基于FAO的城轨列控实训考核装置 基于FAO的城轨列控实训设备 基于FAO的城轨列控综合实训台

ZN-IODF02基于FAO的城轨列控实训设备

一、概述

ZN-IODF02基于FAO的城轨列控实训设备包含城轨信号基础实物设备平台和基于FAO的列车全自动运行控制模拟平台两部分，系统平台开放接口，可以实现互联互通，客户可以在系统平台本身具有的实验实训功能基础上，在开放的接口上自主实现功能扩展和新项目试验、开发等工作。同时，可以在该系统平台上开发相关科研课题便于专业教师完成科研课题申请、论文撰写等。

二、系统组成

1. 城轨信号基础实物设备平台

（1 1 ）系统介绍

       本实验室主要进行铁路信号基础设备的演示、实操控制及日常维护，设备配置以车站信号自动控制为主要课程背景，包括铁路信号基础实物设备和计算机联锁实物设备，实训内容包括设备的认知、使用演示和动手操作及设备检修。

铁路信号基础实验设备包括：S700K交流转辙机、信号机、铁路专用继电器、欧标点式应答器系统、计轴器、25HZ相敏轨道电路、转辙机联锁接口电路实验系统、信号机联锁接口电路实验系统。

       计算机联锁实验设备包括：信号机控制实验系统、转辙机控制实验系统、铁路信号智能电源屏、基于二乘二取二安全计算机的计算机联锁主控机、计算机联锁操作表示机、计算机联锁驱动采集机。

      铁路信号基础设备主要是让学生学习信号基础设备的基本工作原理和特性的仿真、以及实物联锁、继电器、信号机、转辙机等信号基础设备电路故障维修方面的实践内容，有利于增强学生工程设计能力和分析动手能力，同时有利于后续车站联锁、区间闭塞课程的学习。

      计算机联锁系统（实物联锁）教学系统特点是，不但能够直观的通过现场真实实物设备给培训员工或学员展示信号系统基础设备和计算机联锁系统的组成及原理， 同时可以让培训员工或学员动手完成各种实训项目，如计算机联锁系统使用及设备维护，手摇道岔实训、信号机实训、转辙机实训、线路检修等信号系统方面的实验、实训课程。

       通过培训员工或学员的信号理论及实操能力，可以培养其实际现场设备的操作方法，学习其工作原理；同时，通过人工设置在继电器组合架上的故障模拟盘来设置各种现场常见设备故障，培训员工或学员对现场设备故障情况下的应急处理机制。故障可以自己设置，自己排除，也可以由教师设置要求员工或学员排除以考核其学习成果及对现场设备的操控能力

      点式应答系统可以单独设置也可以结合信号道岔联锁教学系统组成一套完整的教学、实训仿真系统。该系统能够真实的展现点式应答器的实物外形及使用原理；该系统通过列车在线路的运行可以完全仿真的模拟实现整个点式应答器系统的工作方式和原理，既可以用于理论教学也可以实现实操教学。

       计轴系统可以单独设置也可以结合信号道岔联锁教学系统组成一套完整的教学、实训仿真系统。该系统能够真实的展现计轴器的实物外形及使用原理；该系统通过列车在线路的运行可以完全仿真的模拟实现整个计轴系统的工作方式和原理；既可以用于理论教学也可以实现实操教学。该计轴系统可以在仿真计算机界面完成与真实计轴系统完全一致的各种复位与隔离操作。当计轴设备故障时可以完全隔离其与计算机联锁系统的关系，使其他实训设备和课程不受影响。

      配备室外基础实物设备，包括 1:2 轨道及道岔，LED 色灯信号机，交流转辙机等。

2 2 ）系统各产品说明

（ 2.1 ）铁路专用电源屏

铁路专用电源屏为铁路车站信号机、转辙机、继电器、道岔表示、轨道电路、计算机联锁等设备提供交直流电源。

提供铁路信号相关基础设备所需的各等级交直流电源；具有道岔模块供电电压及电流显示功能；具有信号机模块供电电压及电流显示功能；具有轨道电路模块供电电压及电流显示功能；具有断相保护功能；具有过流保护、稳压、隔离、防雷等功能。

