ATP车载设备专项仿真培训系统

技术领域

本发明涉及仿真培训技术领域，具体涉及一种ATP车载设备专项仿真培训系统。

背景技术

中国列车运行控制系统（CTCS，Chinese Train Control System）是我国铁路的重要技术装备，是保证列车运行安全、可靠、高效的核心技术之一。作为CTCS的重要组成部分，列车自动保护系统（ATP，Automatic Train Protection）车载设备直接关系到行车安全，一般情况下ATP车载设备从CTCS地面环境接收行车许可并自动防护列车的运行。目前CTCS-2级以及CTCS-3级列控系统（以下简称C2及C3）均配备有ATP车载设备，高铁司机和信号系统维护人员必须熟练掌握此类设备的功能结构及工作原理，并且需要具备快速的故障处理应急能力。因此，此类人员必须要经过严格的教学培训及多次的实操演练。

传统的ATP车载设备方面的培训往往基于真实的设备，但是ATP车载设备的正常运行严重依赖于外部的地面环境中存储的数据，此部分数据往往由各类接收单元读取线路上的设备获取，单独仿真培训时获取难度较大且不易模拟，这就造成ATP车载设备只能进行极为有限的操作，不能进行完整的演练培训，培训时极为不便且效率较低。

发明内容

本发明所要解决的是传统的ATP车载设备培训只能进行极为有限的操作且培训效率低的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种ATP车载设备专项仿真培训系统，包括：车载设备仿真模块，用于模拟ATP车载设备核心功能；环境仿真模块，用于模拟ATP车载设备运行所需的外部地面环境及条件；列车驾驶仿真模块，用于模拟与ATP车载设备相关的操作设备、列车基本控制逻辑以及牵引计算；教学辅助模块，用于整个系统的培训模式选择、培训数据支撑以及培训流程控制。与传统基于真实的ATP车载设备培训方式相比，本发明基于完全仿真模拟的方式，涵盖了完整的仿真ATP车载设备、仿真列控地面环境及仿真列车驾驶模型，从而能够进行完整的演练培训及独立的场景培训，提高了ATP车载设备的培训效率。

可选的，所述车载设备仿真模块包括：安全主机仿真模块，用于管理车载设备各类状态转换及数据计算；人机交互仿真模块，用于显示车载设备各类状态并接收学员的操作命令。

可选的，所述环境仿真模块包括：联锁计算模块，用于管理地面各类仿真基础设备间的联锁逻辑控制及状态转换控制；列控计算模块，用于为所述车载设备仿真模块提供轨道电路模拟发码信息及RBC移动授权信息；调度计算模块，用于模拟控制地面进路序列、临时限速生成以及仿真报点功能。

可选的，所述列车驾驶仿真模块包括：简易操作设备，用于模拟列车中与ATP车载设备相关的各类设备操作；逻辑控制模块，用于模拟部分中央控制单元的控制功能，将简易操作设备的具体操作转换为各类指令发送给所述车载设备仿真模块及牵引计算模块，并接收所述车载设备仿真模块输出的防护制动指令以输出给牵引计算模块；牵引计算模块，用于计算列车纵向动力学各项参数。

可选的，所述教学辅助模块包括：可视化编辑工具，用于实现课程数据包和场景数据包的统一可视化编辑；作业培训控制模块，用于以课程数据包为数据基础控制完整作业培训模式下的整个培训流程；场景培训控制模块，用于以场景数据包为数据基础控制场景化培训模式下的整个培训流程。本发明提供的教学辅助模块，以数据包为基础，每个课程信息或场景信息被集成在一个数据包中。一方面，升级或扩展非常便利，只需对数据包进行替代或添加即可；另一方面，可丰富培训的模式，例如可采用闯关模式，逐条加载数据包进行培训，亦可采用乱序模式，随机加载数据包，方便考核并增加了培训的乐趣。

可选的，所述完整作业培训模式是将ATP车载设备一次完整的作业流程编辑存储为一个课程数据包，培训时通过加载课程数据包并控制列车由始发位置运行至终点位置以模拟ATP车载设备工作的全过程。通过设置所述完整作业培训模式，有助于学员了解整个ATP的运行流程。

可选的，所述场景化培训模式是将ATP车载设备运行过程截取成多个典型运营场景数据包，培训时依据场景数据包内容直接加载对应的运营场景并进行培训。通过设置所述场景化培训模式，不需要经过繁琐的操作过程，直接进入培训主题，甚至不需要教员的角色，学员可以在短时间内接触到CTCS车载设备所有可能遇到的情形，尤其是各类故障及非正常行车的模拟，迅速提高技能水平。

