地铁列车模拟驾驶器故障处理系统的功能
2012-08-25 21:43
地铁列车模拟驾驶器故障处理系统的功能
摘 要 地铁列车模拟驾驶器故障处理系统用于培训司机的故障实时处理能力。介绍了多媒体故障处理系统的主要功能。早期的故障处理系统功能相对简单，只能实现部分硬件的故障处理操作培训。多媒体故障处理系统应用 CGI 计算机成像技术来完善其环境逼真程度，通过软件仿真实现无法在硬件上完成的故障处理操作，同时虚拟列车设备，对难以用硬件完成的列车部件进行全数字化仿真，实现覆盖列车运行中所遇到的各类故障的处理操作。功能完善的多媒体故障处理系统大大提高了培训质量，节约了培训成本，能培养同时具备实际操作和故障应变处理能力的司乘人员，从而保障地铁列车的安全平稳运行。
关键词 地铁列车; 模拟驾驶器; 故障处理系统
地铁列车模拟驾驶器是计算机多媒体仿真技术、列车动力学和列车控制理论等相结合的产物。其基本原理是: 根据机车电路及气路控制关系、线路纵断面情况、司机操纵情况及列车运行动力学等建立数学模型，用计算机进行仿真运算和控制，复现真实列车的控制和运行规律。以往的列车驾驶模拟器功能简单、性能较低，主要侧重于司机在列车运行中的实际操纵训练和动力学分析，对训练环境的逼真程度要求不是很高，解决列车相关故障的培训也是在模拟驾驶器实物上完成，只能实现部分故障处理操作训练。地铁列车模拟驾驶器应用 CGI( 计算机生成图像) 成像技术来完善其环境逼真程度，应用计算机多媒体仿真技术模拟列车故障处理系统，通过软件仿真完成无法在硬件上进行的故障排除操作。同时，列车模拟驾驶器应用虚拟仿真技术设计虚拟列车设备，对难以用硬件完成的列车部件进行全数字化仿真，实现了从硬件到软件完全覆盖列车运行中所遇到的各类故障的处理操作。列车模拟驾驶器不仅用于培养司机的操纵技术，更重要的是能培训司机的故障分析、判断及实时查找和排除能力。本文探究地铁列车模拟驾驶器多媒体故障处理系统的功能，以满足城市轨道交通发展的需要。
1 地铁列车模拟驾驶器故障处理功能的模拟方法
多媒体故障处理系统是地铁列车模拟驾驶器得以广泛应用的主要因素之一，其逼真程度是衡量列车模拟驾驶器性能的主要指标。在列车模拟驾驶器中，故障处理功能的模拟主要有配置实物模拟和计算机软件模拟等两种方法。
( 1) 实物电器柜( 控制柜) 模拟: 通过人为的方法将实物电器柜和控制柜的故障直接设置在相应的实物上，故障的判断和处理也是在实物上进行，训练方法几乎与实际一样。其优点在于具有极强的实用价值，不足在于占用的场地空间较大，无法进行破坏性故障的设置和突发故障的设置，系统的工作量大、可靠性较差，一旦实物电器柜自身故障或故障无法排除，列车驾驶模拟器的正常培训将难以继续。
( 2) 计算机软件模拟: 借助于计算机多媒体软件技术，将实物电器柜以 2 维或 3 维模型方式展现给受训司机，将列车控制逻辑与模型相结合，允许司机在电器柜模型中通过交互方式查找、判断和排除故障。其优点在于设置故障的工作量小，可随意撤销或者设置故障，且可以作为理论教学辅助工具，不足在于软件设计需要机车制造商提供全面、详实的相关资料，开发周期相对较长，难度较大。
列车模拟驾驶器的多媒体故障处理可同时采用软件仿真与实物配置模拟。即对司机室及其控制设备、电器柜、地铁列车塞拉门、屏蔽门等采用实物模拟，对逻辑控制较为简单的电路系统以及无法用硬件实做的车底设备、车顶设备、客室设备等采用计算机软件模拟。另外，多媒体故障处理可采用预置方式设置突发事件，采用即时产生方式设置电器电路故障，以最大限度地满足教与学的需要。
2 多媒体故障处理系统的主要功能及其实现
