(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111524410 A(43)申请公布日 2020.08.11
(21)申请号 202010486965.1(22)申请日 2020.06.01
(71)申请人 芯轨交通科技（上海）有限公司
地址 201620 上海市松江区新松江路1800
弄3号(72)发明人 肖立明 张雯柏 黄燕 温锦龙
刘馨悦 (51)Int.Cl.
G09B 9/00(2006.01)
权利要求书1页 说明书6页 附图6页
CN 111524410 A(54)发明名称
一种轨道交通信号继电器仿真装置及实验系统
(57)摘要
一种轨道交通信号继电器仿真装置及实验系统，包括若干继电器模块及与所述继电器模块导通的信号机模块与虚拟仿真模块，所述虚拟仿真模块包括嵌入式处理器及交互式物理触摸屏，当操作人员将所述继电器模块电性连接至所述信号机模块时，所述嵌入式处理器接收到所述继电器模块与信号机模块电性连接的电信号并将所述电信号进行处理以显示至交互式物理触摸屏。藉此，实现轨道交通中信号系统继电器电路的仿真，将复杂的城市轨道交通电路生动形象的模拟仿真，可以为轨道交通的从业人员或学校的学生等群体提供直观的展示，进一步对操作人员利用本创作进行教学及考核提供平台。
CN 111524410 A
权 利 要 求 书
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1.一种轨道交通信号继电器仿真装置，其特征在于：包括若干继电器模块及与所述继电器模块导通的信号机模块与虚拟仿真模块，所述虚拟仿真模块包括嵌入式处理器及交互式物理触摸屏，将所述继电器模块电性连接至所述信号机模块时，所述嵌入式处理器接收到所述继电器模块与信号机模块电性连接的电信号并将所述电信号进行处理以显示至交互式物理触摸屏。
2.根据权利要求1所述的轨道交通信号继电器仿真装置，其特征在于：所述交互式物理触摸屏将所述电性连接后的电信号进行实时显示，并将所述电性连接的内部电路逻辑触发的动态过程进行仿真、延时演示。
3.根据权利要求1所述的轨道交通信号继电器仿真装置，其特征在于：所述虚拟仿真模块包括若干连接部，所述若干继电器模块可分别电性连接至对应所述连接部以实现相应继电器和/或信号灯的电路测试。
4.根据权利要求1所述的轨道交通信号继电器仿真装置，其特征在于：所述继电器模块及信号机模块均包括若干接线端子，将所述继电器模块的接线端子电性连接至所述信号机模块的接线端子时，可模拟轨道列车进站、出站、调车及通过的信号机状态，所述虚拟仿真模块可将轨道列车进站、出站、调车及通过进行电路动态仿真。
5.根据权利要求3所述的轨道交通信号继电器仿真装置，其特征在于：所述连接部包括第一连接部、第二连接部及第三连接部，通过物理接线方式可将所述继电器模块对应电性连接至所述虚拟仿真模块的第一连接部、第二连接部及第三连接部可分别实现不同仿真功能。
6.根据权利要求4或5所述的轨道交通信号继电器仿真装置，其特征在于：所述继电器模块包括若干第一继电器模块、第二继电器模块及第三继电器模块，当操作者将所述第一继电器模块连接至所述第一连接部时，可实现继电器响应时间测量功能。
7.根据权利要求6所述的轨道交通信号继电器仿真装置，其特征在于：所述仿真装置还包括灯丝报警电路模块，将所述灯丝报警电路模块电性连接至所述虚拟仿真模块的连接部时，所述嵌入式处理器接收到相应电信号并将所述电信号显示至交互式物理触摸屏。
8.一种轨道交通信号继电器仿真实验系统，其特征在于：包括若干继电器模块及与所述继电器模块导通的信号机模块与虚拟仿真模块，所述虚拟仿真模块包括嵌入式处理器及交互式物理触摸屏，当操作人员将所述继电器模块电性连接至所述信号机模块时，所述嵌入式处理器接收到所述继电器模块与信号机模块电性连接的电信号并将所述电信号进行处理以显示至交互式物理触摸屏。
9.根据权利要求8所述的轨道交通信号继电器仿真实验系统，其特征在于：所述操作人员根据轨道交通信号继电器实验需求进行接线，若连接方式正确则将相应内部电路逻辑显示至所述虚拟仿真模块的交互式物理触摸屏，若连接方式错误，则交互式物理触摸屏进行接线错误提醒。
