基于数据驱动的驼峰自动化半实物仿真实验系统及其算法的制作方法

本发明属于轨道交通信息与控制实验教学系统技术领域，尤其涉及一种基于数据驱动的驼峰自动化半实物仿真实验系统及其算法。

背景技术：

编组站是铁路运输的枢纽，驼峰是编组站中最关键的环节，驼峰作业过程的安全和效率对编组站的改编能力有极大的影响。随着自动化控制技术在驼峰中的推广应用，国内的驼峰已拥有了溜放进路控制、推送进路控制和溜放速度控制等自动化功能，编组站的解编能力得到了极大的提高。但在轨道交通信号与控制专业课程的实践教学环节中，存在学生现场实践安全性难以保证，实际操作及系统维护方面的训练不够，因此在工程教育方面存在不足，影响学生工程实践与应用创新能力的提升。

近年来，与轨道交通领域相关的许多高校非常重视虚实结合的半实物仿真系统的开发与研制，周妍等(铁道学报,2012,34(6):1-7)设计了以电子实物沙盘和行车调度指挥相结合的高速铁路行车调度指挥仿真实验平台。白紫熙等(中国铁道科学,2015,36(4):139-144)、宋术全等(中国铁道科学,2012,33(20):138-144)、刘可安等(铁道学报,2016,38(11):50-56)分析了半实物仿真系统在地铁系统、铁路设备和铁路系统上的发展。李士平等(电化教育研究,2018,03:1-6)、李知菲等(计算机教育,2015,08:8-11)研究了数据驱动系统在实践教学环节中的设计。杜兴元等(城市轨道交通研究,2012,21(10):60-62)研究了以有向图为基础而形成的列车自动监控站场图以此来描述线路信息。但是上述仿真系统或方法并不是数据驱动下的动态仿真，且系统中不包括现场实物设备，而纯仿真模拟难以达到教学培养对实践教育的要求。因此，以调车作业计划为数据驱动源，通过半实物仿真系统实现对现场设备的控制过程，同时执行调车作业计划、信号控制及溜放作业过程控制，实现对驼峰溜放作业的调度以及作业过程的智能可视化半实物仿真，分析不同状态下故障处理的方案，验证设备工作的主要性能参数等，在轨道交通信号与控制类专业培养中具有重大的影响力。

技术实现要素：

为解决上述背景技术中现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于数据驱动的驼峰自动化半实物仿真实验系统及其算法，可以直观地仿真自动控制模式下的溜放作业全过程，实现调车作业计划的自动执行并对作业过程中的设备状态数据进行实时监控，为驼峰自动化控制过程的教学提供了实验手段。

本发明是这样实现的，基于数据驱动的驼峰自动化半实物仿真实验系统，包括实物子系统、控制子系统和管理子系统，所述实物子系统包括转辙机、减速器、轨道电路、测速雷达、踏板、车轮传感器、测长模块、信号机、控制台；所述控制子系统包括控制接口柜、组合架、智能电源屏，所述控制接口柜中设置com接口、i/o接口、减速器模块、进路模块，所述组合架中设置驼峰信号继电器组合装置、调车信号组合装置、控制减速器继电器组合装置，所述智能电源屏中设置开关电源模块、直流电源模块、交流电源模块；所述管理子系统包括溜放进路控制终端、溜放速度控制终端、调车进路控制终端、作业过程监控终端、电务维修管理终端；

所述实物子系统通过电缆与控制子系统连接，所述控制子系统与管理子系统的主机之间通过com接口互连，所述控制子系统采集实物子系统的状态信息，所述状态信息包括道岔位置、轨道电路占用状态、信号机开闭状态，所述状态信息通过com接口传输给管理子系统，管理子系统根据接收到的信息及调车计划下达联锁指令，管控实物子系统中各设备的动作。

