钱成国
浙江机电职业技术学院 浙江 杭州 310053
引言
近年来，轨道交通行业快速发展，到2025年，浙江轨道交通运营网络规模将达到1300公里，实现轨道交通重点城镇覆盖率达到60%。依据国际轨道交通专业人才配备标准，每建设一公里城市轨道交通线路，至少需要60名管理及技术人员。由此可见，未来省内周边地区乃至全国轨道交通从业人员需求量是相当巨大的。
由于轨道交通行业技术背景强，实验教学设备普遍采用现场设备和真实系统进教室，不仅价格昂贵，而且设备体积大，占用空间大，学生人均台套数少，存在“多看少做”甚至多数设备“只看不做”的现象，校内课程授课仍然停留在课堂教学与实习实践之中。轨道交通运营单位因设备数量和运营生产安全等问题，也无法让学生亲自进行实训操作，学生对知识理解浮于表面，只能跟企业员工进行实习，上手缓慢、培养成本高，造成产学脱节情况存在。
针对该问题，本系统通过对轨道交通信号方向课程体系进行分析，以单片机等嵌入式系统技术为手段，以轨道交通信号专业涉及到的知识为核心理念，设计了一款基于嵌入式的轨道交通信号控制仿真系统。
整体设计
轨道交通信号控制系统主要包括路控系统和车控系统。路控系统，即联锁系统，包括了轨道电路、信号机、转辙机和应答器等信号设备。车控系统，即列车运行控制系统（ATC），包括ATP和ATO等系统。本仿真系统主要针对联锁设备之间的联锁关系以及联锁系统与列车运行控制系统之间关系进行模拟设计，主要包括了联锁系统、车控系统和人机界面。
1.联锁系统
系统采用经典的轨道线路系统两站一区间模式进行设计，采用TOMIX公司的N比例（1:160）轨道线路模型，具有小型化和易于扩展等优势。通过对轨道交通信号知识与嵌入式知识进行梳理，分别采用不同的技术对信号基础设备进行模拟，如表1所示。
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本系统采用STM32单片机为核心控制器件，辅以开关量输入输出模块、红外对管模块和A/D转换模块等外围模块构成。STM32单片机模拟联锁主机，通过编程实现进路、道岔、信号机之间的关系。通过开关量输出模块可控制系统中的信号机点灯，同时驱动继电器模块进行道岔转换；通过开关量输入模块可获得当前道岔模型的定反位位置，同时可获取各轨道电路区段的空闲状态。通过A/D转换调节模拟输出电压，可控制模拟小车的运行速度。通过继电器极性变换可改变轨道电路上直流电源的极性，从而可达到控制列车前进后退的效果。
2.车控系统
车辆系统同样采用N比例轨道车辆模型，采用轨道供电方式。车控系统同样采用STM32系列单片机进行设计。车控系统与联锁系统之间通过红外对管进行通信，接受来至联锁主机STM32单片机发送来的运行信息，模拟真实路控系统通过应答器、无线通信等方式将移动授权命令发送至列车车载系统。车控系统通过分析联锁主机发送的加速、减速、停止、位置等信息，实现车速调整、运行方向调整、应答器读写、车-地通信等功能。
3.人机界面
系统人机界面模拟列车自动监控系统（ATS）功能，主要以触摸屏进行展示，通过串口与联锁系统STM32进行协议通信，获取各信号基础设备信息和列车信息，实现列车的运行跟踪、进路控制、进路状态显示等功能。同时联锁系统可与计算机上的ATS系统进行通信实现计算机上操作联动该仿真系统。
创新点
1.理论教学直观化形象化，加深学生知识点理解
以往教学往往采用纯虚拟仿真或理论进行讲解，学生对于专业课程、实际设备之间的联动关系理解不到，本系统涉及联锁系统和车控系统，并将之小型化和通用化，以模型形式进行展示，将一个抽象的大系统变得直观化、具体化、形象化，通过实践操作与编程将理论知识加以强化升华，加深了学生对理论知识的理解与应用。
2. 缓解台套数不足，提高学生学习动力
本系统采用N比例轨线路模型，结合单片机以及传统电子技术，较真实的轨道交通设备而言，具有成本低、维修简单等优势，既可以缓解当前轨道交通信号控制方向因实验设备匮乏导致的专业课程配套实验无法安排的局面，也符合高职学生理论较差但动手能力强的特点；可提高学生课堂学习动力，亦可提升学生课外动手能力。
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