10.根据权利要求8所述的轨道交通信号继电器仿真实验系统，其特征在于：所述信号机模块可以进行信号点灯显示，所述信号机点灯显示类型包括进站信号机、单方向出站信号机、两出站信号机方向、三方向出站信号机、调车信号机、三接近通过信号机、二接近通过信号机及一般通过信号机，操作人员将所述继电器模块与信号机模块接线连接时，可进行前述信号机点灯显示。
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说 明 书
一种轨道交通信号继电器仿真装置及实验系统
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技术领域
[0001]本发明属于轨道交通电子仿真领域，尤其涉及一种教学用轨道交通信号继电器电路仿真装置及实验系统。
背景技术
[0002]轨道交通包括地铁、轻轨、磁悬浮、有轨电车等交通。运量大、速度快、安全准时等优点使轨道交通成为各个城市必备的主要交通工具之一。轨道交通控制系统由于工况复杂且安全性要求高，普遍采用继电器电路实现，在列车电气控制系统及地面信号控制系统中都是采用复杂的继电器逻辑电路实现。在轨道交通信号系统日常运维过程中，对从业人员的继电器电路图原理掌握有一定要求。轨道交通技术迅速发展，已经成为现在大城市必备的交通工具。轨道交通技术通常分为：轨道交通通信信号、轨道交通运营管理、轨道交通车辆工程等。对于轨道交通从业人员有较高的专业技能要求，从业人员需要经过专业的课程学习及实训才能掌握一定的专业知识。如今已有很多高校开设了城市轨道交通相关课程，在高校中，难以引入庞大实际轨道交通设备进行教学，都采用轨道交通仿真设备进行专业教学。
[0003]中国专利公开号CN105810067A进行了一定创新，其公开了一种教学用城市轨道交通车辆实验平台，包括模拟控制台、用于为实验平台供电的电源、网孔板及相关配件，模拟控制台与网孔板连接，相关配件设置在网孔板上，用于模拟城市轨道车辆电气控制回路设计，使用时，利用相关配件搭建控制电路，模拟城市轨道交通车辆电气控制电路，相关配件通过网孔板接收模拟控制台的控件信息，从而完成电气控制回路的实验验证。然而，该专利申请对轨道交通车辆电气控制回路进行模拟仿真，功能较为单一，亦未对轨道交通信号继电器进行模拟仿真，因而也无法知晓城市轨道交通信号机与继电器之间的内部电路逻辑，无法展示该复杂电路逻辑显性化的过程，无法使得对学生或从业人员对信号机与继电器之间的内部联动机制进行更好的理解与掌握。[0004]因此，确有必要提供一种新的技术方案，以克服上述缺陷。发明内容
[0005]本发明的目的在于提供一种生动形象及便于教学的轨道交通信号继电器仿真装置及实验系统。
[0006]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：包括若干继电器模块及与所述继电器模块导通的信号机模块与虚拟仿真模块，所述虚拟仿真模块包括嵌入式处理器及交互式物理触摸屏，将所述继电器模块电性连接至所述信号机模块时，所述嵌入式处理器接收到所述继电器模块与信号机模块电性连接的电信号并将所述电信号进行处理以显示至交互式物理触摸屏。
[0007]进一步的，所述交互式物理触摸屏将所述电性连接后的电信号进行实时显示，并将所述电性连接的内部电路逻辑触发的动态过程进行仿真、延时演示。
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说 明 书
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进一步的，所述虚拟仿真模块包括若干连接部，所述若干继电器模块可分别电性
连接至对应所述连接部以实现相应继电器和/或信号灯的电路测试。[0009]进一步的，所述继电器模块及信号机模块均包括若干接线端子，将所述继电器模块的接线端子电性连接至所述信号机模块的接线端子时，可模拟轨道列车进站、出站、调车及通过的信号机状态，所述虚拟仿真模块可将轨道列车进站、出站、调车及通过进行电路动态仿真。