可选的，所述加载对应的运营场景是控制列车按照极短的计算周期和固定的速度由场景计算初始位置运行至场景开始位置以满足场景开始所必须的复杂初始状态及条件的过程。此种加载方式有效地解决了直接进行ATP车载设备某个场景培训时所依赖的外部数据生成问题，相当于车载设备快速运行至某个位置，中间所有经过的外部环境数据均得到了保留，当进入某个特定场景时，其依赖的数据均已具备且外部环境计算模型准确性得到了保证。

可选的，所述课程数据包和所述场景数据包均包括基本参数和转换条件；所述基本参数包括完整作业培训模式或场景化培训模式下开始及结束的位置、开始的列车速度以及场景加载起始计算的位置、基本时刻表；所述转换条件为ATP车载设备中间运行状态转换所必须的条件，包括列车运行前方进路操作条件、地面设备故障的触发条件以及车载设备本身故障触发条件。

可选的，所述可视化编辑是以CTCS地面信号平面图为基础，通过位置截取的方法获取所述基本参数和所述转换条件，并进行逻辑条件及数据的合理性自动验证。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的ATP车载设备专项仿真培训系统，基于完全仿真模拟的方式，涵盖了完整的仿真ATP车载设备、仿真列控地面环境及仿真列车驾驶模型，从而能够进行完整的演练培训及独立的场景培训，培训组织以数据包控制方式外置，便于编辑与升级，提高了ATP车载设备的培训效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例的ATP车载设备专项仿真培训系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的完整作业培训模式的过程示意图；

图3是本发明实施例的场景化培训模式的过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

图1是本发明实施例的ATP车载设备专项仿真培训系统的结构示意图，所述ATP车载设备专项仿真培训系统包括环境仿真模块11、车载设备仿真模块12、列车驾驶仿真模块13以及教学辅助模块14。需要说明的是，所述环境仿真模块11、所述车载设备仿真模块12以及所述列车驾驶仿真模块13可以集成在一起，所述辅助模块14可以为外置式模块。

具体地，所述车载设备仿真模块12用于模拟ATP车载设备核心功能，例如模拟安全计算主机及人机交互界面等ATP车载设备核心功能，包括人机交互仿真模块121和安全主机仿真模块122。其中，所述安全主机仿真模块122用于管理车载设备各类状态转换及数据计算，例如模式转换、MRSP防护曲线计算、预警时间计算、过分相预告等。所述人机交互仿真模块121用于显示车载设备各类状态并接收学员的操作命令，例如制动预警信息、速度信息、预告信息等。每个仿真周期内，所述人机交互仿真模块121和所述安全主机仿真模块122之间需要完成状态数据及操作指令的同步。

所述环境仿真模块11用于模拟ATP车载设备运行所需的外部地面环境及条件，包括联锁计算模块111、列控计算模块112以及调度计算模块113。其中，所述联锁计算模块111用于管理地面各类仿真基础设备间的联锁逻辑控制及状态转换控制，间接影响所述车载设备仿真模块12的运行。所述列控计算模块112用于为所述车载设备仿真模块12提供轨道电路模拟发码信息及RBC移动授权信息，所述调度计算模块113用于模拟控制地面进路序列、临时限速生成以及仿真报点等功能。

所述列车驾驶仿真模块13用于模拟与ATP车载设备相关的操作设备、列车基本控制逻辑以及牵引计算，包括简易操作设备131、逻辑控制模块132以及牵引计算模块133。其中，所述简易操作设备131用于模拟列车中与ATP车载设备相关的各类设备操作，包含ATP电源、隔离开关、换系开关、复位开关、牵引/制动手柄等，均与车载设备仿真操作紧密相关。所述逻辑控制模块132用于模拟部分中央控制单元的控制功能，将简易操作设备131的具体操作转换为各类指令发送给所述车载设备仿真模块12及牵引计算模块133，并接收所述车载设备仿真模块12输出的防护制动指令以输出给牵引计算模块133。所述牵引计算模块133用于计算列车纵向动力学各项参数，所述列车纵向动力学参数包括列车位移、速度、加速度、牵引/制动力等。

所述教学辅助模块14用于整个系统的培训模式选择、培训数据支撑以及培训流程控制，包括可视化编辑工具141、作业培训控制模块142以及场景培训控制模块143。其中，所述可视化编辑工具141用于实现课程数据包和场景数据包的统一可视化编辑。所述作业培训控制模块142用于以课程数据包为数据基础控制完整作业培训模式下的整个培训流程，控制课程的开启、运行与结束流程。所述场景培训控制模块143用于以场景数据包为数据基础控制场景化培训模式下的整个培训流程，控制场景的准备、加载、运行与结束流程。

