寧波地鐵2號線信號仿真系統設計方案

謝 乾

（寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，浙江 寧波 315000）

由于信號系統的模擬仿真依賴于大量的實際物理設備，功能限制較大、維護成本高且現有培訓系統與實際環境存在偏差造成培訓效率低。

為了優化這一局面，進一步提升工作人員的操作水平，該文提出以軟、硬件結合邏輯運算方式實現信號系統的模擬仿真，以實際的信號系統為基礎，面向運營提供高度還原的信號操作模擬系統，實現行車組織、故障等常用場景的模擬，提高相關的培訓及演練效率。

1 寧波地鐵2號線概況

寧波市軌道交通2號線線路全長28.35 km，共設22座車站，平均站間距1.331 km。采用卡斯柯信號有限公司的Urbalis888 CBTC系統，包括ATP（Automatic Train Protection列車自動防護）、ATO[1]（Automatic Train Operation列車自動駕駛）、CBI聯鎖計算機等，列車運行最短間隔90 s，為提高專業人員設備操作熟練度，提升故障應急處置效率，提升信號系統影響行車時各專業間聯動配合性，建立了一套完善的信號仿真培訓系統。

2 仿真系統硬件架構

信號仿真培訓系統的硬件架構圖如圖1所示。

信號仿真培訓系統由業務仿真服務器、工作站及之間的網絡硬件構成。其中，在服務器上，部署了仿真培訓系統后臺，使用3臺服務器互為冗余配置。根據培訓功能需求，配置了5臺工作站，分別為行調值班員、車站值班員、司機及信號人員4個角色建立模擬一項或多項故障場景，在該場景下同時共4個角色進入使用。

3 仿真系統軟件架構

該文以寧波地鐵2號線卡斯柯信號系統為依據進行設計和研發，軟件采用Java和Node.js作為主要開發語言。軟件架構基于微服務體系，分為多個應用服務。微服務是一種基于功能模塊化設計并將每個功能模塊服務化的架構體系。這些業務模塊通過微服務網關實現統一的鑒權和流量防護，互相之間可以通過HTTP實現調用，并能夠通過Docker容器化部署。這些服務可以使用不同數據存儲技術，并保持最低限度的集中式管理。同時，每個服務均可以集群方式[3]部署，實現了系統的高并發和高可用。

為了保持靈活的擴展性，信號仿真培訓系統采用B/S架構設計。整個軟件架構從下至上，總共分為3層，分別是業務邏輯層、數據核心層和人機界面層。

3.1 業務邏輯層

信號系統是一個復雜的業務系統，業務邏輯層通過不同的模塊，分別實現列車控制邏輯、聯鎖邏輯、進路控制邏輯及各子系統的運行邏輯等。

業務邏輯層采用面向對象的設計方式，能夠快速地對信號系統中的各個系統及設備進行實時的邏輯運算，有較靈活的適應性和方便的擴展性。

3.2 數據核心層

構建信號培訓仿真系統，需要大量的數據的支撐，從設備的點位信息到車輛的編組信息，從人員的角色信息到場景的狀態信息等，都需要以數據核心層為基礎，進行數據的堆砌。

數據核心層后臺采用分布式的關系型數據庫。分布式數據庫在信號仿真培訓系統運行時，能夠提供穩定的計算性能，同時，保持高效的數據讀寫速度，使系統能夠穩定的持久運行。

圖1 仿真培訓系統硬件架構圖

3.3 人機界面層

人機界面層是面向培訓對象的窗口。人機界面層采用SVG圖像文件格式作為界面的主要組成部分。SVG為可縮放的矢量圖形。它是基于 XML，由萬維網聯盟（W3C）進行開發的。用戶可以直接用代碼來描繪圖像，可以用任何文字處理工具打開 SVG 圖像，通過改變部分代碼來使圖像具有交互功能，并可以隨時插入 HTML中通過瀏覽器來觀看。

