1.本发明属于计算机联锁
技术领域：
：，具体涉及一种联锁教学系统及三维联锁站场显示方法。
背景技术：
：：2.安全是铁路运输永恒的主题，也是最核心的问题。只有保证了安全，铁路运输才有其意义。在车站内有很多线路，线路的两端都和道岔连接。根据道岔的不同位置而组成不成的进路，列车是否能进入进路，使用信号机来指挥的。为了保证安全，就必须使信号机、轨道电路和道岔三者之间有着一定的相互制约关系，这种关系称为联锁。联锁系统，用来指挥站内列车运行和调车作业，保证行车安全，提高运输效率，是保障铁路车站列车或机车作业安全的关键，而计算机联锁系统又因其可靠性、抗干扰性能及环境适应性较强，得到了广泛应用。3.为了提高安全作业，除了联锁系统本身的安全性和可靠性，还需提升工作人员的工作能力。现场计算机联锁系统处于全天候工作状态，难以用于学员的设备操作演示和实践学习，常常配置联锁教学系统供学员学习与提高。联锁教学系统通过模拟仿真训练实现与真实站场场景相同功能，使学员对真实的计算机联锁系统进行操作与使用，还可模拟故障，以完成实训演练。4.现有的联锁教学系统根据站场的实际布设情况，使用控显机及对应的控显机显示器进行显示，通过控显机显示器显示的为二维场景，其中轨道用线段表示，信号机用圆圈表示，机车用矩形表示，等等，不够直观、生动。而且，在操作实车时，面对的是真实的场景，并非只是一个个线段、圆圈等图形，若单纯只用二维联锁站场模型进行培训训练，不便于学员对实际站场的认知，以及联锁操控技能的掌握，教学效果较差。技术实现要素：5.本发明提供了一种联锁教学系统及三维联锁站场显示方法，用以解决现有技术中的联锁教学系统不够直观导致教学效果不佳的问题。6.为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括：7.本发明提供了一种用于联锁教学系统的三维联锁站场显示方法，包括如下步骤：8.根据站场的实际布设情况，建立三维联锁站场模型，所述三维联锁站场模型包括机车三维模型、信号机三维模型、道岔三维模型、转辙机三维模型和轨道电路三维模型，且三维联锁站场模型中的机车三维模型、信号机三维模型、道岔三维模型、转辙机三维模型和轨道电路三维模型与二维站场图中的机车模型、信号机模型、道岔模型、转辙机模型和轨道电路模型一一对应，三维联锁站场模型中各个三维模型之间的关系与二维站场图中的布设情况一致；在教学演练过程中，对用户的操作指令进行判断，判断其是否满足联锁条件，在满足联锁条件的情况下，根据用户的操作指令控制二维站场图中相应的模型和三维联锁站场模型中相应的三维模型动作，以使三维联锁站场模型与二维站场图中的模型联动显示。9.本发明还提供了一种联锁教学系统，包括用户输入装置、第一控制中心、联锁机、第二控制中心和三维显示器；所述第一控制中心中存储有机车模型、信号机模型、道岔模型、转辙机模型和轨道电路模型，且与用户输入装置、第二控制中心、联锁机均相连，第一控制中心用于从用户输入装置获取用户的操作指令，并发送给联锁机，供联锁机判断所述操作指令是否满足联锁条件，在满足联锁条件的情况下根据用户的操作指令控制二维站场图中相应的模型动作，并将用户的操作指令发送给第二控制中心；所述第二控制中心与三维显示器连接，且第二控制中心中设置有建立的三维联锁站场模型，所述三维联锁站场模型包括机车三维模型、信号机三维模型、道岔三维模型、转辙机三维模型和轨道电路三维模型，且三维联锁站场模型中的机车三维模型、信号机三维模型、道岔三维模型、转辙机三维模型和轨道电路三维模型与二维站场图中的机车模型、信号机模型、道岔模型、转辙机模型和轨道电路模型一一对应，三维联锁站场模型中各个三维模型之间的关系与二维站场图中的布设情况一致，所述第二控制中心用于根据用户的操作指令控制三维联锁站场模型中相应的模型动作，并在三维显示器上显示，使三维联锁站场模型与二维站场图中的模型联动显示。