二、项目设计论证（1、背景：本项目当前国内外的研究现状及需要解决的问
题。2、内容：本项目的主要研究内容。3、针对本项目研究的主要内容，所采取的研究思路与方法，项目的特色或创新之处。4、预期研究成果。5、研究项目的实施计划与时间进度。请逐项填写，亦可单独另附页。）
一、背景 本课题来源于国家科技支撑课题《城轨交通路网运营安全保障关键技术与系统研制2011BAG01B02》，致力于城轨交通仿真列车沙盘研究。 轨道交通系统包括干线铁路系统，城市地铁和轻轨系统等。在国家综合交通运输体系中，轨道交通系统发挥着重要的作用。轨道交通系统具有运量大，占地少，单位运量能耗小，有利于环境保护等诸多优点，世界各国均将轨道交通的建设作为其综合交通系统建设中的重点。我国正处于轨道交通大发展时期，北京、上海、广州等大城市都将建成完善的城市轨道交通网络，以缓解城市道路交通压力。 用列车模型搭建城轨交通路网运营安全保障模拟测试平台之仿真列车控制系统，实现城轨列车的运行图模拟和自动列车控制等，具有经济、安全、试验周期短等优点。采用模型仿真地面设备，可以研究各种事故或危险情况以及其它通常不允许进行实物试验的情况，从而采集安全数据，积累安全经验，以便减少或避免由事故造成的巨大损失，为城轨交通安全运营提供技术支持。 列车模型可按被控方式的不同分为两种，即模拟直流控制（DC， Direct Current）和数字命令控制（DCC，Digital Command Control）。DC控制在轨道上加载直流电，然后通过控制器控制轨道上的电压，从而达到控制电机转速高低或者电流极性的改变，实现列车速度的控制。由于DC控制是直接控制轨道上的电压高低，所以在未作区段划分的同一轨道上无法实现多列车的单独控制。DCC控制是采用在轨道上加载数字电
流信号，列车解码这个数字信号，从而获得受控信息。由于接收到的是数字信号，可以对不同列车进行地址编制，避免了不同列车不能独立控制的缺点。因此传统的DC控制列车模型已经逐渐失去了专业市场，仅有部分列车模型爱好者尚保留这一简单的控制方式，DCC控制列车模型逐渐成为专业列车仿真的首选。 由于城轨交通路网运营安全保障模拟测试平台之仿真列车控制系统的控制主要是对道岔、信号灯的数字量控制，是对区间占用的数字量检测，以及对列车电机电流的模拟量控制，因此可以采用单片机、可编程逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller）、工控机等实施控制。南阳理工学院自动化实验室开发的《列车模型运行监控系统试验平台》，建立在一个2.5米长，1.26米宽的实验台上，主要由6个手/电动岔道，2台机车， 2个站台，2个红/绿/黄信号灯，三段分段供电的轨道，22个红外信号传感器等组成的一个轨道车辆运行系统。列车在轨道上的运行速度和运行方向，可通过调节轨道电压的大小和方向进行控制，其运行路线通过改变电动/手动道岔的位置来改变，整个模型可结合相应的信号转换电路和控制电路构建一个模拟的工业现场被控对象。采用欧姆龙的CS1G-CPU42型PLC进行主控，采用8路开关量输入ID211模块、8路开关量输出OC221模块，2路模拟量输出DA021模块等。北京交通大学开发的《轨道交通实验控制系统》采用工业控制计算机作为主站进行控制，由工控机控制32路功率输出板来实现输出控制，控制32路开关量输入卡实现输入控制。输出的信号主要驱动沙盘设备中的信号机，道岔转辙机，同时也控制了每个绝缘区段轨道下方的轨道供电电路中继电器的开关状态，从而改变轨道绝缘区段的机车动力直流信号的电源极性，控制火车的正、反向行驶。输入卡的功能由两部分组成：第一，直接与道岔转辙机两侧的干簧管连接，当道岔转辙机处在定位、或者反位的状态时，道岔两侧装有小磁铁，磁铁靠近干簧管时两个干簧管会分别导通，这个信号会直接接入输
入卡，这样就可以在车站的站场图中直接显示道岔的定、反位状态。第二，通过高频轨道电路板检测每个轨道绝缘区段的车辆占用状态，将这个状态输入到输入卡中，这时输入卡的信息就会在站场图中显示。西南交通大学开发的《铁道信号电子沙盘》采用了一种低成本汽车网络总线LIN(Local Interconnect Network)作为沙盘控制系统总线，采用PIC公司的PIC l 2F675单片机实现信号灯及道岔控制，采用Zigbee模块模拟GSM-R来传输列车控制信息实现列车运行速度、方向、位置等控制。综上可见，采用PLC或工控机实现列车运营仿真平台的控制，存在成本高、通用性差、扩展空间小，维护工作量大等缺点。 数字命令控制DCC是用于列车模型控制的通信协议，其基本规则是制定一个最低标准，使任何厂家生产的译码器都能对于任何厂家生产的控制系统进行译码并执行操作，任何接触运行轨道的信号必须遵循统一标准。DCC协议简单可靠，只需要双线传送，因此得到了内外厂家的支持并得到迅速发展，成为列车模型控制的主流。如欧洲的Lenz、ROCO、Viessmann、Fleischmann，以及美国的Digitrax、NCE等公司均推出了遵循DCC标准的列车模型及其控制系统，其中美国Digitrax公司推出的Loconet通讯协议和德国Lenz公司推出的XpressNet通讯协议得到了广泛应用。国内部分厂家也推出了遵循DCC标准的列车模型产品，如动芯公司基于自定义的DxdcNet总线协议推出了模型数码芯片及区间监测/译码器等控制设备。数字命令控制系统DCC通用性好，产品可选择余地大，但存在价格高昂等缺点，如国内动芯公司的单个专用3001机箱价格超过8千，红外位置发射6400模块价格超4千。 综上可见，列车运营仿真平台应在降低成本的前提下，采用DCC实现城轨交通路网运营安全保障模拟测试平台之仿真列车控制系统。 二、研究内容
本课题致力于搭建一套城市轨道交通仿真模拟沙盘，可根据要求实现隧道、高架、站台、线路等场景模拟，需采用单片机实现列车、道岔和信号灯的控制，并可在上位计算机模拟列车运行图、多列车连锁、入库折返等实际操作。主要研究内容包括以下几个方面： 1. 查阅相关资料，制定技术方案。 2. 在考察仿真功能仿真列车时间表调度、多列车闭塞控制、列车折返和入库等基础上，完成仿真沙盘线路布置和规划。着手采购具体的沙盘实物，如轨道，模型火车、演示桌和站台装饰物等。 3. 结合现有的国内外控制系统，自主制作开发控制电路，达到列车、道岔和信号灯的控制。 4. 结合硬件控制系统，开发上位机控制软件，实现上位机端的操作面板控制。 5. 对整个项目进行总结，完成相关资料的整理工作。 三、技术路线 3.1、主要的研究方法 项目拟采用的研究方案如图1所示：