基于虛擬現實技術的調度集中和列車調度指揮三維仿真培訓系統的設計和實現

張威

摘要：針對鐵路調度集中和列車調度指揮系統的教學、培訓和運輸安全的需求，研究設計一套既能應用于職業院校教學和實訓，也能應用于鐵路現場職工培訓的虛擬現實三維仿真培訓系統。根據教學和培訓的需要，設計了鐵路調度集中和列車調度指揮系統的培訓內容、教學功能、技術指標和架構組成，形成了完整的系統設計方案，為系統的研發過程做出了詳細規劃，通過具體實施，形成了教學培訓系統。

關鍵詞：調度集中;列車調度指揮系統;虛擬現實;仿真平臺

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）12-0238-03

現代化的鐵路運輸調度指揮方法是鐵路運輸管理現代化的重要標準，也是鐵路運輸信息化建設和應用的重點。鐵路列車調度指揮系統以信息技術改變了傳統的調度指揮模式，實現了透明指揮和控制。鐵路調度集中和列車調度指揮系統（TDCS 和 CTC）是鐵路發展的重點技術，也是鐵路電務專業工作人員必須掌握的信號新技術。TDCS 和 CTC 設備造價昂貴，需要場地，而且需要建立在多個真實聯鎖車站的基礎上才能采集到足夠的聯鎖數據，實現調度指揮系統功能，因此，建設 TDCS 和 CTC 實訓系統非常困難。另外，目前國內關于 TDCS 和 CTC 設備的相關課程資源極其匱乏，極大地影響了相關課程的教學質量，因此目前急需一種先進的手段來解決教學過程中遇到的困難。基于目前的條件，可以采用虛擬現實技術，仿真現場TDCS 和 CTC 設備的結構和原理、標準化檢修作業過程和常見故障處理等內容，教師可以在教室授課時使用該系統配合理論講解，提高學生的理解程度，也可以安排學生在電腦上通過交互式的操作，完成設備認知和作業實訓的過程，在對設備有了直觀認識的基礎上，教師再進行教學和指導，就能使學生迅速理解和掌握相關設備的原理和維護知識，學生通過課程教學后相當于參加了一次現場實訓，能極大地減輕教師教學難度，提升教學質量和效率，并且為學生畢業后從事相關專業工作打下堅實基礎。

1 培訓系統內容設計

根據調度集中和列車調度指揮系統課程教學的需要，結合現場生產實際情況，按照職業技能教學培養思路，首先使學員了解設備結構，在此基礎上熟知設備的日常操作和標準化檢修作業流程，最后掌握常見故障的處理思路和方法。按照上述思路設計了調度集中和列車調度指揮系統兩大類設備的教學培訓內容。

1.1 調度集中系統教學培訓內容設計

該系統主要分為“列車調度指揮系統結構教學、列車調度指揮系統標準化檢修作業和列車調度指揮系統常見故障處理”三大部分教學培訓內容，其中列車調度指揮系統結構教學又包含“列車調度指揮系統機柜拆解和組裝、列車調度指揮系統主控室設備的拆解和組裝”共2個獨立的教學培訓單元模塊;列車調度指揮系統標準化檢修作業包含“機柜內部檢查、機柜外部檢查、主備機功能切換、鼠標檢查、鍵盤檢查、顯示器檢查、內部控制臺檢修”共7個獨立的教學培訓單元模塊;列車調度指揮系統常見故障處理包含“A 機、B 機無法切換、TDCS 系統顯示器故障、TDCS 系統硬盤故障、工控機死機故障、TDCS 系統 NPC 板故障、路由器 2T 模塊故障、通道雙斷故障”共7個獨立的教學培訓單元模塊。

1.2 列車調度指揮系統教學培訓內容設計

該系統主要分為“調度集中系統結構教學、調度集中系統標準化檢修作業和調度集中系統常見故障處理”三大部分教學培訓內容，其中調度集中系統結構教學又包含“工控柜拆解和組裝、采集柜拆解和組裝、運轉室 CTC 設備拆解和組裝”共 2個獨立的教學培訓單元模塊;調度集中系統標準化檢修作業包含“CTC 檢修程序柜內檢查、CTC 檢修程序倒換試驗檢測、工控柜檢修、采集柜檢修”共4個獨立的教學培訓單元模塊;調度集中系統常見故障處理包含“自律機故障處理、工控機硬盤連接線松動、采集柜硬盤更換、工控機單機切換故障檢修、工控機硬件接觸不良故障檢修、工控機電源故障”共6個獨立的教學培訓單元模塊。

2系統教學功能設計

調度集中系統和列車調度指揮系統是一個復雜系統，科學的體系框架和功能設計對提高學員的教學培訓和考核質量至關重要。系統遵循建模、仿真、表現一體化的方法論，借助虛擬現實技術，系統采用“學習、練習、考試”三位一體閉環式的教學模式，將各類系統教學培訓功能與三種教學模式相結合，能迅速提升認知和理解效率，具體功能設計如下：

（1） 學習模式：使用文字、語音及視頻，分步驟直觀講解設備操作、巡視檢修和應急處置的相關知識，告訴學員需要做什么、該怎么做，使用什么工具或儀器，達到什么樣的技術標準等。