进一步地，所述课程数据包和所述场景数据包内部规定了ATP车载设备运行仿真所需的基本设置和外部影响条件，因此两种数据包采用统一的数据结构进行编辑存储，并供所述作业培训控制模块142和所述场景培训控制模块143分别加载控制。所述课程数据包和所述场景数据包均包括两部分内容，即基本参数和转换条件。

所述基本参数包括完整作业培训模式或场景化培训模式下开始及结束的位置、开始的列车速度以及场景加载起始计算的位置、基本时刻表等信息，每个课程数据包或场景数据包中均只有一条基本参数数据。所述基本参数包含的数据内容及结构如下：

（1）包编号；

（2）包类型（课程数据包/场景数据包）；

（3）线路ID；

（4）作业/场景开始位置（线路段+偏移量）；

（5）作业/场景结束位置（线路段+偏移量）；

（6）作业/场景初始速度；

（7）场景加载初始计算位置（线路段+偏移量）；

（8）时刻表链表（车站ID+股道+到达时间+出发时间）。

所述转换条件为ATP车载设备中间运行状态转换所必须的条件，包括三类：一类是列车运行前方进路操作条件，包含列车进路的排列与取消、引导进路的排列与总人解等，此类条件一般由调度员、车站值班员等人员设置，与司机操作无关；另一类为地面设备故障的触发条件，包含地面应答器故障、轨道电路故障等；最后一类为车载设备本身故障触发条件，包含轨道电路接收单元故障、应答器接收单元故障、ATP计算主机故障等。每个课程数据包或场景数据包可以包含多条转换条件，场景运行时由所述场景培训控制模块143按照触发位置进行加载。所述转换条件包含的数据内容及结构如下：

（1）包编号；

（2）条件类型（三类条件编号）；

（3）条件触发位置（线路段+偏移）；

（4）条件参数1（条件子类型，例如进路类型、故障类型等）；

（5）条件参数2（条件参数1，例如进路号，故障号等）；

（6）条件参数3（条件参数2，故障设置/取消等）；

（7）条件参数4（备用参数3，可为空）。

所述基本参数和所述转换条件的编辑通过所述可视化编辑工具141完成，本实施例中可视化编辑以CTCS地面信号平面图为基础开发，首先设置及选择数据包类型、培训关联的线路ID、起始与终止位置、初速度以及时刻表等信息，并固定列车运行的路径；然后通过位置截取的方法，生成课程数据包和场景数据包中所需的进路及故障等条件设置信息；最后按照一定的逻辑条件自动验证数据的合理性，并保存发布数据包。

所述完整作业培训模式是将ATP车载设备一次完整的作业流程编辑存储为一个课程数据包，培训时通过加载课程数据包并控制列车由始发位置运行至终点位置以模拟ATP车载设备工作的全过程，包括ATP车载设备上电启动、发车出站、途中运行、站内停车、站内通过、关机休眠等子过程。

所述场景化培训模式是将ATP车载设备运行过程截取成多个典型运营场景数据包，例如C2自动转换为C3场景、引导接车进站场景、车载设备安全计算主机故障的场景等，培训时依据场景数据包内容直接加载对应的运营场景并进行培训。所述加载对应的运营场景是控制列车按照极短的计算周期和固定的速度由场景计算初始位置运行至场景开始位置以满足场景开始所必须的复杂初始状态及条件的过程，需要说明的是，所述计算周期可根据实际需求进行设置，在满足界面刷新及数据交互要求基础上可调节大小，周期越短，场景加载耗时越短；所述速度通常设置为最高限速值。在此过程中，所述车载设备仿真模块12接收所有经过的外部环境设备提供的数据，例如应答器数据、地面轨道电路发码等信息，并完成内部状态的转换，同时所述车载设备仿真模块12内部则不响应任何学员操作指令，所有需要确认的条件或待执行的流程均由其内部控制自动完成，例如RBC连接流程、C2至C3自动等级转换确认等，这将保证加载阶段状态的转换能够自动完成并且不受外部干扰的影响。场景加载完成后，所述车载设备仿真模块12即达到场景运行需要的特定初始状态并恢复响应外部的各种操作指令，学员即可进行该条场景的专项培训。

图2是本实施例的完整作业培训模式的过程示意图，包含课程准备、课程运行及课程结束三个阶段。图3是本实施例的场景化培训模式的过程示意图，包含场景准备、场景加载、场景运行及场景结束四个阶段。其中，除场景化培训模式特有的场景加载阶段外，两种模式下其余阶段控制过程类似，各阶段工作原理和过程如下。