[0010]进一步的，所述连接部包括第一连接部、第二连接部及第三连接部，通过物理接线方式可将所述继电器模块对应电性连接至所述虚拟仿真模块的第一连接部、第二连接部及第三连接部可分别实现不同仿真功能。[0011]进一步的，所述继电器模块包括若干第一继电器模块、第二继电器模块及第三继电器模块，当操作者将所述第一继电器模块连接至所述第一连接部时，可实现继电器响应时间测量功能。
[0012]进一步的，所述仿真装置还包括灯丝报警电路模块，将所述灯丝报警电路模块分别电性连接至所述虚拟仿真模块的连接部时，所述嵌入式处理器接收到相应电信号并将所述电信号显示至交互式物理触摸屏。[0013]为实现上述目的，本发明还可以采用如下技术方案：一种轨道交通信号继电器仿真实验系统，包括若干继电器模块及与所述继电器模块导通的信号机模块与虚拟仿真模块，所述虚拟仿真模块包括嵌入式处理器及交互式物理触摸屏，当操作人员将所述继电器模块电性连接至所述信号机模块时，所述嵌入式处理器接收到所述继电器模块与信号机模块电性连接的电信号并将所述电信号进行处理以显示至交互式物理触摸屏。[0014]进一步的，所述操作人员根据轨道交通信号继电器实验需求进行接线，若连接方式正确则将相应内部电路逻辑显示至所述虚拟仿真模块的交互式物理触摸屏，若连接方式错误，则交互式物理触摸屏进行接线错误提醒。[0015]进一步的，所述信号机模块可以进行信号点灯显示，所述信号机点灯显示类型包括进站信号机、单方向出站信号机、两出站信号机方向、三方向出站信号机、调车信号机、三接近通过信号机、二接近通过信号机及一般通过信号机，操作人员将所述继电器模块与信号机模块接线连接时，可进行前述信号机点灯显示。[0016]与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：[0017]1.本发明使用成本低、可进行反复搭建验证、方便推广应用，具有显著的应用价值，适用于各类城市轨道交通相关联单位或轨道交通爱好者，最适于轨道交通专业相关院校、职业院校实现相关课程的教学、实训。[0018]2.本发明教学功能丰富，将课本中的电路图动态显示在操作屏幕上，并且电路图中继电器与实验用的继电器联动，将电路图逻辑动态化，教学效果直观，方便学员理解掌握轨道交通信号系统继电器电路原理，实验系统布局整洁，功能分区明显，不同实验下都方便学生操作。
[0019]3.本发明结构简单，操作便捷，使得教学过程更加丰富，提升相关操作人员的动手实践能力，能够将复杂系统简化，容易推广且对于国家轨道交通事业具有较高价值。
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附图说明
[0020]以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。[0021]图1为本发明仿真装置的立体图。
[0022]图2为图1所示仿真装置另一角度的立体图。[0023]图3为图1所示仿真装置的部分分解图。
[0024]图4为图3所示仿真装置另一角度的部分分解图。[0025]图5为本发明仿真实验系统模块图。[0026]图6为本发明仿真实验系统实现原理图。
具体实施方式
[0027]为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图1-6说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关部分，而并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。本发明中“连接”，即可包括直接连接、也可以包括间接连接、通信连接、电连接，特别说明除外。
