郑 蕊，孔繁虹

（同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804）

城轨列车控制电路教学系统的主要功能是根据输入的电路图的连接关系生成逻辑文件，再利用逻辑文件自动生成逻辑回路；当电路仿真运行时根据设计人员或培训人员设置的各种工况或故障状态, 用颜色、位置、形状等信息动态地刷新显示列车电路中各种器件的得电及动作、导线的电信号流向, 并配之以声音、文字等说明, 使列车电路原理形象、直观地显示出来。

根据以上思路，可以将整个电路仿真教学系统分为3个部分，即电路图的绘制、仿真模型的自动生成以及电路图动态仿真运行。

1 电路图的绘制

从图形数据操作的角度，整个绘图流程主要分为图形的添加与输入、图形编辑和图形文件存储3个步骤。城轨列车电路图主要由电气元件、连接线和标示符3种图形符号构成，由于其具有各自属性和特点，软件采用面向对象的方法，分别设计元件类、连接线类、标注类3种结构体，整个图形数据的生成过程如图1所示。

图1 图形数据的生成过程

1.1 绘图界面的设计

为将电路图绘制成计算机图形，基于MFC设计了合适的绘图软件，确立数据结构并根据元器件的图形特征创建可拓展的元件库（适用于不同型号的列车），最后生成元件控件。利用交互式绘图技术，通过鼠标的单击、双击、拖动等简单动作进行绘图，将电路图的输入数据格式转化为程序员可调用控制的专用格式[1]。该格式应能反映出电路图各类元件所具有的特点和参数，并实现对元件图形的插入、修改、缩放、移动、旋转，连接关系的生成以及电路图的存储。

1.2 电路元件分类及元件库的建立

1.2.1 列车电路元件分类

因不同类型元件各自的属性和实现的功能不同，有必要把相同功能的元件放在一起以便管理操作，所以必须对绘图所需的所有元件进行分类。

按照仿真时有无动作显示，我们将列车电路元件分为开关类和非开关类。开关类如普通开关、常开常闭接触开关等；非开关类如电阻、电机、指示灯、蜂鸣器等[2]。 另外，按照控件输入时是否需要添加元件标注，又可分为有标注元件和无标注元件。

元件的分类可以通过元件类型号KindID的区间划分得到：将KindID值从1～500号分配给有标注元件，其中，1～200号为非开关类元件，201～500号为开关类元件；从501～1 000号分配给无标注元件。总之，将具有相同功能或类似属性的元件规定在一定的类型号区间进行编号，以便操作应用。

1.2.2 元件库的建立

元件库包含绘图涉及的所有元件对象的图形模型，包括：各元件图形的构造特征及其属性，点、线、弧图形数据的坐标信息。其中，应该注意的是，根据仿真需要，元件库数据中还应该包含元件在所有状态下的物理特征，例如：对于开关元件可通过设置隐藏线并利用程序进行线型的切换来实现开关的闭合/断开的动作变化。

元件库应包含的信息有：总元件数（n）、KindID、元件名、矩形框参数ltrb、点数n1及点的坐标Pointi.x，Pointi.y、线数n2及每条线的线型Linei.style及其起终点坐标Linei.x1，Linei.y1，Linei.x2，Linei.y2、弧数n3及每个弧的线型Arci.style和绘图参数Arci.x1Arci.y1、Arci.x2Arci.y2、Arci.xαArci.yα、 Arci.xβArci.yβ、引脚数n4及引脚点的位置坐标Jointi.x，Jointi.y 。

但是，获取这些坐标信息的传统方法是人工数点，这样费时费力，基于对话框开发了一个可视化画板，只需将元件图形在画板中画出，便可得到所需的点、直线、圆弧的坐标信息，再按照以上格式整理成TXT文件，通过绘图软件中程序的读写转化为EBI文档，可方便地对元件库进行更新。

2 列车逻辑控制仿真模型

输入计算机中的电路原理图的元件、连接线、连接点的位置一旦确定, 其坐标连接关系就确定了。根据这些连接关系可生成逻辑回路，再根据回路关系与逻辑控制算法即可判断图中元器件的物理状态和电状态。根据上述原理，开发一个可以自动生成逻辑控制模型的平台，大致思路如下：

（1）将列车电路图转化为对应的有向图；

（2）利用有向图和人工智能深度优先搜索算法搜索两顶点间的单向通路；

（3）根据通过某部件的所有单向通路，最终得到该部件的电状态。

2.1 电路原理图的有向图

为实现从串、并联关系到逻辑关系的转换,引入有向图[3]。 只要用顶点V代替电路原理图中的节点、用有向边E代替支路，便可得到电路原理图的有向图G（V，E）。因节点的物理状态无方向性，可表示为一组顶点的权；因支路的物理状态取决于它的方向，每条支路都可用两条相反的具有不同权的有向边来表示。当支路都用有向边表示时，得到的才是目标有向图G。G是一个连通图，可从其中得到顶点的集合、有向边的集合、顶点和有向边的完全关联矩阵。