课程/场景准备：

培训开始后，学员选择课程数据包或者场景数据包，之后所述教学辅助模块14依据选择的数据包类型选择加载不同模式的控制模块，控制模块启动后系统进入各模块初始化过程。控制模块向所述环境仿真模块11、车载设备仿真模块12以及列车驾驶仿真模块13发送初始化命令，命令内部包含了数据包内定义的开始位置、初始速度、时刻表等信息。收到此命令后，所述环境仿真模块11恢复各类仿真地面设备的默认状态，例如地面信号机显示、轨道电路发码等；所述列车驾驶仿真模块13则将列车置于初始位置，若为场景化培训模式则将列车至于初始计算位置；所述车载设备仿真模块12在完整作业培训模式下仅完成计算数据初始化及计算线程的开启，在场景化培训模式下模块内部自动完成启动流程，包含各类信息的录入、启动条件的自动确认等。初始化完成后，各模块将初始化完毕的信息反馈给所述教学辅助模块14中的控制模块，所述车载设备仿真模块12处于待发车状态。

场景加载：

首先，所述场景培训控制模块143在收到各模块初始化完毕的反馈消息后，向所述车载设备仿真模块12发送场景加载控制指令，所述车载设备仿真模块收到指令后转入场景加载阶段。在此阶段，所述车载设备仿真模块12正常接收所述环境仿真模块11和所述列车驾驶仿真模块13提供的数据，但并不响应内部的任何操作信息，所有需要确认的条件或待执行的流程均由所述车载设备仿真模块12内部控制自动完成，例如，RBC连接流程、C2至C3自动等级转换确认等。

然后，所述场景培训控制模块143向所述列车驾驶仿真模块13发送场景加载控制指令，所述列车驾驶仿真模块13按照加载对应的运营场景方法控制列车在极短的时间内由场景计算初始位置运行至场景开始位置，即控制列车以一个恒定的场景加载速度仿真运行。同时，在满足计算需求的条件下，尽量缩短仿真计算周期，以提高场景加载速度，表现出的列车运行速度-距离曲线为一条斜率为0的直线，参考图3中V-S曲线虚线部分。期间，所述场景培训控制模块143自动加载场景数据包中包含的此阶段转换条件，并发送给相应模块，所述列车驾驶仿真模块13则向所述场景培训控制模块143实时发送列车位置信息。

最后，列车仿真运行至场景开始位置后，所述场景培训控制模块143分别向所述列车驾驶仿真模块13和所述车载设备仿真模块12发送场景加载完成指令，所述列车驾驶仿真模块13取消恒定场景加载速度设置。所述车载设备仿真模块12退出场景加载阶段，恢复接收外部操作指令并进入场景特定状态。与准备阶段类似，模块完成场景加载后，均需要将已退出场景加载阶段的信息反馈给所述场景培训控制模块143。

课程/场景运行：

所述教学辅助模块14中的控制模块在收到模块退出场景加载反馈后或收到课程准备完毕后，向所述环境仿真模块11、车载设备仿真模块12以及列车驾驶仿真模块13发送运行控制命令，运行控制命令中包含了起始速度信息等。所述列车驾驶仿真模块13控制列车直接按照此初始速度运行，后续的速度变化则由所述牵引计算模块133决定。所述车载设备仿真模块12恢复正常运行，一方面接收所述列控计算模块112提供的线路数据、移动授权等信息，另一方面接收所述逻辑控制模块132提供的列车速度、运行方向、电源状态等数据，并将制动防护、自动过分相等信息发送给所述逻辑控制模块132。同时，所述教学辅助模块14中的控制模块以位置判断数据包内存储的转换条件触发情况，并以消息方式向各模块发送转换条件。此时，所述车载设备仿真模块12进入了ATP正常运行状态或场景模拟状态。

在本实施例中，课程运行阶段触发了一个转换条件为“RBC故障”，如图2所示。当所述车载设备仿真模块12运行在CTCS3等级时，触发7级防护制动，并发送给所述列车驾驶仿真模块13，列车降速至CTCS2等级限速以下后，提示学员进行确认进入CTCS2等级，学员即可进行相关的操作演练，并可继续行车至终点。

场景运行阶段触发了该条场景所需的转换条件-ATP主机故障，如图3所示。所述车载设备仿真模块12直接进入了该条场景的模拟，此时所述人机交互仿真模块121报相应的文本错误，并触发紧急制动。停车后，学员可进行调度汇报、重启或换系等操作演练，处理完毕后，该条场景即可结束。

课程/场景结束：

列车运行至课程终点或场景结束位置后，所述教学辅助模块14中的控制模块向各模块发送结束命令。所述车载设备仿真模块12恢复初始状态，所述环境仿真模块11和所述列车驾驶仿真模块13退出计算线程并等待下一个课程/场景准备加载指令。所述教学辅助模块14中的控制模块收到各模块课程/场景结束反馈后，结束该条课程/场景的培训过程。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。