10.上述技术方案的有益效果为：本发明首先建立三维联锁站场模型，然后根据用户的操作指令，控制二维站场图中模型动作的同时，还控制三维联锁站场模型中相应的三维模型动作，使三维联锁站场模型与二维站场图中的模型联动显示，通过三维场景图展示各种设备的工作状态，方便学员直观、生动、形象地观察到信号机、道岔、机车等的动作，从而有效地提高培训效率，培训效果较佳。而且，为了实施该方法在现有的联锁教学系统上改动较小，成本低。11.作为方法的进一步改进，所述三维联锁站场模型还包括场景三维模型。12.作为方法的进一步改进，控制三维联锁站场模型中相应的三维模型动作时，是模拟驾驶员的视角，根据行车路线中驾驶员的前景视角调用相应的三维模型进行显示并控制其动作的。13.作为方法的进一步改进，所述三维联锁站场模型中的三维模型均包括对应的不同尺寸、不同角度和不同位置的三维模型，用于根据用户的操作指令调用相应尺寸的三维模型进行显示。14.作为系统的进一步改进，所述三维联锁站场模型还包括场景三维模型。15.作为系统的进一步改进，为了直观显示联锁系统的信号流动情况以真实还原联锁系统工作原理，还包括第三控制中心和信号显示器；第一控制中心与第三控制中心连接，第一控制中心和联锁机分别对应判断所述操作是否符合控显机操作规范和联锁机中预置的联锁关系，将对应的判断结果发送给第三控制中心；所述第三控制中心与信号显示器连接，且第三控制中心中设置有与联锁教学系统各组成部分对应的各节点模型、以及依据各组成部分之间的连接关系确定的各节点模型之间的连接关系，第三控制中心用于将联锁教学系统各组成部分与对应的节点模型进行关联，得到关联关系，依据判断结果确定信号在联锁教学系统各组成部分之间的流动情况，依据所述关联关系，通过信号显示器将信号在各组成部分之间的情况在各节点模型之间进行显示。16.作为系统的进一步改进，为了减少硬件设备以降低成本，所述第二控制中心和所述第三控制中心集成设置为一个控制中心，所述三维显示器和所述信号显示器集成设置为一个显示器。17.作为系统的进一步改进，为了清晰、直观展示用户的操作结果，该系统还包括电子终端和实训沙盘，所述电子终端与联锁机连接，且电子终端控制连接实训沙盘。18.作为系统的进一步改进，第二控制中心根据用户的操作指令控制三维联锁站场模型中相应的模型动作时，是模拟行车路线中驾驶员的前景视角，根据驾驶员的前景视角调用相应的三维模型并控制其动作的。附图说明19.图1是本发明的联锁教学系统的系统框图；20.图2是本发明的信号显示器显示的第一种情况的信号流示意图；21.图3是本发明的信号显示器显示的第二种情况的信号流示意图。具体实施方式22.系统实施例：23.该实施例提供了一种联锁教学系统，如图1所示，该系统在传统的联锁教学系统的基础上增加了第二控制中心(即控制中心2)和与第二控制中心相连的显示器，该显示器不仅能够根据用户的操作，用三维视景展示前方线路、车站及各种设备(如道岔、信号机、转辙机等)的工作状态，还能够根据用户的操作，将信号在联锁教学系统中的控显机、维修机、光分路器、联锁机和电子终端等之间的流动情况进行动态展示。24.如图1所示，除了第二控制中心和显示器外，该联锁教学系统还包括第一控中心(即控制中心1)、用户输入装置(即为鼠标、键盘等)、联锁系统柜和实训沙盘。控制中心1是一台工业控制计算机，内部安装有多个软件，实现现场实际的控显机和维修机的软件功能，同时，还安装有模拟机的软件，以实现故障模拟。联锁系统柜包括光分路器、联锁机和电子终端。