满足实验室设备供电需要，容量5kVA。

可开设实验：铁路信号电源屏认知实验。

（ 2.2 ）真实计算机联锁实训系统

（ 2.2.1 ）联锁安全计算机平台

      上位机为双机热备系统，双机操作均有效，按照地铁现场管理规则，使用时应该人工封锁备机的键盘、鼠标。

       联锁逻辑处理机为二乘二取二安全计算机平台。

      联锁机子系统是实现联锁系统主要逻辑控制功能的核心设备，必须满足故障安全设计原则，在硬件设计及软件设计上都要保证系统的高安全性和高可靠性。

联锁机的总体结构如下图所示

       其中的二乘二取二安全计算机平台结构，能够实现设备双系冗余，数据同步及表决，故障自关断等功能。当处于主用状态的一系发生故障时，系统会自动切换到热备状态的另外一系，整个过程是无缝切换，对联锁系统的运行不会造成影响。

       二乘二取二安全计算机平台对外提供 2 个独立的 100M 以太网通道，每个通道提供一个 RJ45的电气接口。系统使用这两个通道作为对外的数据传输通道。

       二乘二取二安全计算机平台两个通信控制器各提供多路对外接口。

       联锁机应用软件运行于二乘二取二安全计算机平台之上，通过与 IO 控制单元通信，能够完成对信号机、道岔、轨道电路及计轴等轨旁设备的状态采集和驱动，通过与其他子系统通信获得地面、

      车载的相应信息，通过逻辑处理实现如下联锁功能：

       联锁机为双系配置，可以人工在倒机板通过开关选择 I 系或 II 系单独工作，缺省模式为双系同时工作。双系工作时如其中一系发生故障，系统自动导向另一系，工作原理符合二乘二取二安全计算机平台原理。模式选择开关位三位式纽子开关。

（ 2.2.2 ）继电器组合架

（ 2.2.2.1 ）组合架规格：尺寸 2000*600*800（mm）；封闭式机柜（带前后门）、含组合及组合内部配线；采用新型断路器（只含底板）、零层端子和侧面端子采用 WAGO 端子。

（ 2.2.2.2 ）组合架功能：放置安全继电器，整流继电器 7 个，无极继电器 21 个，偏极继电器 2 个，道岔继电器 1 个，道岔表示单元 1 个；同时实现电缆分线架的功能。

（ 2.2.2.3 ） 继电器具体技术参数：

 普通接点压力：动合接点不小于 150 mN；动断接点不小于150 mN；加强接点压力：动合接点不小于 400 mN；动断接点不小于 300 mN；

 接点齐度误差：普通接点与普通接点间及普通接点与加强接点间不大于 0.2 mm，加强接点与加强接点间不大于 0.1 mm。电气特性(+20℃时)：

 线圈电阻：线圈单独使用，使用 1、2、3、4；

（ 2.2.3 ）信号机

      铁路信号是向有关行车和调车作业人员发出的指示和命令，信号机是铁路信号的一个重要的组成部分。本实训系统信号机可以指示道岔开

通的位置。

      本系统采用 ZNB-XH 型 LED 铝塑合金铁路信号机，它采用 LED 发光二极管作为新光源，取代信号白炽灯泡，是传统铁路信号灯的更新换代

产品。

      矮型铝合金三显示色灯信号机构（黄、绿、红)3 个，矮型铝合金两显示色灯信号机构（黄、红)1 个，信号点灯单元 9 个，LED 发光盘 9 个。

       不允许信号出现无显示或乱显示（即不符合规定的信号显示）。在组合灯光开放和关闭时，同时点灯或灭灯。

      防护道岔的信号机关闭后，未经再次办理，不得重复开放。但当正线办理了自动进路后，能使该进路保持锁闭，信号机随着列车的运行自动变换显示。

（ 2.2.4 ）信号机控制实验系统

        道岔防护信号机及出站信号机组合匣 4 套。至少包括 3 显示（U/L/H/HU）道岔防护信号机 3架，出站站信号机 1 架（含 LXJ、YXJ、ZXJ、DJ、2DJ、等铁路信号安全型继电器及端子板、RD），分线盘端子、开关按钮、指示灯等。提供组合连接所需各种导线。通过与电源等连接及开关控制，能实现进站信号机的各种显示