地铁列车模拟驾驶器多媒体故障处理系统主要应具备故障的模拟功能，可实现基于硬件的故障模拟和基于软、硬件结合的故障模拟。在模拟司机室，凡可采用硬件实物操作排除的列车故障采用硬件实做的方式实现，无法采用硬件实物操作排除的列车故障以多媒体软件仿真的方式模拟实现。其故障模拟功能包括故障分类管理、离线设置、实时设置、多种条件触发、多媒体真实情境表现、处理显示及处理评价等。
2． 1 故障分类管理功能
多媒体故障处理系统能全面模拟列车的故障，如车辆内部电器 CCU( 中央控制单元) 、DCU( 驱动控制装置) 单元、EBCU( 电子制动控制单元) 、制动机、电机、侧门、塞拉门等各类列车故障，以及行人掉道、天气突变、障碍物、火灾、站内停电等突发事件，并提供故障排除与处理所需的设备。多媒体故障处理系统的各种事件信息分别通过名称、编号、类型发生条件、故障引起的现象、处理故障规定时限及标准处理步骤等信息进行分类管理。
2． 2 离线设置功能
在系统离线状态下对系统中故障的添加、编辑、删除，可通过相关软件进行设置。离线设置功能能够实现培训内容的编制和设计，有利于对学员进行系统有序的培训。
2． 3 实时设置功能
多媒体故障处理系统管理软件能进行故障的实时设置与撤销，可设置“模拟运行中，可以实现故障的实时设置与撤销功能”、“模拟运行中，可以实现培训或考核课程中预先设置的故障的适时触发功能”。如图 1 所示。
2． 4 多种条件触发功能
教员可通过教员软件设置故障多种触发条件，训练学员对不同情况下产生的故障的处理能力。触发条件通常分为常规触发、时间触发、地点触发和速度触发等 4 种。
常规触发: 只要列车运行程序一启动，设置的故障立即生效。
时间触发: 分为相对时间和本地时间触发。相对时间即相对时间偏移，是指从开始运行起多少时间后起作用，如运行 30 min 后 B 车高速断路器不合; 本地时间是指故障在设定的时间到了才起作用，如设定时间是下午 5 点，那对应的故障一定在该时间才会发生。
地点触发: 列车运行到指定地点将自动触发本条故障。地点触发分为相对地点和公里标 2 种设置方式。相对地点方式是以站点为单位，在下拉菜单中选择列车运行中的任一站点，或偏移站点若干距离的地方设置故障; 公里标方式是指列车运行时以公里标为衡量标准，当列车运行至设置地点时触发故障。
速度触发: 以速度为条件设置故障触发。当列车运行速度达到设置速度时触发故障。
2． 5 多媒体真实情境表现功能
系统所模拟的故障应与真实故障保持高度一致，在故障发生时，系统的各个部分根据该故障的信息作出相应的表现。多媒体计算机技术使故障表现形式也与真实情境一致，包括:
( 1) 司机操纵台上的各类指示灯、仪表显示。如当系统检测到受电弓处于不同位置时，受电弓指示灯按钮不亮。
( 2) 列车管理系统( TMS) 显示屏内容。如当 B车牵引或制动系统出现故障时，TMS 屏上相应位置为红色，以提示司机。
( 3) ATC( 列车自动控制) 显示屏内容。仿真模拟驾驶室内 ATC 触摸屏与真实列车一致，显示内容也和真车一致，与故障模拟系统相关参数联动。例如，当列车网压超出正常范围时，ATC 屏能实时显示网压值供培训司机参考。
( 4) 设备柜空气开关的动作。模拟驾驶室内的空气开关均采用硬件实做的方式模拟。每个空气开关都具备跳闸功能，且均能受教员系统的控制跳闸，以进行故障状态的模拟。可复位型跳闸功能用于简单系统过流跳闸等情况模拟，不可复位型跳闸用于复杂故障排除情况模拟。如果学员没能正确排除设定故障，合上空气开关后其会再次跳闸。
( 5) 多媒体视景仿真系统同步显示。视景仿真系统采用 CGI 的三维场景，能从视觉、听觉、速度感、操纵真实感等方面逼真地再现故障的信息，如乘客卧轨或线路上有障碍物等，视景画面与故障设置参数同步。