为了方便用户进行直观学习，控制中心1还连接有模拟机显示器和控显机显示器，与现场实际的模拟机显示器和控显机显示器一致，同时，控制中心1还连接有一个与维修机对应的维修机显示器。控制中心1通过光分路器与联锁机相连，用于模拟实现现场实际的控显机和维修机分别通过对应的光分路器连接联锁机，联锁机通过rs485总线与电子终端连接，电子终端连接实训沙盘。联锁机内部包括多个板卡，电子终端内部也包括多个板卡。同时，控制中心1与控制中心2通过网络进行实时通信。另外，需说明的是，控制中心1中含有教学系统软件、教学的控制逻辑。25.其中，控制中心1中存储有二维联锁站场模型，并通过控显机显示器进行显示，以展示二维站场图。二维联锁站场模型包括机车模型、信号机模型、道岔模型、转辙机模型和轨道电路模型等，这部分为现有技术，不再赘述。26.实训沙盘是对车站及信号技术装备的仿真，包含道岔转辙机、列车信号机、调车信号机、轨道电路等，实训沙盘在电子终端的控制下，可以和联锁教学系统中用户进行的仿真实验操作进行同步关联动作，直观展现现场联锁系统的动作控制过程。27.模拟机用于向联锁系统柜发布联锁业务故障(道岔无表示、区段故障、信号非正常关闭等联锁故障)和联锁板卡故障(联锁硬件f486等板卡故障的统称)，监督和记录学员操作过程并予以评判。通过虚拟和现实对联锁设备进行系统认知，对设备进行故障再现和检修，对设备典型故障进行应急处理。联锁板卡故障，联锁板卡指示灯会在发生故障时出现特定的显示。每一种显示情况代表一种故障，通过指示灯的提示，可以较快的确定故障类型。28.在使用该联锁教学系统对学员进行培训训练时，首先需要绘制站场图。站场图反映站场线路的布置和接发车方向，道岔、信号机、轨道电路等设备的编号及图形符号，站场图中信号楼位置等。学员通过编制站场图，进一步了解站场图布置及控制原理。站场图编制使用了qt框架中的theqgraphicsviewframework。该模块支持大量的元素绘制，并且支持缩放功能。在此基础上继承编写了站场必要元素节点，支持拖动、旋转等。可快速编制站场，最终站场图保存为可扩展标记语言文件。29.站场图绘制包括：设备(信号机、道岔、区间、绝缘节、按钮等)及设备属性设置。并且提供了丰富的功能使绘制便捷化。学员通过联锁站场绘制掌握联锁站场逻辑关系，学习道岔、进路间联锁关系，防护道岔与进路的联锁关系，道岔与信号机的联锁关系，进路与进路间的联锁关系，进路与信号机间的联锁关系，信号机与信号机间的联锁关系。清楚信号设备之间的连接关系，对学员学习起促进作用，联锁站场绘制也是信号相关专业学生必备的一项技能。车站联锁关系配置功能严格按照联锁表的格式，帮助学员识别或者编辑真实站场联锁表打下基础。30.然后在绘制的站场图的基础上，需要进行联锁表的编制。联锁表是根据车站信号平面布置图所展示的线路、道岔、信号机、轨道电路等情况，按规定的原则和格式编制的，它表示出了轨道电路、道岔、信号机之间的基本联锁内容。联锁表编制使用了qt框架中的qtableview和正则表达式。严格按照实际联锁表的制式进行展现，并且加入正则表达式来辅助编制人员对联锁表输入样式进行校验。31.接着学员便可通过用户输入装置进行操作，并通过控制中心2及显示器将整个站场场景以三维场景图的方式进行直观的展示，以实现一种用于联锁教学系统的三维联锁站场显示方法，该方法的实现在控制中心2中的三维建模三维软件中实现。下面对该方法进行详细的介绍。32.首先，为了使构建的三维场景图更加逼真，拍摄站场视频，以得到站场的实际布设情况。33.然后，根据实际布设情况，在三维建模软件中建立三维联锁站场模型，以展示三维场景图。该三维联锁站场模型包括机车三维模型、信号机三维模型、道岔三维模型、转辙机三维模型和轨道电路三维模型，这些为必不可少的模型，且这几个三维模型与二维站场图中的机车模型、信号机模型、道岔模型、转辙机模型和轨道电路模型一一对应。