（2） 練習模式：學員根據提示采用交互式操作來完成實踐演練過程，學員端的各項操作演練過程中均有專家引導系統幫助學員自行開展演練，文字欄將提示每一步的操作方法，具體操作位置會有閃爍提示，學生主動選取工具器材，根據過關式的原則，嚴格按實驗步驟操作，做錯會有錯誤提示，正確會有正確提示，相當于教師在身邊全程指導，一步步完成學習模式講授的實訓內容，實現了對學員的一對一指導，大大提高了學員的學習效率。

（3） 考試模式：在考試模式下，專家引導系統自動關閉操作提示功能。并且設定了考試完成時間，規定時間內，學生可以完全自由的選擇步驟和工具器材，在沒有任何提示和指導的情況下，完成整個操作、檢修或應急處置過程，系統自動記錄學員操作步驟分數，考試結束后自動評判每個作業步驟正確與否，給出到每個作業步驟的評價分數和總成績，能夠清晰地知曉操作錯誤之處，加深學員的認識和判斷，方便學生回到學習和練習模式反復學練之后，最終滿分通過考試，熟練掌握實踐技能。

3 系統架構設計

根據教學培訓的需求，將系統設計為基礎數據層、具體功能實現層、系統核心整合層和人機接口層四大層次，如圖1所示，具體內容和功能如下：

1）基礎數據層：主要包括各類三維立體模型組成的虛擬環境、設備、工具、文字、圖片、動畫、語音和按鈕 UI 等一系列系統基本元素和相關教學知識內容。

2）具體功能實現層：包括四個子系統，主要實現系統的各類主要功能。

（1）圖形圖像顯示子系統：實現基于虛擬現實技術的三維模型構建和加載顯示、實時光影效果、模型材質系統、物體表面多層貼圖系統，能構建出信號機械室內和車站運轉室內真實的作業環境，同時實現復雜的剛體動畫、柔體動畫、人物骨骼動畫和二維動畫等功能。

（2）事件流程控制子系統：將整個程序分解為多個子程序單元，可實現智能組合、判斷、選擇、跳轉等功能。

（3）工具仿真子系統：包含三維虛擬軟件系統、工具虛擬模型、軟件接口、仿真系統與交互控制、工具的碰撞檢測等。

（4）智能化引導教學系統：教學系統以智能化的方式，根據不同的場景和條件，通過圖表、文字、顏色和聲音等多種方式給予學員豐富詳細的操作指導，實現學員的自主學習和演練。

3）系統核心整合層：根據用戶的操作，綜合調用系統的各子系統功能，計算后將正確的結果通過圖形處理器輸出給用戶，同時記錄用戶各類數據，并且為變量交換等功能提供臨時數據庫。

4）人機接口層：包括系統選擇界面、具體教學單元模塊的操作界面和幫助文件等一系列用戶的操作界面和鼠標鍵盤等硬件設備的按鍵控制接口功能。

4系統的實現

4.1 模型創建與場景設置

TDCS 和 CTC 系統由多個機柜和車務終端等設備組成，使用3ds MAX工具建立三維模型和展UV后，使用 Substance Painter 工具制作顏色、高光、法線、凹凸、金屬等貼圖，導入Unity 3D引擎中賦予材質和貼圖，根據不同設備和零部件的物理屬性，設置其材質的光學屬性，形成光線照射時的反射和散射等效果。最后設置燈光和天空盒之后進行整體烘焙，完成場景的基礎模型創建工作[1]。

4.2 場景仿真

根據 TDCS 和 CTC 系統的設備物理屬性，在 Unity3D 引擎中設置各設備和零部件的碰撞檢測功能，形成碰撞觸發器。根據教學實訓內容，設計各類設備檢修時的攝像機移動、三維動畫和粒子特效等效果，使用時間軸time line和Animator 等組件配合完成主要教學實訓內容的講解和表現過程。編程實現“學習、練習和考試”三位一體教學模式的控制功能，形成教學的閉環。

4.3 人機交互界面的實現

根據系統功能制作系統的人機交互界面，首先使用 Photoshop 等工具制作按鈕和各類面板等UI素材，然后為各類功能按鈕設置特效和腳本，實現交互控制功能。

4.4 系統發布測試

系統可以發布輸出為 Windows、Android、IOS、HTML5等平臺的應用程序或網頁資源，根據不同的操作系統和平臺進行貼圖的優化設置，盡量保證程序在流暢運行的情況下降低硬件資源消耗，保障系統的穩定性。TDCS系統最終的運行效果如圖2所示，CTC系統最終的運行效果如圖3所示。

5 結束語

本文分析了虛擬現實技術應用于教學培訓系統時的設計內容和方法，通過鐵路調度集中和列車調度指揮系統的設計和實施，對虛擬現實仿真教學培訓系統的設計思路進行了分析和歸納，形成了清晰的系統設計方案和具體實現方法，通過具體實施形成了TDCS和CTC系統的三維仿真類培訓系統，豐富了該類課程的教學培訓資源，解決了現場實訓困難的問題，也為同類項目的設計和實現提供了參考。

參考文獻：

[1] 楊明晟，胡遠彪.基于Unity 3D的巖心鉆機模擬操作系統設計與實現[J].有色金屬工程，2020，10（9）：117-121.

【通聯編輯：代影】