人機界面層完全按照寧波軌道交通 2 號線為原型，進行100%的復刻，以保障培訓前后操作人員的認知的一致性。

4 仿真系統功能

該項信號仿真培訓系統支持以下功能。

4.1 正常情況下的操作模擬

通過軟件模擬，實現調度長/調度員、車站值班員、信號人員、司機的人機界面；并根據信號的基本運行邏輯，結合實際的運營業務要求，實現電腦仿真的駕駛模式模擬，包括ATO模式、無人自動折返模式（ATB）、在ATP監督下的人工駕駛模式（ATPM）等。實現運營模式模擬，包括基于通信的移動閉塞列車控制系統（CBTC）、強制降級（BM）模式和非強制BM模式。實現運營組織操作，包括插入列車、退出載客列車、列車在正線運行、進入和退出正線、列車調整等。同時，實現基本進路操作，包括進路人工設置、連續通過進路、自動折返進路、按運行圖或目的地自動設置進路，并在進路操作的基礎上，實現列車按照進路操作的結果自動運行。

4.2 非緊急降級模下的操作模擬

針對實際運營過程中，由于設備故障等引起非緊急降級模式的操作進行模擬，允許通過軟件實現故障的設置，其中，軌旁設備故障包括CBI故障、LC故障、ZC故障等，車載設備故障包括車載CC故障、信標天線故障、編碼里程計故障、列車失去定位等。在設置故障后，按照信號系統提供的操作規范，軟件會模擬故障發生時的系統自動反應、模擬顯示收到的信息。

4.3 緊急降級模下的操作模擬

針對實際運營過程中，由于特殊情況造成的緊急降級模式進行操作模擬，包括ESB激活、緊急手柄激活以及乘客疏散等。

在上述3中情況模擬的基礎上，系統提供教學、培訓及考核功能。系統允許用戶對場景進行設置，例如設置正常運營場景、故障場景等，學員可以在該場景發生的基礎上，按照實際要求對系統進行操作，系統在后臺記錄學員的操作結果及操作時長，并根據系統中的考核要求，給出最終的判定及結果，以此實現考核功能。

5 仿真邏輯

要想信號仿真系統界面及功能與實際應用環境保持一致，必須在軟件上實現系統邏輯信息關聯，下面簡單舉例一項相關軟件在邏輯關系上的處理。進路的建立邏輯為進路建立分自動觸發進路和人工手動排列進路，首先由ATS模塊下達進路排列命令，ATS根據命令檢查進路表，隨后相關命令信息關聯至聯鎖表進行進路建立條件檢查，可執行則進行相關進路開放及鎖定等操作，若不可執行則報告進路失效。

6 模擬場景

在實現仿真系統的軟件結構搭建、硬件結構搭建及仿真邏輯關聯后，通過模擬信號系統中各個模塊（ATS、CC、ZC、CI等）功能，實現列車在CBTC、iATP和純CI情況下的行車邏輯。培訓管理人員可以通過界面選擇相應劇情，來觸發各類設備故障、災害發生等情況下的模擬仿真。例如XX 車站站臺觸發關閉、XX設備故障等，下面簡單舉例CI故障模擬場景。

故障情況：CI 雙套聯鎖機均不可用。

故障影響：受影響區域列車緊急制動，接近此車站列車常用制動。ATS、ZC、CC與該聯鎖區CI失去通信。LATS與CATS相應區域站場失去表示。聯鎖區域內所有信號機點紅燈。鄰近聯鎖區域已向該聯鎖區域排列的近路將顯示禁止信號。

操作影響：OCC無法控制該CI管理區域的進路與道岔。車站無法控制該CI管理區域的進路與道岔。故障區域相鄰車站無法向故障車站辦理進路。區域內和接近該區域列車僅能在RM模式開行，此時，行車調度員可根據具體情況在系統上對行車組織進行調整。

故障恢復：重啟CI設備后，車站值班員在480 s內進行相關上電解鎖操作，并轉為遙控。OCC確認故障恢復后，通知司機在RM模式下啟動列車，列車初始化之后恢復運營。聯鎖重啟，相應聯鎖內列車完全停止之前不得操作道岔和控制進路。

7 結語

該文涉及的軟件Java和Node.js開發語言基于微服務體系，把各項信號系統進行模塊化并通過服務器進行集群式部署，實現了系統的高并發和高可用，同時，系統采用B/S架構設計，實現邏輯業務關聯，實現了系統運行模擬及故障模擬功能的實現。

通過寧波地鐵信號系統仿真的搭建，以實際的信號系統為基礎，面向運營提供了高度還原的信號系統，實現了行車組織、故障等常用場景的模擬，系統能夠根據不同場景下各角色對設備的操作及運營組織進行考核評分，從根本上解決優化軌道交通在培訓室的培訓難題。