（ 2.2.5）转辙机系统

（ 2.2.5.1 ）K S700K  电动转辙机：

       转辙机道岔控制系统的执行机构。用于转换锁闭道岔尖轨或心轨，表示监督联锁区内道岔尖轨或心轨的位置和状态。

基本功能：具有道岔转换器、锁闭器和监督表示器的功能。本实验台采用实物 S700K 型转辙机。S700K 电动转辙机采用的是德国西门子技术，由于内部结构简单，其保养维修工作量很少，大多数保养工作在短时间内即可完成，而且工作可靠。S700K 电动转辙机已在国内大铁路的提速道岔上广泛使用。分动外锁闭安装装置能可靠地锁闭道岔尖轨和基本轨，确保4mm 不锁闭功能。在锁闭状态下能牢牢地把尖轨与基本轨锁闭在一起，即使连杆折断，外锁闭仍在起着锁闭作用。同时，外锁闭能隔离列车通过时对转换设备的振动和冲击，提高转换设备的使用寿命和可靠性。

（ 2.2.6 ）道岔

       道岔是一种使机车车辆从一股道道转入另一股道的线路连接设备，通常在车站、编组站大量铺设。每一组道岔由转辙器、岔心、两根护轨和岔枕组成，由长柄以杠杆原理拨动两根活动轨道，使车辆轮缘依开通方向驶入预定进路。12kg/m 钢轨轨道制作，1：2 全部钢制基本轨，由基本轨、尖轨、跟部结构、轨撑、撤前垫板、滑床板、辙后垫板、顶铁、连接杆、拉杆、轨枕等组成

（ 2.2.7） ）  轨道小车

       轨道车按照 1:2 方式仿真转向架，轮轨采用金属材质满足配合计轴检测功能；车载安装应答器 BTM 及天线设备，满足列车压轨检测及应答器教学实训功能，同时可以实现电动遥控运动时的简单 ATP 功能。

（ 2.2.8 ）计轴系统

（ 2.2.8.1 计轴系统原理

        计轴基本工作原理：如图 1 所示。基于列车（车辆）驶入和驶出计轴点所监视的区段时所记录轴数的比较结果，以此确定该区段的占用或空闲状态。当列车从所检查区段的 A 端进入，车轮驶入计轴传感器（A）作用区域时，向计数单元传送轴脉冲，计数单元开始计数，并判别运行方向，确定对轴数是累加计数还是递减计数。这时 B 计数结果为零，轨道板根据轴数信息，经比较不一致后，发出区段占用信息，控制该区段轨道继电器落下。轨道板通过 CAN 总线使显示单元显示区段轴数。

       当列车通过 B 端，计轴传感器（B）计数，经轨道板比较使显示单元显示区段轴数减少，当 A、B轴数一致时，轨道板输出区段空闲信息，控制该区段轨道继电器吸起，显示单元显示为零。

（ 2.2.8.2)

（ 2.2.9 ）应答器系统

概述

       采用高可靠性固定信息存储芯片，仿真真实固定应答器及可变应答器的功能及外形，能够存储人工编制的固定报文，可以在特殊手持报文读写装置来改变其中的报文内容。

报文编制符合 EN SUBSET036 标准及 TB 要求。

功能

 提供无源应答器

 能方便位置等信息的读写

 能实现与读卡器的通信

下图为根据城轨信号原则结合信号道岔系统设计的点式应答器布置方案：

（ 2.2.10 ）计算机仿真联锁实训系统

LOW 计算机联锁系统属于分布式计算机控制系统，其特点是分散控制，集中信息管理。联锁系统在信号系统中的地位如图 1 所示。该系统主要组成部分如下：

 操作表示计算机也称人机对话机或上位机

 联锁计算机

 驱动采集机

 安全继电器接口电路

 电务维修机

（ 2.2.10.1 ）系统软件设计特点

       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。

      系统的操作界面和现场相应厂家真实操作界面完全一致，在显示风格、操作步骤、逻辑关系判断等方面与现场实际操作系统一致，用户在实训系统中的操作与实际系统操作没有差异，模拟练习即日常生产所需。

