网络计算机联锁仿真系统分析

马涛， 高霞

(1. 武昌职业学院 电子信息工程学院， 武汉 430202; 2. 长江职业学院， 武汉 430073)

0 引言

计算机联锁仿真系统作为一种应用于铁路行车的安全控制系统，需要满足车务及电务人员计算机联锁操作培训要求，还要准确的反应现场设备状态，并要实现多战场仿真及多人员培训需求等[1]。传统单机版计算机联锁仿真系统仅能模拟计算机联锁操作，但对现场设备仿真、多战场仿真能力不足，且无法适应战场扩建，互动性差、信息量小等；沙盘仿真系统可以有效反映现场真是情况，但系统成本高，不适合大面积推广[2-3]。

网络计算机联锁仿真系统基于web技术开发，形成网站模式，可实现在用户浏览器端生成计算机联锁人机交互界面，既能最大限度满足培训需求，又可以真实反映现场设备状态，经济适用且易于修改[4]。本文针对网络计算机联锁仿真系统，从系统的功能需求及具体实现的两个方面进行分析。

1 网络计算机联锁仿真系统功能需求分析

网络计算机联锁仿真系统在局域网环境下，采用B/S(浏览器/服务器)架构，在浏览器端进行计算机联锁的人机交互界面仿真，以模拟计算机联锁的各种操作[5]。采用web技术，并结合局域网环境数据传输快的优点，加入计算机联锁设备及现场信号设备进行三维仿真，提供给用户最直观的现场体现。利用客户端浏览器与应用服务器、数据库服务器间的实时双向通信，实现三维仿真场景的快速加载和多人并发访问等。

1.1 仿真系统功能分解

网络计算机联锁仿真系统需要满足以下可交互性、基本进路控制、故障处理等功能，具体如下：

(1) 学员及管理员注册、登录和认证功能。系统需要保存学员个人基本信息，并要记录学员的操作信息，用于及时改进和提高个人操作实践水平及故障处理能力，同时还要建立管理员登录与认证机制，可由管理员直接修改和更新数据库信息。

(2) 显示多个战场界面显示功能。网络计算机联锁仿真系统采用网络强大的资源共享功能，实现多个战场的计算机联锁仿真，可在服务器端独立部署各个战场信息，用户使用时在浏览器端下载并显示其选定的战场界面。

(3) 在各战场界面完成计算机联锁操作各项操作，包括进路选择、取消、锁闭、解锁等基本操作，还包括在浏览器界面进行的进路操作颜色变化功能以及页面的无刷新等功能。

(4) 多用户的并发访问功能。针对多人同时在线培训时存在多用户同时操作时的延迟和错误，或多用于对同一数据库修改给其他用户造成干扰的问题，网络计算机联锁仿真系统必须满足多用户的并发访问功能。

大跨度钢结构玻璃采光顶造型美观、施工进度快、周期短、现场焊接量减少近一半；可以减少施工现场阶段对构件的测控工作，减少对焊缝的检测量，在加工厂焊接，可提高焊接质量及精度，在一些大型商业区、医院、车站等公共建筑中具有广泛的推广空间。

(5) 设置专门故障处理和三维仿真场景显示模块。在网络计算机仿真系统中，需要添加模拟仿真模块，展示现场常见故障，有助于学员更加生动深刻的掌握故障处理方式。譬如，当室外信号设备发生故障，人机交互界面发出故障警报，信号室联锁机柜处显示故障点，准确体现故障的位置和实际概况，真实模拟故障发生的现场环境，增强使用者故障处理能力。

(6) 修改及更新数据库功能。在实际应用中，不可避免会出现战场扩建、股道增加或拆除等情况，为更真是的展现模拟现场情况，必须对数据库进行及时修改和更新。

1.2 仿真系统业务用例

用例图属于需求分析表达的动态图，其组成元素包括参与者、用例以及参与者和用例间的相互关系，用例图的功能描述角度是用户[6]。参与者指联锁仿真系统的使用者或与系统存在交互的其他系统；用例指的是系统功能的描述；关系则是参与者与用例、用例与用例、参与者与参与者间的关系。参与者之间多表现为继承的泛化关系，参与者与用例之间则表现为一种关联关系，用例与用例之间的关系则表现为泛化、扩展与包含关系。网络计算机联锁仿真系统是一个独立系统，主要用于学员在线培训，主要业务用例，如图1所示。

图1 网络计算机联锁仿真系统业务用例图

在图1中，计算机联锁仿真系统支持多用户并发访问功能。其中参与者为用户、管理员、学员，用户与学员、管理员构成泛化关系，学员与管理员可以在浏览器端进行基本的计算机联锁操作。浏览器人机交互界面显示用例功能用例与多战场访问功能用例、设备三维模型显示用例构成扩展关系，联锁功能用例和各战场实现联锁功能用例间构成扩展关系，其他用例间为包含关系。网络计算机联锁仿真系统的核心功能是联锁用例，其与其他执行用例譬如命令形成用例、操作命令执行用例、进路处理用例等构成包含关系。数据库作为系统参与者也与多种用例产生操作关系。