本发明进一步提供了基于数据驱动的驼峰自动化半实物仿真实验系统的算法，具体步骤如下：

s101、初始化

(1)将管理子系统、控制子系统、实物子系统初始化，并输入数据进行子系统交互测试；

(2)对实物设备模型化，形成抽象的线路模型、减速器模型、信号机模型、车组模型，并建立模型间的逻辑关联关系，并对调车计划中的进路进行编码；

s102、将同步模拟时钟分别设立在三个子系统中，然后开始仿真；

s103、启动管理子系统、控制子系统和实物子系统：

首先，管理子系统运行：

(1)控制子系统将各溜放车组的实时作业数据传输给管理子系统；

(2)管理子系统对溜放进路和速度实施控制；

其次，控制子系统运行：

(1)管理子系统通过控制子系统获得车组模型的当前运行数据；

(2)管理子系统传输控车指令给各实物模型，控制其完成动作。

再次，实物子系统运行：

(1)收到来自控制子系统的下达的指令message(zi,con)；

(2)按照控制指令message(zi,con)动作；

(3)记录车组模型zi的作业信息，并将该数据传输给控制子系统；

s104、判断仿真是否结束；

s105、结束仿真。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明采用计算机模拟和现场实物设备结合的架构进行设计，提出了基于数据驱动的驼峰自动化半实物仿真实验系统及其算法，针对以往仿真系统仅有演示功能的局限性，通过构建管控一体化的驼峰自动化半实物仿真实验系统，实现按照完整调车计划进行溜放作业全过程的作业仿真推演的功能，该系统可直观仿真不同控制模式下的溜放作业的全过程，包括场间联系、溜放进路控制、调车进路控制、去禁溜线控制、速度控制等多场景下的溜放作业过程，并对作业过程各数据进行记录和监控，为轨道交通信号与控制专业实践教学提供先进的实验手段。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于数据驱动的驼峰自动化半实物仿真实验系统的结构框架图。

图2是本发明实施例提供的一种基于数据驱动的驼峰自动化半实物仿真实验系统的算法框架图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，基于数据驱动的驼峰自动化半实物仿真实验系统，包括实物子系统、控制子系统和管理子系统，所述实物子系统包括转辙机、减速器、轨道电路、测速雷达、踏板、车轮传感器、测长模块、信号机、控制台。所述控制子系统包括控制接口柜、组合架、智能电源屏，所述控制接口柜中设置com接口、i/o接口、减速器模块、进路模块；所述组合架中设置驼峰信号继电器组合装置、调车信号组合装置、控制减速器继电器组合装置；所述智能电源屏中设置开关电源模块、直流电源模块、交流电源模块。所述管理子系统包括溜放进路控制终端、溜放速度控制终端、调车进路控制终端、作业过程监控终端、电务维修管理终端；

所述实物子系统通过电缆与控制子系统连接，所述控制子系统与管理子系统的主机之间通过com接口互连，在此基础上构建出管控一体化的闭环系统。所述控制子系统采集实物子系统的状态信息，所述状态信息包括道岔位置、轨道电路占用状态、信号机开闭状态，所述状态信息通过com接口传输给管理子系统，管理子系统根据接收到的信息及调车计划下达联锁指令，管控实物子系统中各设备的动作。

所述管理子系统是实现驼峰自动化控制半实物仿真的核心，其主要功能包括：

①将实物子系统中的各实体设备等效为模型，建立与实物子系统相对应的且表现实物对象之间的逻辑关系的可视化线路拓扑图；

②实时跟踪溜放车组的运行过程，记录车组溜放的过程数据，为车组进路控制和速度调整提供决策依据；

③将调车作业计划转化为二进制进路编码，为进路控制提供基础数据；

④通过控制子系统向转辙机、信号机和减速器控制模块发出控制命令，实现自动控制过程仿真；

⑤通过计算机实现驼峰作业的全过程可视化展示以及可视化全程监控。

本发明充分考虑课程实验教学和人才培养需求，将计算机模拟操作台和现场实物硬件设备结合进行设计，以标准模拟站场为对象，在实验室内基于现场数据模拟实现现场环境，通过软硬件系统集成，将车组的解体与编组作业过程进行模拟仿真，具有溜放速度自动控制、计轴、故障注入、数据再现等仿真测试功能。

半实物仿真实验系统的模型构建：为便于控制子系统对实物子系统中的实物设备实施操作管理，需将控制子系统和管理子系统中的设备一一符号化形成相应的模型，管理子系统和控制子系统中各个实物模型的组合构建出相对应的抽象模型。按照面向对象的设计方法，抽象模型由固定设备(线路、道岔、轨道电路、信号机、减速器、测速雷达、测试设备等)模型、调车计划模型和溜放车组模型组成，该模型具有静态性能和动态性能。以设备平面布置图为依据，利用xml结构化站场数据。静态属性是xml站场图中溜放作业过程中不发生变化的属性，如减速器的类型、轨道区段位置关系等；动态属性在运行过程中根据仿真过程的不同作业阶段而发生改变，如区段的占用状态、溜放车组的位置、道岔的位置信息、测长信息等。以有向图为基础，将线路数字化完成站场图拓扑层设计。有向图采用双向链表的结构。基于有向图模型根据分层结构依次读取xml文件，遍历所有固定设备模型信息，根据连接关系将抽象模型映射成站场拓扑图。按照预先定义的调车计划模型，完成进路搜索与建立过程。