( 6) 多媒体声音模拟系统同步声效。声音仿真系统为列车模拟驾驶提供运行环境的听觉效果，能够逼真地模拟地铁列车运行时故障的声音环境，如碰撞障碍物时的声音、跳闸声等。当风机等相关设备停止工作时，声音也实时消失。
( 7) 虚拟列车设备的工作。如模拟驾驶室内的空气开关等。
2． 6 故障处理显示功能
故障模拟采用软件与硬件相结合的方式。软件模拟的故障可在多功能故障显示处理屏上进行显示和操作。多功能故障处理屏采用不低于 19 英寸( 48． 26 cm) 的触摸屏，安装在仿真驾驶室内部右侧设备柜上，为嵌入式安装，不破坏模拟驾驶室的内部结构与外观。多功能故障处理屏显示数据库的所有列车故障及处理办法，由学员根据故障现象判断故障内容，并根据提示答案选择正确的故障处理办法。系统对学员所选取的故障内容及答案进行自动评判，并将处理结果返回该终端显示，由学员确认。
故障的处理方法与真实列车一致，如列车紧急制动停车后重新起动，通过恢复过流再重新合上空气开关。故障排除后，主系统会自动清除该故障。
2． 7 故障处理评价功能
多媒体故障处理系统具有完整的处理评价功能。即根据学员对故障的处理情况，包括时间、处理方法、过程等，自动对其处理结果进行评分。在编辑故障时，教员同时也设定处理该故障的评价标准，系统会实时记录学员整个处理过程的信息并自动给出评价。
3 结语
地铁列车模拟驾驶器多媒体故障处理系统应用多媒体仿真、系统数据库集成等先进技术，采用软硬件结合方式，基本实现了列车各种故障的全覆盖培训。多媒体故障处理系统采用数据库级故障的管理机制，故障信息以数据的方式存放在系统数据库中，而非在程序代码中定制故障。系统开放故障设置、故障组合功能，提供离线的故障管理功能，能够在无需修改程序代码的情况下方便地对数据库中的故障进行编辑、添加、修改、删除。故障处理评价功能实现了教师和学员之间的互动，方便教师因材施教，提高了智能教学水平。多功能故障处理屏采用工业级触摸屏，既是学员操作的故障处理终端，又是列车模拟驾驶器虚拟设备显示屏，实现了全车所有设备的功能描述和故障处理，学员可直接点击各虚拟设备进行相关故障处理，大大节约了培训成本，提高了培训质量。
随着城市轨道交通建设步伐的加快，列车运行速度不断提高，列车结构和控制越来越复杂，地铁列车模拟驾驶器无疑是地铁列车运行培训的重要组成部分。而在模拟驾驶仿真培训系统中，多媒体故障处理系统的相关培训又是重点难点项目。因此，在大力完善列车模拟驾驶装置相关技术的同时，应大力完善和改进多媒体故障处理系统的相关功能，覆盖列车运行中的所有故障处理规程，以培养同时具备实际操纵和故障应变处理能力的司乘人员，保障地铁列车运行安全。
参考文献
［1］ 王乘，李利军，周军清，等． Vega 实时三维视景仿真技术［M］．武汉: 华中科技大学出版社，2005．
［2］ 谭喜堂，李广俊． 城市轨道交通列车驾驶仿真器研究［J］． 中国铁道科学，2006( 2) : 110．
［3］ 孙彰． 轨道交通驾驶仿真器的关键技术［J］． 城市轨道交通研究，2005( 3) : 71．
［4］ 苏虎，何鸿云． 分布式地铁列车驾驶仿真器的体系结构［J］． 中国铁道科学，2006( 6) : 120．
［5］ 王方程，洪艳，倪挺，等． 上海地铁车辆的临修技术———主电路与控制电路的临修［J］． 电力机车与城轨车辆，2004( 3) : 52．
［6］ 黄学文，刘春明，冯璨． CHR3 高速动车组故障诊断系统［J］． 计算机集成制造系统，2008，16( 10) : 2311．
［7］ 沈涛，王颖峰，汪国宝，等． 地铁牵引控制单元 TCU 故障诊断建模与应用［J］． 铁道机车车辆，2003，23( 5) : 21．
［8］ 陈嘉，钱雪军，朱鸣，等． XAudio 技术在地铁列车驾驶模拟器中的应用［J］． 城市轨道交通研究，2011( 1) : 98
