基于Proteus的轨道交通信号与调度仿真平台设计

周维龙，王欣，肖会芹

（湖南工业大学，湖南 株洲）

一 引言

轨道交通具有运量大、快速、安全、准时和低功耗等特点[1]，在人们生活中扮演着越来越重要的角色，截至2021年3月，我国城市轨道交通总运营里程7691.9公里。

信号系统是城市轨道交通机电自动化系统中最关键的部分，其核心是列车自动控制系统 (Automatic Train Control，简称ATC)。轨道列车在运行过程中会发生各种各样的状况，轨道列车的运行现代化、行车指挥、运行安全都需要借助于城市轨道交通信号系统[2]。在目前的技术条件下，城市轨道交通信号系统已经实现了自动化控制[3]。由于信号系统设备的特殊性，一般实验室难以成体系配置，导致实践教学环节难以开展，教学效果很难保证[4]。而虚拟仿真技术借助多媒体技术、输入输出技术等多种手段构建一种高度虚拟现实仿真的实验教学环境，使学生体验置身其中的感觉，能够实现互动实验教学，最大限度地激发学生的学习兴趣，改善教学效果[5]。

二 仿真平台简介

该仿真平台基于应用虚拟化技术、流媒体技术、实验过程远程监控技术、实验过程录播技术等进行电子信息工程专业VR软件的开发，将应用程序与操作系统解耦，为应用程序提供一个虚拟的运行环境，学生可以进行无时间与空间制约的虚拟实验，促进教学方法的研究和改进，促进电子信息工程进入虚拟化、科学化、数字化的时代，摆脱纯粹依靠实体实验的状态[6-7]。平台登录界面如图1所示。

图1 城市轨道交通调度指挥模拟仿真实验平台登录

三 仿真系统相关知识点

轨道交通信号系统基础设备如：信号机、转辙机、轨道电路、应答器等基本结构、工作原理、现场应用原则；同时掌握车站、区间、联锁等基本概念。而基于Proteus的虚拟仿真平台，不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。受到广大电子系统开发应用的科技工作者的青睐，也是电子信息类毕业生必须掌握的仿真软件之一[8]。在理论性很强的轨道交通信号系统实践教学环节引入实践性很强的单片机技术，结合Proteus强大的仿真能力，既可提高学生对单片机技术的应用能力，又可以提高学生对轨道交通信号系统相关概念的理解，实现“学以致用”[9-10]。实验项目不仅实现轨道交通信号系统、单片机相关知识点有机融合，具体融合关系见表1。降低了实验室建设成本与难度，以直观的仿真结果帮助学生攻克知识难点，提高学生学习兴趣。

表1 知识点融合关系表

四 仿真实验设计内容与实现

实验项目结合学生特点、培养要求以及虚拟仿真技术掌握熟练程度，精心组织设计实验内容。主要内容包括表1中的三个模块，体现知识点不同层次，满足学生对该课程各阶段学习的不同要求。