      软件功能可以仿真模拟市场上所有厂家的联锁设备。

（ 2.2.10.2 ）I CBI  子系统的设计原则                   

       整个计算机联锁实验系统，所有设备均采用铁路现场实际设备，其配置应满足以下技术要求：道岔防护信号机标准组合 3 个，至少包括 LXJ、YXJ、ZXJ、DJ、2DJ 等铁路信号安全型继电器，完成相应的接口电路连接。通过与电源、铁路进站信号机等连接，能直接驱动进站信号机正确显示。

电力牵引区段（有扼流变压器）预叠加 ZPW—2000 电码化（有隔离器）；

非电力牵引区段（无扼流变）预叠加 ZPW—2000 电码化（有隔离器）；

室外调整的区段

电力牵引区段（有扼流变压器）非电码化；

非电力牵引区段（无扼流变压器）非电码化。

（ 2.2.11.2 ）技术标准

 调整状态时

       轨道继电器轨道线圈上的有效电压应不小于 18v， [即高与轨道继电器工作值（15v）的 20%]；电子接收器轨道接收端有效电压应不小于 16v，直流电压输出为 20~30V，以保证继电器可靠吸起。

参考北京全路通信信号研究设计院“ZPW—2000 系列站内电码化预发码技术”：

轨道继电器线圈电压：15~18v 有效值（与允许失调角β有关），

UGJ（有效）= UGJ（测试）╳ COSβ（β为允许失调角）。

允许失调角β：±30 0，（失调角=90 0—相位角，相位角一般调整为 90 0±10 0）。

25HZ 相敏轨道电路允许失调角（β）范围及调整状态时 UGJ（测试）值

说明：

（1）允许失调角β是指 UG（轨道电压）与 UJ（局部电压）之间的相位差，即局部电压导前轨道电压 90 0 时，会发生相移，该相移应控制在一定的允许范围；

（2）允许范围是指按部标准图[图号通号（99）0047]图册中 Ujmin（轨道继电器工作电压）。

因 Ujmin 为参考值，故允许失调角也为参考值。实际值应根据现场实际情况进行确定，但原则上不得高于给定值；

（3）失调角β大，轨道继电器（测试）端电压 Ujmin 也相应要高。

 残压

        用 0.06Ω标准分路线在轨道电路送、受电端轨面上分路时，97 型二元二位轨道继电器（JRJC2—70/240）端电压≤7.4v；电子接收器的轨道端电压≤10v，输出直流电压≤2v，其执行继电器可

靠落下。

 入口电流:在电码化轨道区段，于机车入口端用 0.15Ω标准分路线分路时的短路电流，1700HZ、2000HZ、2300HZ 不小于 500ma，2600HZ 不小于 450ma。

 轨道继电器至轨道变压器间的电缆电阻不大于 150Ω。

 轨道电路的限流电阻：

（1）送电端限流电阻（Rx）（固定，不得调小，更不得调至零值）：

a、有扼流变压器的区段及无扼流变的电码化区段：Rx=4.4Ω

b、无扼流变压器非电码化的无岔区段及股道：Rx=0.9Ω

c、无扼流变压器非电码化的道岔区段：Rx=1.6Ω

（2）受电端限流电阻（Rs）：一送多受道岔区段：一般 Rs= 2.2Ω或 1.1Ω（调受端平衡时可以按需要从零至全阻值进行调整）。

6、轨道架另层电源保险：另层 KZ、KF 用 3A，有的设计已取消此保险。

7、轨道电路长度大于 350m 时，应设补偿电容。

载频 1700HZ、2000HZ 补偿电容容量 80uf，载频 2300HZ、2600HZ 补偿电容容量 60uf。补偿电容间距为 100m，均匀设置，补偿电容设置：以股道长度 1010m 为例，电容个数 11 个，等距离长度△=L/Nc=1010/11=92m，股道两头△/2=46m。

