实训系统的设备可以投入到实际工作中。

该系统完的美的融合了目前国内各个主流 CBTC 系统的特点，系统设计时的考虑了后备模式和完全模式二者的关系，便于对不同城市，不同需求客户提供 CBTC 系统核心功能点的实训与培训。

CBTC 系统功能对照如下：

六、B/S 模式实训系统与信号基础实物设备联动

1.系统联动方案概述

B/S 模式实训系统的计算机联锁与设计中均考虑预留与信号系统中其他子系统以及后期升级的接口，在设计中充分考虑实验室中设备将来构成一套完整的车地一体化信号控制系统，能够满足基于轨道信号系统测试暨演示设备，系统选用一个地铁车辆段，其中一个单开道岔可以与轨旁实物设备联动。联动时仅需更新联锁主机上下位机软件，无需更改硬件配置。

2.联动系统的结构及组成

本系统充分利用计算机、通信技术，对信号联锁逻辑关系集中判断，实现车站信号、道岔、进路的控制。实验室轨道信号基础实物设备的可以作为整个线路的一部分，有联锁计算机（同时实现上下位机功能）、驱动采集接口机柜、现场设备等几部分组成。

信号联锁控制系统分三层结构：联锁计算机（包括操作表示机和逻辑处理机）、驱动采集接口机箱、现场信号设备。

联锁计算机完成完成人机对话，图形界面显示、通过驱采机传来的现场信号设备数据完成联锁逻辑运算；

驱动采集机：完成信号机、转辙机的驱动输出控制，轨道电路状态、信号机状态、道岔状态的表示采集；

继电器组合架等机架设备：安全继电器组合架，上位机柜、专用驱动采集接口箱等组成；

现场信号设备：信号机，转辙机，轨道电路；

3.  联动系统工作原理

联动后的系统结合硬件和软件开发平台实现系统的联锁控制。该系统功能是由软件编程实现的。

计算机联锁目标站场就对应实物设备，对于计算机联锁而言，完全工作在一个现场相仿的环境里。专用的接口柜会把组合架上继电器的动作转换为信号机、道岔转辙机等的驱动命令。

4.软件设计特点

模块化设计，显示界面可以根据用户需求设计，核心联锁逻辑不会根据应用不同而改变，只需要根据现场设备情况配置数据即可。

软件功能可以仿真模拟市场上所有厂家的联锁设备。

5.现场设备布置及功能

现场设备位置初步设计如下图布置，届时可依据实验室现场环境及设备技术要求、数量做出相应调整。实物道岔将作为整个车辆段的一部分被控制。

针对该信号平面布置图，该系统可实现以下主要功能：

进路相关操作

故障设置操作

信号机进行灯丝转换设置；

信号机进行灯丝断丝模拟设置；

模拟计轴区段故障；

模拟转辙机定位表示故障；

模拟转辙机反位表示故障；

模拟转辙机定位操作故障；

模拟转辙机反位操作故障；

七、系统构成

1.该实训系统包含以下子模块

1) 计算机联锁实训子系统；

2) 车载/轨旁 ATC 实训子系统；

3) DCS 实训教学子系统；

4) 简易驾驶模拟实训教学子系统；

5) 实训任务分配、故障注入及应急演练控制子系统；

6) 教师端评估考核子系统；

7) 铁路信号基础多媒体教学模块

8) 与实验室实物信号设备联动模块。

2.系统功能模块设计说明

以上 1)~5)分区可以共同组成一个任务，每个浏览器终端独立实现完整 CBTC 实训演练功能，系统至少满足 300 个浏览器终端同时实训及演练。

3.实训室布局规划

实验室硬件设备布置原则为依据现有计算机机房布置，充分利用既有计算机设备，网络设备，桌椅等；减少土建施工工作和非核心设备采购支出。大致划分为七个子系统：

1. 计算机联锁实训区子系统；

2. VOBC 训练区子系统；

3. DCS 实训区教学控制子系统；

4. 简易驾驶模拟器实训区教学控制子系统；

5. ZC 实训区教学控制子系统；

6. 故障注入及应急演练控制子系统；