除了这些必要的模型外，为了使该三维联锁站场模型更加贴合实际，该三维联锁站场模型还包括场景三维模型(包括地形模型、景观植物模型、车站模型等等)。34.各个三维模型之间的位置关系、连接关系等与控显机中模型的布设情况一致。其中，各个三维模型的制作可采用多边形建模方法，加以模拟真实光照等的效果，结合各个模型对应真实设备的真实材质，最终形成渲染效果。车站模型、轨道电路三维模型等为静态模型，道岔三维模型、信号机三维模型、机车三维模型、转辙机三维模型等为动态模型。35.接着，在教学演练过程中，用户通过鼠标的点击操作，控制中心1获取用户的该操作指令，控制中心1将该操作指令下达给联锁机，供联锁机判断是否满足联锁条件，在满足联锁条件的情况下，联锁机将该满足联锁条件的信息返回给控制中心1。此时，控制中心1执行该操作指令，控制二维站场图中相应的模型动作，以通过二维展示的方式展现用户的操作。同时，根据控制中心1与控制中心2之间的通信协议，控制中心1再将该操作指令发送给控制中心2，控制中心2控制三维联锁站场模型中相应的三维模型动作，以通过三维展示的方式展现用户的操作，真实还原站场线路场景、车站、信号机、道岔、显示机车的运行情况。36.三维场景图中有一个摄像机用于模拟行车路线中驾驶员的前景视角，在机车前进时，摄像机可以根据驾驶员的视野范围不断调用、显示对应的三维模型。即三维场景图在进行显示时，可以模拟机车中驾驶的视角，根据驾驶员的视角来调用相应的三维模型进行显示，包括相应的场景三维模型，以及信号机三维模型、道岔三维模型等，并根据用户的操作指令进行动作。固定场景的三维显示、以及各视角的旋转和展示，也是该摄像头的镜头所致。37.而且，该三维场景图展示的场景与二维展示的场景的时间点是一致的，是联动显示的。也即，三维联锁站场模型中的道岔三维模型与车站站场中的道岔一一对应，并且与二维站场图中道岔的状态保持一致；三维联锁站场模型中的信号机三维模型与车站站场中的信号机也一一对应，与二维站场图中信号机模型的状态也保持一致；而且，三维场景图中可以运行机车，其占用轨道电路的情况与二维站场图中占用轨道电路情况一致。38.另外，三维联锁站场模型中的三维模型均包括对应的不同尺寸、不同角度和不同位置的三维模型，用于根据用户的操作指令调用相应尺寸、角度、以及位置的三维模型进行显示。例如，道岔三维模型还包括不同尺寸、不同角度和不同位置的道岔三维模型，信号机三维模型包括不同尺寸、不同角度和不同位置的信号机三维模型，进而该三维场景图可以实现道岔和信号机等的特写镜头。信号机与道岔均由三维建模软件制作出的模型提前放入到三维场景图内指定位置，鼠标点击显示器屏幕上的信号机或道岔，三维程序软件通过协议读取到对应的消息命令，进而执行模型的特写展示的消息命令，拖动鼠标滑轮调用三维程序软件中摄像机移动旋转，调整对应道岔与信号机的模型显示的放大缩小比例，调用相应尺寸的信号机三维模型或道岔三维模并进行显示，从而实现道岔和信号机的特写镜头展示。可直接在二维站场图某个模型中操作视角特写，直接实现某个模型特写镜头。而且，还可以看到设备的工作状态，通过消息命令传输设备的工作状态，三维程序软件执行消息命令显示对应的工作细节，可以实现特写展示转辙机工作细节，信号机变化细节，道岔扳动情况等。39.例如，当用户通过用户输入装置对道岔进行反位操作时，控制中心1接收到该操作指令后，将其发送给联锁机进行是否满足联锁条件的判断，判定满足联锁条件的情况下返回给控制中心1，控制中心1控制二维联锁站场模型中的道岔模型执行反位操作，同时，控制中心1还将该操作指令发送给控制中心2，控制中心2驱动三维联锁站场模型中的道岔三维模型执行反位操作，展示执行反位操作后的道岔三维模型，以达到二维站场图与三维场景图联动显示的效果。