[0028]本文中所使用的术语仅为了描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文中所使用地，单数形式“一个”、“一种”、以及“该”旨在也包括复数形式，除非上下文明确地另作规定。还将理解的是，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”是指存在有所陈述的特征、数值、步骤、操作、元件和/或组分，但是并不排除存在有或额外增加一个或多个其它的特征、数值、步骤、操作、元件、组分和/或其组成的群组。作为在本文中所使用的，术语“和/或”包括列举的相关项的一个或多个的任何和全部的组合。[0029]本发明优选实施方式：本发明提出一种轨道交通信号继电器仿真装置100，如附图1与图2所示，其包括实验箱101、安装至实验箱101的轨道交通信号继电器仿真装置102，实验箱101包括箱体1011和箱盖(未图示)，实验操作时箱盖打开，轨道交通信号继电器仿真装置102安装在箱体1011内部。轨道交通信号继电器仿真装置102包括若干继电器模块1、与继电器模块1导通的信号机模块2与虚拟仿真模块4、灯丝报警电路模块3、按钮模块5，将继电器模块1电性连接至信号机模块2时，虚拟仿真模块4接收到继电器模块1与信号机模块2电性连接的电信号并将该电信号进行处理以将电路图逻辑动态显示至虚拟仿真模块4的显示区域。
[0030]本发明轨道交通信号继电器仿真装置102内的各个模块之间内部互相导通，操作人员通过外部接线操作，可以将各个模块间进行电性连接，从而可以实现各个模块之间的接线导通仿真，当应用至教学场景时，可以按照具体的实验需求及相应电路原理图将模块之间通过物理接线的方式产生连接，并将产生连接的模块之间的电路信号显示至虚拟仿真模块4，从而达到教学、训练积及考核等目的。本发明主要应用于教学领域，当然不限于仅应用于教学领域，比如还可将本发明置于展览台供大众了解熟悉信号机与继电器之间内部联动机制，普及轨道交通专业知识。[0031]继电器模块1、信号机模块2、按钮模块5均包括若干接线端子10、20、50，将继电器模块1的接线端子10电性连接至信号机模块2的接线端子20时，可模拟轨道列车进站、出站、
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调车及通过的信号机状态，虚拟仿真模块4可将轨道列车进站、出站、调车及通过进行电路动态仿真，具体的，在进行仿真实验的时候，信号灯模块2可以分别显示不同颜色以验证继电器模块1与信号机模块2联动实验结果。[0032]请参阅图3，继电器模块1包括若干第一继电器模块11、第二继电器模块12及第三继电器模块13，具体的，在本发明优选实施方式中，第一继电器模块11为通用继电器模块11，第二继电器模块12为延时继电器模块12，第三继电器模块13为轨道交通专用继电器模块13。轨道交通专用继电器模块13包括导电件131及包覆在导电件131外的外壳132，通过轨道交通专用继电器模块13可以看到常用继电器模块1的基本构成。信号机模块2可以进行信号点灯显示，具体的，仿真信号机模块2利用LED灯模拟信号灯，根据轨道交通信号机的原理排列出不同布局的信号机组合，轨道交通信号机点灯显示类型包括进站信号机、单方向出站信号机、两出站信号机方向、三方向出站信号机、调车信号机、三接近通过信号机、二接近通过信号机及一般通过信号机，操作人员将继电器模块1与信号机模块2接线连接时，可进行前述信号机点灯颜色显示。[0033]结合图4，灯丝报警电路模块3包括一组仿真信号机(未图示)、报警继电器32、报警蜂鸣器(未图示)、报警指示灯31，一组仿真信号机(未图示)包括多个仿真信号灯，每个灯有两个可插拔的灯丝(拔下灯丝模拟灯丝熔断后切换副灯丝点亮实验)，每个灯有一个灯丝转换继电器33(未图示)。将灯丝报警电路模块3分别电性连接至虚拟仿真模块4时，虚拟仿真模块4将接收到相应电信号显示。灯丝报警电路模块3中灯丝可轻易拔下，以完成模拟灯丝熔断实验及报警电路仿真实验。