（ 2.2.11.3 ）调试流程

       轨道电路调试分开通前模拟导通试验和开通时调试。

       开通前准备工作：根据轨道电路的不同类型对送、受变压器定圈预调，可调电阻固定；各轨道区段送、受电端单独送电，检查回路畅通配线正确。

室内部分

       首先检查 25HZ 电源屏输出电压及相位正确；其次，在分线盘受电回路逐一接入交流 24V 电源检查二元二位继电器 3、4 线圈有电，停电后 3、4 线圈无电；再次，从 25HZ电源屏输出 110V 交流电压逐一检查二元二位继电器 1、2 线圈有电。通过以上检查，确保室内受电

回路正确。

       模拟试验：给继电器送 110V 局部电源，受电端送 24V 电源（电码化区段室内调整变压器 BMT—25 送 20V 电压，分线盘送受电端连通），使每个轨道继电器能吸起，并核对与实际位置、测试盘位置是否一致。

室外部分

        设备安装完毕，在配线完成后扼流箱钢丝绳未连接至钢轨前，对送、受电回路逐一导通，变压器、变阻器等按调整表进行预调，往送、受电端分别送电，在尾部（钢丝绳侧）能测到电压并用灯泡点亮，以确定电缆及箱盒配线正确，变压器及扼流变等设备完好。对短的轨道区段可以正式送、受端拉线（用 2.5m2 以上线，如 7×0.52 或 42×0.15 双股线）连通进行通电试验，调整送电电压及相位使继电器吸起（一送多受区段也可调好平衡），保证通道

好、相位极性正确。

模拟电路制作

       室内模拟验收后，将分线盘轨道电路室内外线连接好，室内调整的区段送电电压按调整表预调好。为不影响电务段联锁试验，要预先做好轨道电路的模拟电路，封锁开始时消灭控制台红光带，等联锁试验完成后拆除模拟电路，核对轨道区段：

         使用二元二位轨道继电器的，非电码化区段封连二元二位继电器的 11—12接点，电码化区段封连二元二位继电器的 11—12 和 31—32 接点，使 GJ 吸起，[要求模拟试验线（封连线）要进行编号，使用的位置、内容、数量要经过设计签认，试验线制作要便于拆除（使用夹子线，每个组合架的试验线集中做在一块板子上）；

        开通新设备当天调试工作流程。大封锁开始后，进行新老设备倒接，室外打箱线，室内分线盘倒接电缆，然后电源屏送轨道电源开始调试。

       调整顺序：送电端初定——受电端测试——继电器吸起——送电端固定——受电端微调（一送多受区段）——继电器特性满足标准。

       首先要保证继电器都先吸起，继电器有电压且>15V，如不吸，则通知室外调整相位（交换受端变压器一次或二次线圈上两根线），然后再进行细调使继电器电压和相位角符合标准（相位角调整室内防护盒端子）；轨道分路时，二元二位继电器电压小于 7.4V，电子接收器的轨道端电压小于 10v，GJ 继电器可靠落下。

（3 3 ）实训功能

（ 3.1 ）基础信号设备实训教学功能

 设备使用及原理实训功能

       提供一系列了解铁路信号基础设备基本工作原理和特性的实训，通过这些实训，有利于加深学生对基础设备基本原理的深入理解，增强学生对基础设备的学习能力。

 设备工程设计实训功能

提供了信号机、转辙机等信号基础设备工程设计方面的实践内容，有利于增强学生工程设计能力，同时有利于后续车站联锁、区间闭塞课程的学习。

 设备故障维修实训功能

提供继电器、信号机、转辙机等信号基础设备电路故障维修方面的实践内容，有利于提高学生分析与动手能力，同时有利于后续课程学习。

（ 3.2 ）实物计算机联锁系统可以实现如下实训功能

 测试电动转辙机各项指标实验；

 处理电动转辙机室外开路故障实验；

 日常检查信号机，外部、内部检查、清扫实训；

 信号机点灯电路室外混线处理作业实验；

 信号机点灯电路室外线缆开路处理作业实验；

 连接杆日常检查、调整、清扫实训；

 更换道岔密贴调整杆实训；

（4 4 ）实训项目

 铁路信号电源屏实训

 信号机测量与拆装实训

 计算机联锁使用及维护

 S700K 转辙机测量与拆装实训

 继电器特性测试

 继电器电路接线实训

 信号机电路工程设计实训

 转辙机电路工程设计实训

 信号机点灯电路连接实训

 转辙机控制电路连接实训

 可根据实训系统功能，自行拓展更多实训项目。 （5）项目实例图片

2. 基于 O FAO  的列车全自动运行控制模拟平台

（1 1 ）系统介绍

      目前国内轨道交通的发展极为迅速，自动驾驶在安全，节能，和停车精度方面相比人工驾驶有很大的优势。列车自动驾驶涉及众多的知识点，包括列车节能优化算法，曲线跟踪算法，精确停车算法等。