40.除了三维场景图的显示，显示器还可将整个信号流动情况进行直观的显示(即信号流向图)，以实现一种用于联锁教学系统的信号流动情况显示方法。41.在控制中心2中，利用qt框架中的qgraphicsviewframework实现该功能。下面对其工作过程及原理作一详细说明。42.1、在控制中心2中，利用autocad软件绘制建立节点模型，这多个节点模型与联锁教学系统中各组成部分一一对应，并依据联锁教学系统中各组成部分之间的连接关系确定各节点模型之间的连接关系，节点模型之间的连接关系也与各组成部分之间的连接关系一一对应。节点模型主要包括与用户终端、控显机和联锁机对应的节点模型。除了这些外，还可设置其他节点模型，例如与维修机、电子终端对应的节点模型。而且，节点模型还可包括与电子终端内部各板卡、联锁机内部各板卡对应的内部模型，以更加清晰展示信号流动。43.2、根据实际的车站站场图资料，用本教学系统软件绘制车站站场图。44.3、根据车站联锁关系生成标准的联锁关系表，这些预置于联锁机中。45.4、学员按照现场联锁系统的操作规则，通过用户输入装置进行操作，安装于控制中心1中的软件逻辑对该操作进行判断，判断其是否符合控显机的操作规范：46.若用户的操作不符合控显机的操作规范，控制中心1通过控显机显示器进行错误显示；同时，控制中心1将该判断结果发送给控制中心2。控制中心2依据该判断结果确定信号在联锁教学系统各组成部分之间的流动情况，即信号在控显机处返回，中断其流向，不流向下一级电路(光分路器)，控制中心2将该流动情况在对应的节点模型之间进行显示。47.若用户的操作符合控显机的操作规范，即操作正确，此时信号流向下一级电路(光分路器)。48.5、用户的操作信号由控制中心1经过电光转换后，由光分路器传输到联锁系统柜的光电转换电路，联锁机核心板卡根据标准联锁关系表以及站场中各种设备当前的状态对用户的操作进行判断，判断该操作信号是否满足执行条件：49.若操作不满足执行条件，则将该判断结果返回给控制中心1，控制中心1通过控显机显示器进行错误显示；同时，控制中心1将该判断结果发送给控制中心2，控制中心2依据该判断结果确定信号在联锁教学系统的各组成部分之间的流动情况，控制中心2中将该信号流动情况在对应的节点模型之间进行显示。50.若操作满足执行条件，联锁机则把用户操作对应的控制数据发给电子终端，电子终端收到控制数据后，进一步控制执行继电器，控制实训沙盘进行展示，形成数据回流；与此同时，该判断结果回传到控制中心1，控制中心1将该判断结果发送给控制中心2，控制中心2将该判断结果对应的信号流动情况在对应的节点模型之间进行显示。51.需说明的是，在上述整个判断过程中，涉及到两个节点模型可能出现的信号中断，在这两个节点模型中分别对用户的操作进行一次判断。其中，第一次是在控制中心1中进行判断的，是为了判断用户的操作是否符合控显机的操作规范，例如，在进行反位操作后操作了信号机，按控显机的操作规范来说这便是错误的；第二次是在联锁机中进行判断，是在符合控显机的操作规范后，联锁机根据标准联锁关系表和站场中各种设备当前的状态进行判断，以判断是否满足执行条件的，例如，用户的某个操作是符合控显机的操作规范的，但联锁机根据联锁关系表关系判断该道岔占用，即该操作不满足执行条件。而且，上述举例说明的可能出现问题的两个节点模型均为通过软件逻辑进行判断的。其他的节点模型也可能会出现问题导致信号不能往下一级流动，但一般为硬件上出现问题，可通过两个节点模型之间的信息交互信号(例如心跳信号)来判断。52.下面举一个具体的实例说明。