城市軌道交通綜合仿真實訓基地建設的研究

張天彤， 馬松花， 支 斌， 韓增盛

(1.鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州450052;2.西安市地下鐵道有限責任公司，陜西西安710018)

0 引言

近年來我國城市軌道交通建設速度迅猛，各大城市地鐵、輕軌等軌道交通相繼開建。目前全國將近50個城市都具備了地鐵建設的需求和條件，在北京、上海、廣州、深圳、天津、杭州、重慶、南京、武漢、成都、鄭州等35個城市的近期規劃中，地鐵占72% ，輕軌占10%，預計到2015年，投資額是2010年的5.9倍，總投資額約為11 568億元［1］。可以說，我國的城市軌道交通行業步入一個跨越式發展的新階段，已成為世界最大的城市軌道交通市場［2］。城市軌道交通在技術、管理等方面的先進性決定了其需要的是高素質、高技能人才，更加重視技術工人、特別是高級技術工人的引進與培養，這必將對學校和企業的職業教育與員工培訓提出更高的要求。

城市軌道交通建設初期需較多基礎建設人員，建成通車后更多需求大批精通業務的專業技術人員，主要包括:列車司機、車輛維修、供電系統維修、通信控制、車站值班員、調度人員、運營管理等設施設備的使用、維修保養和客運服務類人員，而這些人員上崗前完善的實訓保障則直接影響著將來城市軌道交通運行的安全性。有關方面預計，短期內軌道交通專業人才供需比例為1∶4，處于供不應求的緊俏狀態，行業專門技能型人才短缺，出現了供需矛盾［3］。這從近3年來鄭州鐵路職業技術學院為廣州、深圳、武漢等地鐵公司訂單培養城軌車輛(列車司機、車輛維修)、城軌供電、城軌運營、城軌控制等專業人才統計的結果也得到了印證［4］。

高職教育特色的形成，離不開真實或虛擬環境下職業技術應用能力的實訓演練，而實訓基地則是實施演練最基本的依托和保障［5］。為使城市軌道交通專業人才的培養更符合行業的發展需求，更具有針對性，并加強新技術、新方法進入課堂的速度和周期，我校通過與鄭州軌道交通有限公司的合作，對城市軌道交通綜合仿真實訓基地建設進行研究，在充分調研、科學規劃、共同投入、資源共享的基礎上，做到實物與仿真相結合，創造與城市軌道交通運營環境完全一致的培訓條件，配備上述專業人才培養的仿真實訓設施，通過虛擬技術優越的實時性、強大的交互性、超強的沉浸感可以逼真反應現實事物［6］，營造一個可以直觀地接觸到“真實的地鐵”環境，滿足學生實訓和為企業員工培訓的需求。

1 綜合仿真實訓基地總體方案

1.1 基地功能

城市軌道交通綜合仿真實訓基地是以影像、圖形圖像、聲音以及可沉浸其中的虛擬現實場景、模擬仿真設備為手段，配以部分實物實訓設施的演練場，通過整體、周密的規劃，構建一個涵蓋城市軌道交通多個部門、多個工種的綜合性實訓考核基地。該基地能夠輻射城市軌道交通的多個專業，可以滿足包括列車駕駛、車輛維修、供電系統維修、通信控制、車站值班員、調度人員、運營管理等多種專業學生及企業員工的實訓演練、教學指導、實作考核和技能鑒定等。

1.2 基地構成

基地整體上分為三大功能區，即列車駕駛、車輛檢修與乘務服務實訓區、行車調度指揮控制仿真實訓區、城軌供用電技術實訓區，如圖1所示。

圖1 基地三大功能區

2 實訓系統技術要求

2.1 網絡技術

該系統是網絡化的多功能仿真培訓、考核系統，系統的所有功能模塊都將通過網絡技術連成動態的、有機的整體，具備統一的登錄、驗證、管理機制。所有模塊均處于教師的監控與管理之下，教師負責整個系統日常維護、教學組織及考核工作。系統配備了快速以太網交換機，為系統提供網絡通信，網絡傳輸介質具備很強的抗干擾能力。