（一） 模块一的设计与实现

（1）场景设计

车站进站信号机通常为五灯七显示[11]，灯位排列为：黄1绿红黄2白，示意图如图2所示。图2中，1/3、5/7号道岔均为18号道岔。灯光显示含义如表2所示。

图2 进站信号机控制模拟场景

表2 高速铁路进站信号机显示机含义一览表

（2）系统功能需求

①灯光设计：按照进站信号机灯光颜色排列，用对应颜色的LED灯和排列设计进站信号机；

②灯光显示：每个灯亮的时间为3秒；黄灯闪烁的频率为2Hz；

③系统开机和复位灯光显示：系统开机，5个指示灯从上而下依次点亮一次，然后全熄灭；按复位键进入初始状态，灯全熄灭；

④灯光自动显示：自动模式下，灯的工作状态按表1灯光顺序1、2…7的依次自动循环；

⑤灯光暂停：按下对应灯光控制键，指示灯则停止在对应的灯光序列显示。

（3）系统总体方案设计

根据实验设计内容，设计系统框图3所示。主要包括复位电路、按键控制电路、单片机控制电路、隔离放大电路以及指示灯电路等部分构成[12]。

图3 进站信号机显示控制系统总体方框图

（4）系统仿真结果与分析

由图2进站机信号灯示意图可以知，本实验指示灯共5个，发出7种不同组合指示信号，具体对应关系如表1所示。为确保指示灯的输出功率，与实际应用更接近，在指示灯与单片机输出端口间外加三极管。其中与P1.2相连的为Q3，与P1.3相连的为Q4，与P1.4相连的为Q5，与P1.5相连的为Q6，与P1.6相连的为Q7。当单片机输出端口输出为高电平时，相应的三极管导通，从而点亮指示灯，实现对进站列车的控制，仿真结果如图4所示。由表2可得出，此时黄灯（D4）绿灯(D2)亮，对应着状态6，即准许列车按规定速度越过该信号机，经道岔直向位置进入站内，表示下一架信号机已经开放一个黄灯。

图4 信号机控制系统仿真结果之一

（二） 模块二的设计与实现

（1）场景设计

在A车站和B车站之间分为8个闭塞分区。由北京方面往深圳方面称为下行，由深圳方面往北京方面称为上行。以8个按钮模拟放置在轨道上不同位置的8个光电传感器模拟应答器，从北京方面往深圳方面顺序依次为BUTTON1，BUTTON2，BUTTON3，BUTTON4，BUTTON5，BUTTON6，BUTTON7，BUTTON8，每个光电传感器对应一个闭塞 分 区Block1、Block2、Block3、Block4、Block5、Block6、Block7、Block8[13]。系统模拟图如图5所示。

图5 列车运行方向与列车定位模拟图

（2）系统功能需求

①列车位置识别

当BUTTON1、BUTTON2、…BUTTON8的某个按钮按下，表明该区段有车运行，系统可显示列车运行的相应位置。

②列车运行方向识别

若按从BUTTON1、BUTTON2、…BUTTON8的顺序按下按钮，则说明列车的运行方向为北京方面往深圳方面，即为下行行车。

若按从BUTTON8、BUTTON7、…BUTTON1的顺序按下按钮，则说明列车的运行方向为深圳方面往北京方面，即为上行行车。

③列车运行信息的显示

当列车从北京方面向深圳方面运行时，LCD显示屏会显示“From BJ to SZ”字样，同时，LED点阵箭头从下向上移动。

若列车从深圳方面向北京方面运行，则LCD显示屏会显示“From SZ to BJ”字样，同时，LED点阵LED点阵箭头从上向下移动。

若列车在区间某位置，LCD显示屏显示“Runing at Blocki”。

当列车位于Block8：运行方向为从北京方面向深圳方面时，LCD显示屏显示“Arriving at B Station”；运行方向为从深圳方面向北京方面时，LCD显示屏显示“Leaving at B Station”。

当列车位于Block1：运行方向为从深圳方面向北京方面时，LCD显示屏显示“Arriving at A Station”；运行方向为从北京方面向深圳方面时，LCD显示屏显示“Leaving From A Station”。

（3） 系统总体设计方案

根据实验设计内容，设计系统框图如图6所示。可包括光电传器模块、点阵动电路、LCD液晶显示、单片机控制模块等部分[14]。

图6 系统总体设计框图

系统硬件电路主要包括单片机最少系统模块、8*8LED点阵显示模块[15]、LM016l显示模块、74HC595点阵驱动模块及按键控制模块等五大模块。仿真结果如图7所示。由图可知，当前列车停止在K1的位置。

图7 系统仿真结果之一

五 结语

该技术在虚拟仿真实验教学中的应用具有如下特点：（1）实验软件不再受时空局限，充分共享，应用虚拟化技术使得学习者不再局限在物理环境的实验室机房内，也没有时间限制，学习者可以随时（例如课余时间）在宿舍、图书馆等利用各种信息设备终端进入系统练习相关的实验项目。（2）实验软件免安装，部分实验软件都需要在机器上安装该软件(即C/S结构)，有些软件安装配置过程较复杂，对学生们要求较高，也占用了大量学习时间。而应用虚拟化技术则只需要管理员在服务器上一次安装配置应用程序，既高效又方便管理。（3）不受用户设备（例如电脑）的限制，应用虚拟化技术支持各种设备的访问，实现多终端接入，新兴的各种终端例如iPad等都可以进入实验软件进行实验操作，带来了极大的机动性、灵活性。