以现场实际应用的计算机联锁系统为对象，将其系统组成建立各节点模型，包括控显a机、控显b机(控显a机和控显b机为热备冗余)、控显a机显示器、控显b机显示器、输入装置(此处用户输入装置为鼠标)、四个光分路器、联锁机(包括联锁一系和联锁二系)和电子终端(包括电子终端一系和电子终端二系)。53.需说明的是，在该联锁教学系统的控制中心1中只有一套维修机软件、控显机软件，以及一套联锁机和电子终端。但现场实际应用中联锁机和电子终端均采用了二重系设计，完成主、从系状态的检查及主系故障时系切换控制。控显机采用双机互为备用，可以通过自动或人工操作进行切换，将控制台操作和表示设备切换到备用机。控显机双机与联锁机的两重系，通过光分路器构成交叉互连的冗余关系。联锁机二重系的输出均发送给电子终端，电子终端每一系的输入都发送给联锁机的二重系。这种冗余的连接方式保证任何一部分的单系发生故障，系统都能正常运行。既保证故障安全性又具有高可靠性。为了与实际相符，在该实施例的控制中心2中，建立的与控显机、联锁机和电子终端对应的节点模型均设置了两个。54.用户操作鼠标，在对道岔进行反位操作时(默认操作控显a机)，控制中心1中控显机对该操作进行判断，如果提示操作错误、无效等(比如进行反位操作后，再操作信号机，会提示操作错误)，错误的操作信号不再向下一级传输与流动，并将该判断结果发送给控制中心2，控制中心2收到该判断结果后依据该判断结果进行信号流向的显示，即在鼠标与控制中心1之间有了数据流动。55.如果操作正确的话，控显a机将操作信号通过光分路器送给联锁机。联锁机根据联锁条件对此操作进行判断，不满足条件的话，如图2所示，联锁机将该判断结果回传给控制中心1，再通过控制中心1传给控制中心2，控制中心2确定信号在各节点模型之间的流动情况，并进行显示；满足条件的话，联锁机将操作信号对应的控制数据发给电子终端，电子终端收到该控制数据后，控制继电器，形成数据回流，并将该判断结果回传给控制中心1，再通过控制中心1传给控制中心2，控制中心2依据是否满足条件确定信号流动在各节点模型之间的流动情况，并进行显示，如图3所示，此时形成鼠标到控显a机、控显a机至联锁机、联锁机至电子终端，接着进行信号回传，信号又从电子终端到联锁机、联锁机至控显a机/b机、控显a机/b机至控显a机/b机显示器的数据流动环路。其中，粗线条表示信号的流进，细线条表示信号的回流。另外，此处信号的表示方式不做限定，也可以用其他特征表示信号的流向和流通。56.同时，当鼠标点击联锁机和电子终端时，会进一步展示联锁机和电子终端内部各板卡间的连接关系，并在鼠标点击各板卡时，会进一步展示该板卡的实物照片和功能描述，加强学生对从系统级、整机级到板卡级的理解和掌握。57.也即，该显示器可实现三维场景图和信号流向图的显示，具体显示方式可采用以下两种方式：1、信号流向图和三维场景图共用同一个显示屏，根据展示需要切换显示(全屏模式)；2、信号流向图和三维场景图共用同一个显示屏，根据展示需要切换显示(嵌套模式，一大一小嵌套)。另外，还可使用两个显示器分别进行显示，此时的显示器包括信号显示器和三维显示器，分别将信号流向图和三维场景图分别进行显示，以便于对比、观察学习。除此之外，还可增加设置控制中心3，与控制中心2分工协作，控制中心2与信号显示器连接，控制中心3与三维显示器连接，且控制中心2与控制中心3均与控制中心1连接，分别实现三维场景图的展示和信号流向图的展示。58.方法实施例：59.该实施例提供了一种用于联锁教学系统的三维联锁站场显示方法，该方法已在系统实施例中做了详细介绍，这里不再赘述。当前第1页1 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