高速铁路列控中心仿真培训系统的构建研究

摘要：列控中心设备（TCC）是高速铁路列控系统的核心设备之一，构建列控中心仿真培训系统可以丰富电务培训手段并提高培训效果。本文从列控中心相关技术规范出发，提出培训需求，根据培训需求提出了仿真培训系统的建设目标并制定了建设方案，并最终采用计算机领域的设计模式思想完成了培系统的搭建。该仿真培训系统具有良好的可扩展性和可维护性，可以适应系统试用和正常应用后各种需求的改变和增加，提高了系统的灵活性。

关键词：列控中心（TCC） 仿真培训系统 设计模式

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）12-0004-02

目前，除京津城际铁路外，我国高速铁路几乎全部采用具有自主知识产权的CTCS-3级或者CTCS-2级列车运行控制系统（以下简称：列控系统）。随着高铁建设里程的逐渐延伸，包括车载ATP设备和列控中心TCC设备等在内的各种列控设备在各个路局的使用量在不断增多，这就要求更多的高铁电务维护人员能够维修和维护这些设备，并能够分析和解决日常遇到的各种故障情况。但目前高铁培训大多数以书面讲授或者简单的操作维护为主，培训效果不是很好，电务人员碰到一些紧急情况时，由于缺乏对设备原理的深入理解，现场应急处置有时无法到位。因此，本文研究并完成了高速铁路列控中心仿真培训系统的搭建，通过该系统能够提高电务人员实际动手操作的能力，大大提升培训效果。

1 列控中心培训需求

列控中心设备是高速铁路CTCS-2级列控系统、CTCS-3级列控系统以及CTCS-3级列控系统后备系统的一种关键设备。列控中心一方面通过直接控制地面轨道电路设备和有源应答器设备实时向列车发送行车许可相关信息，从而实现列车在车站和区间的安全运行；另外一方面，列控中心通过联锁设备将车站和区间的轨道电路状态信息实时发送给无线闭塞中心（RBC）设备，然后再由无线闭塞中心设备通过GSM-R网络将行车许可信息发送给车载设备。

列控中心与外部设备接口总体结构如图1所示。

通过对列控中心技术规范、列控中心相关接口规范以及高速铁路岗位培训教材的梳理，提出列控中心设备如下几方面需要培训的内容：

（1）列控中心外部接口连接关系以及接口协议；

（2）区间和车站临时限速的设置原理；

（3）有源应答器正常和故障情况下发送报文控制原则；

（4）ZPW-2000轨道电路编发码控制原理；

（5）区间运行方向控制及闭塞原理；

（6）区间轨道电路正常及故障情况下状态逻辑判断原理；

（7）与防灾系统接口功能实现原理。

2 列控中心仿真培训系统建设方案

为了能够更好的实现列控中心培训需求和增加学员的动手操作机会，在构建列控中心仿真培训系统过程中提出以下几方面的目标：

（1）列控中心的培训应将列控中心设备置于列控整体系统中进行培训，不能单独进行说教式的培训；

（2）在列控中心仿真培训系统中，培训人员应能模拟实际现场进行各种操作，通过各种操作学习列控中心相关原理。这些操作主要包括联锁进路的办理、司机驾驶的模拟（包括DMI设备的操作和动车组各种手柄的操作等）；

（3）列控中心的培训应能实现可视化和形象化，通过多媒体手段丰富培训效果；

（4）仿真培训系统应能支持模拟实际现场的运营方式进行培训；

（5）仿真培训系统应具备正常运行条件的设置和故障注入功能，模拟真实现场的一些故障情况，包括轨道电路各种工况下的意外占用、有源应答器不同位置断线故障等。

针对上述提出的五点仿真培训系统建设目标，结合列控中心设备正常运行所需的各种外部环境，特提出如下设计方案：

图2所示列控中心仿真培训系统主要由三部分组成，分别为司机驾驶仿真部分、操控终端部分以及培训动画展示界面部分；每一部分的主要功能为：

（1）司机驾驶仿真部分：主要功能是通过仿真实现司机在真实现场的各种操作功能，包括DMI操作和动车组各种开关按钮的操作。通过动车组的各种开关按钮实现列车的牵引和制动功能，实现对列车的操控；仿真DMI能够模拟真实车载设备的运行情况，通过DMI的操作和显示，让培训人员了解列控中心在各种工况下对列控车载设备运行的影响，从而更好的掌握列控中心的功能。

