城铁调试环境模拟门控系统的设计
本文是一篇决策模拟论文，本文设计了集成整车控制逻辑的小型化、可视化、低成本具有列车故障专家系统并融入Unity3D技术虚实结合的城铁调试环境模拟装置，着重对城铁列车功能系统中的门控系统、辅助供电系统、电热系统、照明系统进行研究与设计。旨在为受训人员提供一个真实可交互的调试环境。
第一章绪论
1.1课题的研究背景与研究意义
随着《加快建设交通强国五年行动计划（2023—2027年）》落地，要求深入实施交通强国战略，而优先发展城市公共交通成为各大城市推进交通强国战略的核心内容[1,2]。其中，城市轨道交通作为城市公共交通的主要组成部分，具有速度快、运能强、节能环保、准点舒适等突出优点，是缓解城市交通压力、推动产业与城市一体化发展、促进城市群经济增长的重要基础设施[3]。根据交通运输部发布的最新数据，截至2023年末，全国共有55个城市（不含港澳台）开通城市轨道交通系统，运营线路共计306条，总运营里程为10165.7公里，设有车站5897个。与2022年相比，全年的客运量显著增长，增加100.4亿人次，增长率达51.7%。城市轨道交通的运营里程、建设线路规模及客流量均居世界首位，确立了我国在全球城市轨道交通领域的领先地位，成为名副其实的“城市轨道交通大国”。
我国城市轨道交通建设正蓬勃发展，这不仅为市民提供了便捷、高效的出行方式，也成为城市现代化的重要标志。然而，在交通建设快速发展的同时，轨道交通行业人员紧缺问题日益凸显，主要表现在对专业调试、运维技术人员需求量增多，同时对这些技术人员培养质量的要求进一步提高[4]。目前，城市轨道交通制造厂商、运营公司及相关职业院校的专业实训设备已经老旧、落后，而经过技术变革的城铁列车更加智能化，现有设备已无法满足当前的实训需求。同时，任课教师普遍采用常规的理论讲解和原车静态实训相结合的教学方式，虽然能够帮助学生掌握专业技能知识，但由于缺少一定的实操经验，导致学习效果大打折扣，阻碍了调试、运维技术人员培养质量的提升[5]。如何有效解决传统培训模式中存在的问题，保质保量地培养城市轨道交通技术人员，是一个亟待解决的问题。
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1.2列车模拟装置国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
自20世纪70年代初期起，欧美等西方发达国家开始了针对机车模拟实训装置的早期研发与系统设计工作，旨在培养高级工程技术人才[6]。相关研究表明，采用此类模拟装置实施培训的方法能够有效地缩短培训周期，较传统方式最高可缩减30%至50%的时间投入，同时带来高达60%的成本节约。鉴于上述成果及实际应用成效，模拟装置在欧美等地区的城市轨道交通行业中逐渐确立了其作为行业标准培训工具的核心地位，成为培养轨道交通领域专业人才的重要途径之一。
20世纪80年代初，美国铁路行业开始使用TDA系列模拟装置对列车驾驶员进行全面培训，并逐步建立了完善的培训框架与课程安排。例如，位于美国堪萨斯的TTC铁路培训中心自1993年以来，每年能够完成对大约700名驾驶员的专业培训活动。至1997年，美国在原有的基础上进一步创新，研发出TDS-400交互式列车模拟实训系统以及新一代TDA列车仿真系统，极大地增强了受训者对复杂情况的应变处理技能和实际操控水平[7,8]。然而，这些系统的占地面积较大且其购置和维护成本相对较高。
20世纪80年代末，法国铁路部门引入了列车模拟驾驶装置，旨在通过模拟驾驶训练提升司机的操作技能，以此降低铁路行车事故的发生率。至1991年，已有36台模拟装置投入使用，显著提升了驾驶员培训的效率。随着高速铁路的发展，法国在近年来加大了对高速列车模拟驾驶装置的技术研发和设备升级的投入，以适应高速铁路时代的需求[9]。
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第二章城铁调试环境模拟装置门控及辅助系统总体设计方案
2.1模拟装置整体架构
根据北京6号线B型8编组列车的系统功能原理、控制电路原理等为参照基础，模拟实现城铁列车的牵引制动系统、门控系统、空调系统、受电弓系统、辅助供电系统、网络控制系统、电热系统、照明系统等设备功能，再现城铁实车运行的控制场景。在模拟装置的网络系统构建方面，集成了中央控制系统（CCU）、司机显示单元（VMD）、远程输入输出模块（Remote IO）等关键设备，通过组件间的协同工作，为模拟装置提供了强大的网络控制和数据交互的能力。图2.1为系统总体设计方案框架图。
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城铁调试环境模拟装置设计包含三个核心机柜箱：TC1车模拟机柜、TC2车模拟机柜（模拟城铁列车的两节车头功能）及中间车机柜（集成了带受电弓的MP1、MP2、MP3动车设备和不带受电弓的M3动车设备）。为降低开发成本并优化空间利用，删除了功能相同的M1和M2车，仅保留具有代表性的M3车。司机端操作显示单元配备人机界面，采用悬挂式的方式嵌入在TC1模拟机柜和TC2模拟机柜中，可以为受训人员提供一个逼真的城铁列车运行操作界面。
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2.2模拟装置子系统功能原理分析与设计思路
2.2.1门控系统
模拟装置门控系统主要由三个核心部分构成：机械结构、控制电路、人机界面。机械结构由传动装置、锁闭装置、门装置等关键部件组成，共同负责门的物理运动和锁定功能。控制电路分为开门控制电路、关门控制电路、牵引锁闭电路、障碍物检测控制电路等。人机界面作为交互窗口，集成了多种功能，包括门状态显示、门故障记录、故障报警等，可以提供直观且全面的门控系统状态信息。