[0034]虚拟仿真模块4作为仿真控制模块，其包括嵌入式处理器(未图示)及交互式物理触摸屏40，嵌入式处理器可以对继电器模块1、信号机模块2、灯丝报警电路模块3及按钮模块5之间的电路逻辑进行控制与仿真。当然本发明处理器优选实施方式中采用嵌入式处理器，在其他实施方式中，采用微控制器、单片机等控制处理器只要能实现本发明目的均可。按钮模块5的按钮端子50可用导线(未图示)连接到继电器控制电路中，实现人工的控制信号输入。将继电器模块1电性连接至信号机模块2时，嵌入式处理器接收到继电器模块1与信号机模块2电性连接的电信号并将电信号进行处理以显示至交互式物理触摸屏40。具体的，参阅图5，嵌入式处理器采用STM32H750为主控芯片；交互式物理触摸屏40即触摸交互显示模块，采用7寸电容触摸屏，由主控芯片驱动；虚拟仿真模块4中继电器控制及状态采集模块采用STM32F103C8T6为控制芯片，采集通用继电器模块11中继电器是否吸起状态并传输给STM32H750主控芯片，同时接受来自主控芯片的控制信号，控制继电器吸起动作；信号机状态采集模块采用STM32F103C8T6单片机为控制芯片，采集仿真信号机模块中信号灯点亮状态，并传输给STM32H750主控芯片。以此实现内部控制与处理。[0035]虚拟仿真模块4还包括连接部42、USB接口43、开关接口44及电源插孔45以实现多样化的仿真控制功能。所述若干继电器模块1可分别电性连接至对应所述连接部42以实现相应继电器和/或信号灯的电路测试。交互式物理触摸屏40将电性连接后的电信号进行实时显示，并将电性连接的内部电路逻辑触发的动态过程进行仿真、延时演示。连接部42包括第一连接部421、第二连接部42及第三连接部43，通过物理接线方式可将继电器模块1对应电性连接至所述虚拟仿真模块4的第一连接部41、第二连接部42及第三连接部43可分别实现不同仿真功能。具体的，当操作者将第一继电器模块11连接至所述第一连接部41时，可实
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现继电器响应时间测量功能。进行继电器响应时间测量时，包括一组继电器线圈驱动电路、多路继电器节点电压采集电路，驱动电路引出两个接线端子，用于操作者用线连接至需要测量的继电器模块1，多路继电器节点电压采集电路每路引出一个接线端子，用于操作者用线连接至需要测量的继电器接线端子10，程序控制继电器线圈驱动继电器吸合及断开，同时对继电器开关节点进行电压采集监测，测量出继电器响应时间，并将监测曲线及响应时间显示到交互式物理触摸屏40中。[0036]具体教学实验中：交互式物理触摸屏40提供交互菜单选择要进行的实验内容以及设置参数。实验过程中，可以根据选择要进行的实验电路图，加载电路图内容至交互式物理触摸屏40，根据预设的实验电路中继电器模块1开关状态，进行动态演示不同继电器模块1导通或断开下该电路内电流走向图。实验中，将主控芯片内的继电器控制与采集电路连接到通用继电器模块11，虚拟仿真模块4对继电器的吸起与闭合的控制，将信号机状态采集电路连接至主控芯片内的仿真信号机模块，实现虚拟仿真模块4对信号机状态检测。操作人员可根据轨道交通信号继电器实验需求进行接线，若连接方式正确则将相应内部电路逻辑显示至所述虚拟仿真模块的交互式物理触摸屏40，若连接方式错误，则交互式物理触摸屏40进行接线错误提醒。具体实施中，当操作者用导线(未图示)将各接线端子10、20之间连通进行电路实验，操作者连接完成特定点灯电路接线后，虚拟仿真模块4将按照该电路逻辑驱动对应继电器工作，在电路接线正确情况下，对应信号灯将亮起，接线错误将无法亮起信号灯，虚拟仿真模块4通过采集信号灯状态判断操作者接线是否正确，在交互式物理触摸屏40上提示接线是否正确。
[0037]请参照图1至图6，在本发明轨道交通信号继电器仿真实验系统包括：包括若干继电器模块1及与继电器模块1导通的信号机模块2与虚拟仿真模块4，虚拟仿真模块4包括嵌入式处理器及交互式物理触摸屏40，当操作人员将继电器模块1电性连接至所述信号机模块2时，嵌入式处理器40接收到继电器模块1与信号机模块2电性连接的电信号并将该电信号进行处理以显示至交互式物理触摸屏40。操作人员根据轨道交通信号继电器实验需求进行接线，若连接方式正确则将相应内部电路逻辑显示至所述虚拟仿真模块4的交互式物理触摸屏40，若连接方式错误，则交互式物理触摸屏40进行接线错误提醒。信号机模块2可以进行信号点灯显示，信号机点灯显示类型包括进站信号机、单方向出站信号机、两出站信号机方向、三方向出站信号机、调车信号机、三接近通过信号机、二接近通过信号机及一般通过信号机，操作人员将所述继电器模块与信号机模块接线连接时，可进行前述信号机点灯显示。