随着车组的溜放，仿真时钟也随其逐渐推进，车组状态不断发生变化。因此，车组模型要不断提供与其运行状态相关的信息，为管理子系统下达命令提供数据支持；而管理子系统也要不断地向各实物模型发出作业指令，实时调度和控制车组的溜放作业。

基于数据驱动的驼峰自动化半实物仿真实验系统的算法框架如图2所示，具体步骤如下：

s101、初始化

(1)将管理子系统、控制子系统、实物子系统初始化，并输入数据进行子系统交互测试；

(2)对实物设备模型化，形成抽象的线路模型、减速器模型、信号机模型、车组模型，并建立模型间的逻辑关联关系，并对调车计划中的进路进行编码；

s102、将同步模拟时钟分别设立在三个子系统中，然后开始仿真；

s103、启动管理子系统、控制子系统和实物子系统：

首先，管理子系统运行：

(1)控制子系统将各溜放车组的实时作业数据传输给管理子系统；

(2)管理子系统对溜放进路和速度实施控制；

其次，控制子系统运行：

(1)管理子系统通过控制子系统获得车组模型的当前运行数据；

(2)管理子系统传输控车指令给各实物模型，控制其完成动作。

再次，实物子系统运行：

(1)收到来自控制子系统的下达的指令message(zi,con)；

(2)按照控制指令message(zi,con)动作；

(3)记录车组模型zi的作业信息，并将该数据传输给控制子系统；

s104、判断仿真是否结束；

s105、结束仿真。

在完成该仿真系统的仿真算法的设计时，假设系统仿真的时钟为t，时钟的推进步长为δt，初始时钟为t0，终止时钟为t，溜放信号开放的时间为tp，车组溜放的时间为td，编组时间为ts；message(zi,dis)表示管理子系统通过控制子系统传输的车组模型zi的调度指令，message(zi,con)表示控制子系统传输的车组模型zi的控制指令。

本发明的实验系统是以驼峰自动控制系统为基础，通过增加仿真手段模拟驼峰作业过程及基础设备状态，通过实际操作使学生掌握控制系统正常操作流程和异常处理办法。系统基本功能如下：

(1)溜放进路控制仿真：以调车场驼峰头部区域站场为例，根据输入的调车作业计划，仿真实现车组溜放进路控制过程中轨道电路、转辙机、信号机等信号设备的动作关系，监测各个设备的工作状态参数。

(2)减速器速度控制仿真：依据气动重力式车辆减速器的工作原理，减速器产生的制动力大小受输入钩车的重量、车轮的被制动轴数、减速器类型、车轮属性等参数的影响，根据已知参数推算出制动力，同时精确地计算出车组和减速器的相对位置，从而可以判断出车组中哪些车轴在减速器的制动范围内。根据调车计划记录车组溜放过程中的计轴和溜放速度等信息，通过这些数据计算钩车经过本级道岔和进入下一级道岔的时间。记录和显示控制过程的速度、制动力、继电器动作等参数变化情况。同时实时监控减速器制动能的变化，当发现该值大于已知标准时给出相应报警予以提示。

(3)测长模拟仿真：根据车组配置、车辆被制动后的速度、减速顶布置以及调车线不同坡度参数等数据进行计算，使用测长信息方式模拟车组在调车线上作业过程，同时获取测长频率信号，然后将该信号的频率送入控制子系统的测长采样接口。

(4)过程监控与故障维护仿真：再完善的仿真系统也无法完全复现实际现场。为了能够更加直观地观察各种实际情况下溜放作业过程变化以及系统设备运行情况，同时对监控系统的性能进行测试，实验系统还采用电务维护机中记录的数据进行模拟实验。系统可进行故障注入，例如轨道区段故障、测速故障、踏板故障、道岔故障等。学生可通过系统分析故障现象及特征，根据信号维护规则进行故障处理实践。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。