顶点的集合：

V={V1, V2,…, Vn}

有向边的集合：

所有的单向通路矩阵At：

其中，矩阵At的列表示有向图中所有的顶点和有向边，矩阵At的行为单向通路PATH_i。如果单向通路PATH_i通过顶点或有向边，aij=1，否则aij=0。

2.2 深度优先算法

构成通路的顶点和边必然不重复，根据这一原则，利用有向图的邻接表REV，采用深度优先算法，可搜索出两个顶点（电源VS和地VG）之间的所有单向通路。在程序设计中，考虑到通路中的部件繁多、复杂，因此在通路中查找支路与节点的关系要比查找通路与部件的关系更为方便、省时。

深度优先算法较易通过递归搜索来实现，可设置当前节点为overs[toven] ,头节点为VSSLINE[12] 尾节点为GNDLINE[12] ,定义一个递归搜索函数searchtree(void),以及子函数searchv(tovern)。搜索流程如图2所示。

图2 搜索流程图

2.3 通路的状态

单向通路的顶点和有向边的权表示对应节点和支路在此方向上的物理状态，因此通路上所有权的与为通路的权，即通路的物理状态。当构成通路的所有边的物理状态都是通态时，通路的物理状态就为通，否则为断。

当某条通路的物理状态为通态时，在电源正常的情况下，该通路的电状态为1。当通路得电时，构成通路的所有部件都得电，因此通过该部件所有通态的电状态之和即为部件的电状态。电路部件的电状态与物理状态有下列关系[4]：

式中：Sz, Sf 分别为电路中部件的正向和反向物理状态向量；Ez, Ef 分别为电路中部件的正向和反向电状态向量； E 为电路中部件的当前电状态向量； At 为电路的单向通路矩阵；# 、& 分别为自定义的运算符。

部件的物理状态与电状态的控制关系便构成了列车控制电路的逻辑仿真模型。

3 列车电路仿真教学系统

电路仿真运行时，读取仿真的电路图数据，并按照实际情况对电路图中所有元件进行状态初始化，将设置的控制变量传输给该电路，经过逻辑控制分析计算后得到各元件的电状态。此时，电路图做出相应的动作，如回路得电变红色、开关闭合或断开、电机或电器运转等，使学员在计算机上可生动直观地了解到司机控制器上相应操作对应的列车内部电路的动作。

3.1 电路仿真教学系统界面

根据列车电路的实际情况，开发出一个电路仿真教学界面，该界面又包含司机室控制面板和继电器柜面板，分别如图3和图4所示。

图3 司机控制器面板

图4 继电器柜面板

在界面左侧视图中，存放了所要进行仿真教学的电路图数据文件，点击相应文件可实现电路图切换。点击控制面板，设置控制变量，可改变电路的状态。另外，点击继电器柜按钮，弹出继电器设置对话框，可以设置继电器故障，实现故障教学。

3.2 电路教学的实时仿真

城轨列车的控制电路非常复杂，可根据其各自实现的功能分成很多独立的模块，如驾驶模块、紧急制动模块、照明模块、门控制模块等。在列车电路教学时，通常可将需讲解的单个或多个电路模块及其相关的电路图集中放入文件中，利用这些图形数据生成逻辑回路文件。仿真程序读取回路文件后，依据逻辑控制算法得到各元件状态并动态显示，实现电路的实时仿真。

以上海地铁3号线门控制电路为例，对门控制电路动态仿真进行简单介绍。上海地铁3号线的门控制电路在唤醒状态下执行关门操作时的电路图如图5所示，可根据开关的开合以及线颜色的改变，了解门控制电路的控制机理。

图5 唤醒状态下的列车关门电路

门控系统通过电子门控单元接受到的内部和外部信息来操纵，电子门控单元从列车门控制回路接受开门列车线、关门列车线和零速列车线指令，从门入口区域接受门关好、门锁好、隔离开关、紧急解锁开关状态，并根据得到的信号进行开门、关门、指示灯显示、蜂鸣器等操作。

当需要关闭左侧车门时，按下左侧关门按钮DCPB1_A或者DCPB2_A。此时，左侧开门接触器DOK_A失电，接触开关DOK_A断开，解开自锁，左侧关门接触器DCK_A得电，执行关门操作。

4 结束语

该电路教学系统能够便捷地输入不同型号城轨列车的控制电路原理图，快速自动生成仿真所需的逻辑仿真模型，且能直观地反映列车电路内部变化状态，取代了传统人工读取电路控制关系再编写成计算机逻辑的繁琐易错的开发过程，省时省力且具有较强的可扩展性和可移植性。不仅能够用于列车电路原理教学，而且可以用于电路设计和电路逻辑验证等仿真。

[1] 郑 云．AutoCAD计算机绘图软件二次开发技术与实例[M] ．北京：机械工业出版社，2011.

[2] 华 平，唐春林.城市轨道交通车辆电气控制[M] .北京：学苑出版社，1993．

[3] 蔡自兴.人工智能及其应用[M] . 4版北京：清华大学出版社，2010.

[4] 钱雪军.机车控制电路逻辑控制模型分析与自动生成[J] . 铁道学报，1995（2）：37- 42.