[0038]参阅图6，本系统可进行以下教学实验，具体步骤为：[0039](1)虚拟仿真模块4启动，初始化设置；[0040](2)启动功能选择界面。
[0041]选中继电器响应时间测量功能：[0042](1)接收触摸测量指令，开启测量电路的模拟信号采集；[0043](2)继电器线圈控制电路输出信号，同时开始内部计时器；[0044](3)根据采集的模拟信号判断继电器触点开关是否闭合，记录闭合时间；[0045](4)继电器线圈控制电路关闭输出信号，同时重新开始内部计时器；[0046](5)根据采集的模拟信号判断继电器触点开光是否断开，记录断开时间；
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(6)将采集的模拟信号曲线及采集的继电器响应时间显示到屏幕中。
[0048]选中电路动态仿真演示功能：[0049](1)等待选择要仿真的电路图；[0050](2)根据选择的电路图，显示灰色电路图；[0051](3)操作人员按照相应教学需求将信号机模块2上的接点按照物理接线方式接至继电器模块1的接点处；[0052](4)虚拟仿真模块4的交互式物理触摸屏40将进行数模信号转换后的接线逻辑电路进行展示；[0053](5)若接线方式符合教学实验需求，则显示出逻辑电路；若接线方式错误，则交互式物理触摸屏40进行提示错误，且信号机模块2也不会显示颜色正确的信号灯。[0054](6)交互式物理触摸屏40对不同操作人员的操作进行记录统计处理，并且还可以进行分数统计分析。
[0055]选中电路动态仿真演示功能：[0056](1)显示虚拟设备及；[0057](2)等待硬件电路信号输入；[0058](3)根据数据信号的线路开始电流流动；[0059](4)电流流经的元器件触发动作；[0060](5)三维虚拟设备同步动作；[0061](6)内部电路完成动作后输出信号至硬件。[0062]本发明可以进行的轨道交通专业课程实验有：继电器认知实验、继电器响应时间测量实验、继电器并联实验、继电器自锁电路实验、断丝报警电路实验、进站信号机点灯实验、单方向出站信号机点灯电路实验、两方向出站信号机点灯电路实验、三方向出站信号机点灯电路实验、调车信号机电路实验、一般通过信号机点灯电路实验、二接近通过信号机点灯电路实验、三接近通过信号机点灯电路实验。
[0063]通过本发明轨道交通信号继电器仿真装置及实验系统，可以解决当前轨道交通院校对于继电器与信号灯之间的联动机制难以理解及教学成本高的问题。因而，使用本发明可以在降低成本的同时，进行反复搭建验证，方便推广应用，具有显著的应用价值，适用于各类城市轨道交通信号、运营管理、车辆工程等专业相关院校、职业院校用于相关课程的教学、实训。
[0064]本发明教学功能丰富，将课本中的电路图动态显示在操作屏幕上，并且电路图中继电器与实验用的继电器联动，将电路图逻辑动态化，教学效果直观，方便学员理解掌握轨道交通信号系统继电器电路原理，实验系统布局整洁，功能分区明显，不同实验下都方便学生操作。本发明结构简单，操作便捷，使得教学过程更加丰富，提升相关操作人员的动手实践能力，能够将复杂系统简化，容易推广，对于国家轨道交通事业具有较高价值。[0065]以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。本领域的技术人员可以清楚，该实施例中的形式不局限于此，同时可调整方式也不局限于此。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在发明的保护范围之内。
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