(1)门控系统总体框架设计
模拟装置考虑到占地空间、设备造价等实际因素，仅设置两个门控系统，通过1:5小比例缩尺，安装在中间车机柜柜体的下部，代表列车左侧车门和右侧车门。门控系统正面装有门结构、门状态指示灯以及蜂鸣器；顶端配备电磁锁、螺旋机械传动装置以及与之相连接的编码器。其中，电磁锁负责在车门关闭时提供牢固的锁定力，螺旋机械传动装置通过编码器的精确控制，实现车门的平稳开闭；背面安装了电源模块和PLC控制器单元，用于控制门控系统的相关动作。门控系统的控制按钮和人机界面设置在TC1车和TC2车的司机端进行集成控制，从而确保操作的便捷性和监控的全面性。当司机在操作端按下开关门指令按钮时，PLC控制电路会根据列车当前的状态向门控系统发送相应的控制指令。随后，直流电机负责驱动传动装置执行相应的操作指令，并将门控系统的状态信息反馈到司机显示单元，使得司机端操作人员能够通过触摸屏实时监控门控系统的工作状态，确保列车运行的安全性和可靠性。
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第三章 城铁调试环境模拟装置电路设计 .......................... 23
3.1 激活系统电路设计 ........................... 23
3.1.1 蓄电池激活电路 .................................. 23
3.1.2 司机室激活电路 .............................. 24
第四章 城铁调试环境模拟装置软件设计 ......................... 34
4.1 中央控制系统程序设计............................ 34
4.1.1 设备硬件组态 ................................. 34
4.1.2 数据存储传输程序设计 ........................... 35
第五章 城铁调试环境模拟装置虚拟仿真系统的设计 ........................ 56
5.1 Unity3D 与 Blender 软件简介 ........................... 56
5.2 虚拟场景模型搭建 ............................. 57
第六章城铁调试环境模拟装置调试与仿真
6.1硬件调试
(1)司机室激活系统电路调试：
闭合司机室激活断路器=21-F01，在TC1车模拟机柜的司机操作面板中，将司机室钥匙=24-A01打开至“ON”位，司机室激活继电器=21-K01至=21-K10带电，司机室激活成功。司机室激活成功后，需要确认TC1车操作端的列车司机室占用继电器=21-K11和=21-K12带电，TC2车非操作端的列车司机室占用继电器=21-K11和=21-K12带电，TC1车司机室占用成功。
(2)门控系统电路调试：
在司机操作面板中将门系统的控制开关81-S01旋转至“左门位”，按下开左门按钮=81-S10、=81-S11。左门系统收到开门指令，通过门装置中的传送电机、编码器、门控PLC执行开门操作。
(3)辅助供电系统电路调试：
列车上电激活后，按下升弓按钮，受电弓升起，辅助供电系统启动，人机界面实时显示辅助供电系统工作正常状态。按下辅助停机按钮=33-S01，辅助供电系统停止输出，人机界面显示辅助供电系统为停机无输出状态。
(4)电热系统与照明系统电路调试：
闭合司机控制面板中的电热断路器=63-F01，将电热选择开关=65-S01打开至‘HALF’半热位置，电热接触器=65-K01得电吸合，将电热选择开关=65-S01打开至‘STOP’停止位置，电热接触器=65-K01失电断开，半热功能调试成功；将电热选择开关=65-S01打开至‘FULL’全热位置，电热接触器=65-K01、=65-K02得电吸合；将电热选择开关=65-S01打开至‘STOP’停止位置，电热接触器=65-K01、=65-K02失电断开，全热功能调试成功。
决策模拟论文参考
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结论
针对我国轨道交通高速发展存在调试、运维人员队伍严重短缺的现状，本文设计了集成整车控制逻辑的小型化、可视化、低成本具有列车故障专家系统并融入Unity3D技术虚实结合的城铁调试环境模拟装置，着重对城铁列车功能系统中的门控系统、辅助供电系统、电热系统、照明系统进行研究与设计。旨在为受训人员提供一个真实可交互的调试环境。论文主要完成工作如下：
(1)介绍国内外列车模拟装置的研究现状及发展趋势，并结合我国轨道交通行业调试、运维技术人员短缺及城铁培训设备的情况，进行城铁调试环境模拟装置的设计。
(2)对城铁调试环境模拟装置总体设计框架进行介绍，明确门控系统、辅助供电系统、电热系统与照明系统的工作原理与设计思路及模拟装置的网络通信架构，构建故障专家系统，并对主要硬件设备进行选型。
(3)将门控系统、辅助供电系统、电热系统与照明系统进行区域化和功能化划分，根据其工作原理进行主电路及相应功能电路设计。
(4)根据门控系统、辅助供电系统、电热系统、照明系统的工作流程，以电气设计原理图为基础，确定信号的I/O通道分配，采用西门子PLC编写相关逻辑控制程序，确保子系统按预定逻辑顺序工作。使用MCGS嵌入版组态软件进行上位机人机界面的设计，实现人机界面与中央控制系统的数据通信，并实时监控子系统的工作状态。
(5)根据门控系统、电热系统、照明系统的真实动态特性进行相应动画的制作，通过Blender建模软件进行三维模型的建立以及动画制作部分，利用Unity3D强大的交互功能，将配置好的模型和动画高度集成，并通过PLC接口，实现PLC设备与Unity3D虚拟场景的联动控制。
参考文献（略）