2.2 系統仿真技術

2.2.1 列車性能仿真

包括:列車運行仿真、控制特性仿真、牽引特性仿真、制動特性仿真。列車運行仿真是列車模擬駕駛裝置的成功與否的關鍵，列車動力學模型的優劣是決定列車運行行為仿真性能的關鍵因素。

2.2.2 電、氣路邏輯仿真

應能夠實時、動態并以矢量方式顯示有關控制電、氣路原理圖，在圖上設置相應的操作按鈕，用以對原理圖進行瀏覽與查看。電、氣路原理圖的動態變化表現為:以適當的方式在原理圖畫面上顯示電路的實時得失電順序、開關的閉合與自復、線圈的得失電、電流流向。氣路原理圖應能夠顯示動態的制動機剖面、綜合作用原理圖，動態實時的顯示各閥、各部件及管路的空氣壓力變化情況。

2.2.3 運行環境仿真

視景系統是模擬駕駛仿真系統中重要的部分，由于其互動性、沉浸性等特點對駕駛員培訓提供了快速掌握駕駛先進列車的能力和適應駕駛線路的環境［7］，能夠有效增強培訓的實際效果。

2.2.4 聲音仿真技術

聲音仿真系統為城市軌道交通的運轉提供逼真的聽覺效果，通過聲音仿真系統能夠逼真地仿真城市軌道交通中列車運行、調度指揮及供電系統的各種聲音。

2.3 多媒體技術

采用矢量圖形來精細地表現控制面板等部件，并可以放大更仔細地觀察局部面板的狀態;制作精美、形象的二維矢量動畫作為教學模型，將原先難以通過照片和視頻等手段描述的事物生動地展現出來;建立三維仿真教學模型，將抽象的或難以描述的事物具體化，并制作出生動、形象的動畫，模擬出傳統授課或多媒體教學軟件不能實現的過程［8］;演示型多媒體教學軟件能吸引學生的注意力，激發學習的興趣，提供人機交互操作，可直接通過多媒體教學軟件進行練習、體驗和測試，提高學習的效果。

2.4 虛擬演練仿真模型技術

系統構建了虛擬演練三維數字仿真模型，能夠達到:實際設備上的所有可操控設備在該三維數字化列車內均具有可操作性，且具有與實際相符合的操作方式、動作過程、操作邏輯。能夠實現學生在其內部的漫游及相應的操作處理，在虛擬條件下操作可操控的任何設備，同時電氣、儀表、顯示、報警設備能夠產生對應的變化［9］，其現象、結果與真實系統相同，使專業理論教學與實踐教學能夠實現有機高效地結合。

3 實訓系統方案說明

3.1 列車駕駛、車輛檢修與乘務服務實訓

3.1.1 列車駕駛模擬仿真實訓

(1)主要功能。能完成列車操縱方法和駕駛技巧的實訓、熟悉駕駛線路和操作駕駛臺顯示設備的實訓、訓練對不同信號的反應、訓練列車制動的施加、訓練列車緊急狀態下的駕駛、訓練應急狀況與突發條件下的駕駛、訓練與調度、車站的通訊等［10］。

(2)設備組成(如圖2所示)。

圖2 列車駕駛模擬仿真實訓

模擬駕駛艙:采用鄭州地鐵一號線所用B型車駕駛艙，外觀、長度一致與真實列車保持一致;司機室內飾、司機臺上的操縱、顯示、按鈕、指示燈等設備與真實列車一致。

司機駕駛臺:配備有與真實列車一致的內部設備、設施，包括完整的運行控制和顯示設備，且都具有可操作性，與實際列車上的對應設備具有相同的功能與控制邏輯，通過對這些設備的操縱實現列車的模擬駕駛與控制。

視景顯示系統:前向視景采用單通道弧形幕視景系統，能夠為司機提供水平視角不小于120°的駕駛視景。主要提供前方軌道、沿途車站及景觀的視圖，能夠為司機提供高度沉浸感的列車運行環境。后向視鏡可顯示站臺旅客流量、客室車門與站臺屏蔽門的動作狀況、乘客上下車、各種作業模式下的站務人員手信號等［11］。停車對標系統采用數字顯示停車對標的距離，以方便乘務人員進行停車對標演練。