2 网络计算机联锁仿真系统框架及原理分析

2.1 仿真系统框架分析

依据网络计算机联锁仿真系统的功能需求，对其进行设计，其系统框架应包括：用户浏览器、应用服务器、数据库服务等，如图2所示。

图2 网络计算机联锁仿真系统框架图

图2中，客户端浏览器主要基于IE浏览器作为系统主显示界面，用于展现计算机联锁仿真的人机交互界面和设备三维仿真场景。本系统采用B/S(浏览器/服务器)模式[7]，为增加系统数据调用速度，可选用在浏览器端增加VRML(虚拟现实建模语言)等控件的方式。以Internet标准(Http、Html、Xml等)为基础，通过与应用服务器通信，获得基本的联锁逻辑。

应用服务器模块主要功能是通过数据存储和应用集成等服务，实现联锁。模块以联锁运算逻辑为基础，处理基于web页面产生的用户请求，同时将用户请求处理结果反馈给客户端。web界面产生的用户请求主要包括进路相关操作、信号操作、道岔操作等。处理请求的结果主要包括：完成数据处理、联锁逻辑处理等；完成基于数据层的交互以及对数据库的修改及完善；完成数据缓冲处理以及组件的并发访问控制等。

数据库服务器主要用于存放包括信号机名称、道岔名称等在内的基本静态战场数据和以操作输入信息、输出信息、状态表示信息和状态输入变量在内的基本动态战场数据。此外，数据库服务器还包括展示计算机联锁系统及现场信号设备状态的各种三维仿真模型数据，为真实模拟现场，对于战场改建，或增加与拆除某些股道等，需要及时修改或更新数据库。

2.2 系统工作原理分析

图3 网络计算机联锁仿真系统原理图

为实现用户按压按钮时web页面的无刷新和局部刷新能力，客户端浏览器采用ASP.NET中的AJAX(异步JavaScript和Xml)模式实现与用户交互[8]，浏览器向中间层web应用服务器发出数据或操作请求时，Web服务器接收到浏览器发出的按压按钮信息，执行联锁程序，同时将响应结果集返回给客户端浏览器。假设需要对数据库进行访问，首要是将请求转化成SQL形式(结构化查询语言)，然后将其传递给数据库服务器进行处理，处理结果传递给web服务器，并最终以HTML或XML等形式反馈给客户端浏览器。

2.3 仿真系统关键模块设计分析

(1) 人机交互界面设计分析

利用ASP.NET进行战场界面的开发应用，首先要进行战场数据包括车站名、道岔和信号机名称等数据设置，其次要针对道岔、轨道区段和信号等信号设备及战场线路进行绘制。

对于道岔及轨道区段的绘制包括：使用Drawline (Graphics类的一种形式)对轨道区段进行绘制；使用语句gr. DrawLine(pen，0,0,200,0)，即绘制线条的起点(0,0)和终点坐标(200,0)。

针对信号机绘制包括：使用Graphics类中的Drawline进行绘制，信号机机柱，画一条竖线，信号机为语句gr.DrawEllipse(pen，0,0,20,20)，表示信号机直径为20；利用FillEllipse填充园内部，包括填充信号机的颜色。

(2) 基本联锁功能模块设计分析

服务器端主要实现功能、联锁控制功能以及信息采集及设备驱动功能的实现。进路选择功能的流程图，如图4所示。

图4 进路选择流程图

图4中，关于系统的信息采集以及设备驱动的仿真，只是对处于信号设备转换状态的内继电器(位于机械室内)进行模拟，而没有利用复杂的采集驱动电路。这种方式降低了系统的复杂，提高了设备的可靠性。

首先开始用户登录浏览器端，并通过HTTP协议与服务器构建局域网连接；然后向用户服务器发送进路操作请求信息；接着对计算机联锁操作信息进行判断，如果进行操作，则使用已经编译完成的联锁程序进行进路搜索，否则继续向用户服务器发送进路操作请求进行重复操作；接着进行进路是否正确检查，包括所选进路是否空闲，道岔位置是否正确，敌对进路是否建立等；然后对联锁条件是否满足进行判断，如果满足条件，则锁闭进路，开放信号，在浏览器端接收到操作信息，包括信号机点亮，颜色改变等，如果联锁条件不满足，则会发出报警信号进行报警。

(3) 系统数据库设计分析

数据库作为数据的存储组织，在网络计算机联锁系统中处于重要地位，在进行设计时需要满足数据存储要求，利于用户访问，确保整体性能并尽可能降低冗余数据。

对于计算机联锁系统，在进行设备状态信息采集及操作表示信息且完成站内联锁时，需要大量数据。基于E-R模型的数据库设计方法是目前广泛采用的一种行之有效的数据库设计概念模型，这种设计方式能够明确反映现实世界实体之间的相互关系，通过确定实体类型、实体之间相互联系，可以画出E-R图，进而设计出满足要求和规范的数据库。

3 总结

网络计算机联锁仿真系统作为铁路行车安全的重要系统，是以车站信号设备的三维仿真培训系统实施为基础，通过构建丰富的三维仿真模型，对现场设备进行重新，确保培训更加生动具体。本文通过分析网络计算机联锁仿真系统的功能需求、系统的系统框架及原理，使大家在充分了解网络计算机联锁仿真系统，为后续系统改进提供借鉴。