（2）操控终端部分：该部分的主要功能是实现仿真联锁的功能和故障注入的功能。其中仿真联锁功能主要是实现各种联锁进路的办理，通过联锁进路的办理让学员直观的了解各种进路下列控中心发码原理，以及联锁故障情况下对列控中心的影响等等；故障注入功能则主要模拟各种现场故障，包括轨道电路意外占用、模拟有源应答器不同位置线缆的断线故障、防灾系统的接口故障模拟等，通过这些故障的设置造成列控中心设备故障，从而提高学员对列控中心设备各种故障应急处置的学习效果。

（3）培训动画展示界面部分：该部分的主要功能是实现培训过程的可视化和形象化，通过二维的动画、图形、图表以及状态图标等各种方式将培训内容进行直观的展示，让信号人员能够轻松的掌握列控中心相关原理，从而提高培训效果。

3 列控中心仿真培训系统方案实现

列控中心仿真培训系统的需求虽然相对比较明确，但为了应对仿真培训系统在试用阶段和正式安装使用后不同学员以及教师可能会提出修改意见或者其他新的需求（比如原理展示内容的增加和完善、不同高铁线路的更换、不同厂家DMI和驾驶环境的变更等等），本仿真培训系统在实现过程中采用了计算机领域的软件设计模式（Design Patterns）思想，从而提高了系统的可扩展性和可维护性。

软件设计模式是为解决软件开发领域中多种重复出现的经典问题而提出的解决方案，是面向对象编程经验的总结，是软件实现技巧中最重要的方法和原则。软件实现需要应付不断变化的需求，项目开发需要不断的反复修改更新，解决之道就是封闭变化。

设计模式从创建、结构以及行为三方面提出了封装变化的方案。在列控中心仿真培训系统实现过程中，主要应用了工厂方法模式（Factory Method）、观察者模式（Observer）以及单件模式（Singleton）。下面对这三种设计模式的具体应用进行详细说明。

3.1 工厂方法模式

工厂方法属于创建型设计模式，用于封装对象创建所引起的可能变化。在列控中心仿真培训系统实现过程中应用比较广泛，主要包括以下几方面的对象创建：

（1）司机驾驶仿真中的模拟驾驶台，该模块能够按照不同的动车组进行创建，包括各型动车组，比如CRH1、CRH380D、CRH380CL等等；

（2）司机驾驶仿真中的仿真DMI，能够根据不同厂家的DMI进行创建，包括300T型的DMI、300S型的DMI、200C型的DMI以及200H型的DMI；

（3）操控终端中的线路创建部分，能够根据不同的高铁线路进行创建，包括武广高铁线路、京沪高铁线路等。

图3所示为工厂方法模式在仿真DMI实现过程中的应用。

3.2 观察者模式

观察者模式属于行为型设计模式，对可能变化的行为进行抽象，通过封装达到整个架构的可扩展性。观察者模式用来定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变r，所有依赖它的对象都得到通知并被自动更新。

该模式主要用于前台界面与后台逻辑处理的解耦依赖。对于列控中心培训系统来说，由于界面信息丰富而且后台逻辑处理功能庞大，因此，通过观察者模式可以很好的将这两者分离，从而达到可扩展的目的。整个模式的类图如图4所示。

3.3 单件模式

单件模式属于创建型设计模式，它是将创建单件对象的实现逻辑封装起来。它能够保证一个类仅有一个实例。单件模式将那些可能重复的实现逻辑封装为方法为单独的类。

对于列控中心原理展示部分来说，该模块在整个培训系统中是惟一存在的，无论其他模块如何变化和改变，该模块中的展示方式为固定的。因此，该模块应具有惟一性。无论谁要更新该部分内容，都调用惟一的类进行改变。该类根据内容的优先级进行逐一显示。

单件模式的实现类如图5所示。

4 结语

本文从列控中心相关技术规范出发，提出培训需求，根据培训需求提出了仿真培训系统的建设目标并制定了建设方案，并最终采用计算机领域的设计模式思想完成了培训系统的搭建。使用设计模式改善了软件的设计和实现，让软件能够经受需求不断变化的考验。同时，列控中心仿真培训系统的搭建丰富了电务人员培训手段，提高了培训效果，为我国高速铁路的可持续发展提供必要的支撑。

参考文献

[1]铁道部劳动和卫生局、铁道部运输局编著.高速铁路现场信号设备维修岗位[M].中国铁道出版社，2012.

[2]高永忠.加强信号工技能培训的几点建议[J].铁道通信信号，2009.8， Vol.45 No.8，p32.

[3]James W.cooper编著，叶斌译.C#设计模式[M].科学出版社，2011.

[4]刘隽，张辉.软件设计模式在铁路调度指挥系统中的应用[J].铁道通信信号，2011.3，Vol47 No.3，p79-81.