      全自动驾驶系统（Full Automatic Operation，简称FAO）是以现代信息技术提升运营服务水平为目的的新一代城市轨道交通系统，是系统自动化程度的等级。

全自动驾驶系统目的：

 进一步提高系统可靠性；

 进一步提高系统安全性；

 进一步提高系统可用性；

 进一步提高系统可维护性；

 进一步提升运营/系统应急处置水平；

 进一步提升系统自动化水平，降低劳动强度。

        建设本平台旨在为学生了解列车自动驾驶的基本原理，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研究一下课题：

 FAO系统危险源分析

 FAO系统运营场景研究

 FAO系统整体设计

 FAO系统关键技术研究

 FAO理论仿真平台

（2 2 ）系统功能

（ 2.1 ）对移动闭塞系统的整体解决方案进行整体功能演示

      仿真平台可实现车辆以移动闭塞级别追踪仿真车辆的功能，仿真车直接与仿真轨旁设备通信，向仿真轨旁汇报车辆位置并接收 ZC 发送过来的行车许可。

仿真测试平台的仿真器包括由车载仿真器、联锁仿真器、ZC 仿真器、轨旁设备仿真器组成。

（ 2.2 ）测试人工驾驶和自动驾驶的性能比较                            

        在自动驾驶模式下, 车载仿真器可以根据设定的优化目标来选择智能算法，实时地生成指令控制重载列车运行。记录人工驾驶以及自动驾驶的运行曲线，依据优化目标对不同的算法进行评价。便于学员对不同列车自动驾驶算法的节能效率以及不同列车自动驾驶算法的停车精度进行分析和比较。在设定站间运行时间之后，该功能首先让学生按照自身经验完成列车从出站到停车的人工运行，系统记录人工驾驶的列车运行曲线。随后，由学生选择程序内部设定的列车自动驾驶控

制算法控制列车运行，并记录自动驾驶的列车运行曲线。比较人工驾驶和自动驾驶在运行能耗和停车精度方面的差距，并给出具体原因。

（ 2.3 ）测试在不同列车自动驾驶算法的节能效率功能

该功能能让学生首先学习节能控制算法的基本原理，学生能自由配置列车运行的启动，巡航，惰性，停车的时间分配，并输入列车性能参数。在完成参数设置之后，列车自动驾驶功能完成站间的列车运行，同时记录能量消耗。学生能根据结果分析各种运行参数对列车节能的影响。

（ 2.4 ）测试在不同列车自动驾驶算法的停车精度功能

该功能首先让学生学习目前列车停车控制算法，主要包括PID算法和模糊控制算法。在学习算法基本原理之后，学生可以自行配制算法的参数。在参数设定以后，列车按照算法模型控制停车，学生根据停车精度分析各种参数对列车停车精度的影响，从而对具体的停车控制算法有更深一层认识。

（ 2.5 ）模拟并研究在 O FAO  模式下列控与外部系统接口

        FAO 控制等级能够实现的主要前置条件在于完善的外部监测信息输入给信号系统，本仿真系统可以通过硬件平台和软件模块实现外围各个监测系统的仿真和数据流交互，在实训过程中通过改变外围监测数据的变化实现控制等级变化以研究 FAO 的实现原理和故障情景处置。能够仿真的接口如下图所示：

（ 2.6 ）学习并实践在 O FAO  系统中轨道交通各个关键岗位的职责和实操演练通过接口轨旁设备仿真服务器和智能化综合监控服务器模拟列控系统以外设备的工作状态，可以实现与 FAO 列控系统紧密关联的其他系统岗位人员的操作演练，通

                              

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