3.1.2 車輛檢修作業實訓

(1)主要功能。可按真實的作業環境，完成對受電弓、電機、控制裝置、電氣裝置、空調裝置、轉向架、空氣制動裝置、車鉤緩沖裝置、門控系統、蓄電池等部件進行外觀檢查和保養等列檢作業實訓;完成對車輛的主要部件進行目測檢查和操作試驗，及時處理影響行車安全故障的周檢作業實訓;完成對車輛主要部件進行更深入的檢查、操作試驗，及時處理影響行車安全故障的月檢作業實訓;完成車輛的日常運用整備、檢查保養作業的生產組織、管理過程等的車輛運用管理實訓［12-13］。

(2)設備組成。仿真客室車體、三層立體檢修設備、受電弓、轉向架等，如圖1所示。

3.1.3 乘務服務實訓

(1)主要功能。能完成車站作業實訓，可模擬真實的自動售檢票系統的運行狀況，進行售檢票(AFC)及進站等旅客服務方面的實訓。

(2)設備組成。閘機、自動售票設備、屏蔽門、站臺等。

3.2 行車調度指揮控制仿真實訓

3.2.1 控制中心(OCC)模擬仿真實訓

(1)主要功能。能完成控制中心ATS功能的模擬實訓和行車調度員作業內容模擬實訓。

(2)設備組成。控制中心(OCC)模擬仿真實訓系統(包括控制中心OCC模擬仿真實訓軟件一套、顯示屏、數據庫服務器系統、網絡系統、調度員工作站等設備)、工作臺等，如圖3所示。

圖3 控制中心(OCC)模擬仿真實訓

3.2.2 車站控制室模擬仿真實訓

(1)主要功能。能完成車站ATS基本功能的模擬實訓和行車值班員作業內容模擬實訓。

(2)設備組成。車站控制室模擬仿真實訓系統、行車值班員工作站、工作臺等，模擬仿真視景如圖4所示。

圖4 車站站臺和隧道模擬仿真視景

3.3 城軌供用電技術仿真實訓

3.3.1 牽引變電所模擬仿真實訓

(1)主要功能。虛擬仿真模型能夠實現學生在其內部的漫游及相應的操作處理，使學生可以進行倒閘作業、斷路器操作、隔離開關操作、電壓互感器切換等值班員和助理值班員的正常操作仿真訓練。還可根據課程任務模擬設置變電所的各種常見故障，進行故障處理演練實訓［14］。

(2)設備組成。由室內一套包括教學軟件、網絡系統和硬件組成的虛擬仿真實訓系統和一個室外變電所實訓演練場兩部分組成，如圖5所示。

圖5 牽引變電所模擬仿真實訓

3.3.2 接觸網供電模擬仿真實訓

(1)主要功能。可利用多媒體軟件對接觸網零部件結構原理及維修作業進行理論教學，并可完成接觸網的施工、檢修與維護等實訓工作。

(2)設備組成。有接觸網二個錨段、軟橫跨兩組、線岔一組、隔離開關一組、分段絕緣器一組、分相絕緣器三組及各種測量、作業工具和零部件等［15］，演示畫面如圖6所示。

4 主要特色

(1)利用多媒體的文字、聲音、圖片和圖像等大量信息進行教學，具備簡潔、美觀的交互式人機界面，并可方便地進行播放控制，實現了生動的場景交互式教學。

圖6 接觸網演示畫面

(2)可由教師提前設置演練任務，并對演練過程進行監控，也可以在學生演練過程中實時對演練進行干預，能夠實時設置各類故障，也可將預設的故障實時取消。

(3)具備完整的考核評價體系，學生的每一次訓練都作為一個訓練記錄保存在系統數據庫中，包括學生信息和訓練記錄等。對于有標準操作答案的項目，系統將自動評判出成績并記錄在數據庫中;對于沒有標準操作答案的項目，系統將操作記錄上報服務器，教師可根據操作記錄進行進一步的審閱、評判、管理，最后發布成績。

5 結語

基于科學的職業教育理念和先進的交互虛擬仿真技術平臺，鄭州鐵路職業技術學院與鄭州軌道交通公司合作建立“校中廠”，構建逼真的城市軌道交通綜合仿真實訓基地，使專業理論教學與實踐教學實現有機高效地結合，為提高學生和企業員工的設備操作使用、維修及故障排除能力提供了極佳的訓練平臺。

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