虛擬仿真技術(shù)在電力機(jī)車(chē)行車(chē)安全裝備實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中的研究

黃華

武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢 430000

引言

虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，目前國(guó)內(nèi)外不少學(xué)校都引進(jìn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為學(xué)生提供更加直觀、形象的多重感官刺激，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)有很大的幫助。建成后的系統(tǒng)能逼真地模擬LKJ2000型監(jiān)控裝置和其他安全裝備的各種工作狀態(tài)及操作，車(chē)載線路數(shù)據(jù)、監(jiān)控模式、控制邏輯與機(jī)車(chē)實(shí)際設(shè)備效果保持一致。可以全面、真實(shí)地模擬機(jī)車(chē)乘務(wù)員一次乘務(wù)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)過(guò)程中對(duì)監(jiān)控裝置和其他安全裝備的各項(xiàng)操作，配合相應(yīng)動(dòng)畫(huà)、語(yǔ)音真實(shí)模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、聯(lián)控情景，并記錄乘務(wù)員的模擬操作過(guò)程。

1 虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

VR虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用三維建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能(AI)技術(shù)構(gòu)建出的具有強(qiáng)烈沉浸感和趣味性的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

整個(gè)系統(tǒng)以三維引擎構(gòu)建全三維虛擬仿真場(chǎng)景為基礎(chǔ)，結(jié)合三維模型、光影聲效等形式搭建與實(shí)際一致的仿真環(huán)境。該技術(shù)通過(guò)在虛擬環(huán)境中入現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景信息，在虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和用戶之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入，可建立一個(gè)基于現(xiàn)實(shí)世界的虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，做到教學(xué)場(chǎng)景實(shí)景化、打破教學(xué)時(shí)空限制、將虛擬和真實(shí)有機(jī)交互等。產(chǎn)品設(shè)計(jì)完全貼合機(jī)車(chē)作業(yè)規(guī)定，作業(yè)過(guò)程和與實(shí)際檢查工作流程完全一致，通過(guò)高精度模型真實(shí)再現(xiàn)了檢查環(huán)境和真實(shí)的機(jī)車(chē)，操作過(guò)程中均可選擇工具與部件進(jìn)行交互，為學(xué)員提供了接近真實(shí)的檢查環(huán)境，從而提高實(shí)訓(xùn)效率[1]。

采用技術(shù)軟件如Solidworks、3DsMax、Maya、AE、Unity、UE4等制作引擎，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)完成對(duì)AR/VR/MR等多端虛擬仿真資源的建設(shè)。

2 行車(chē)安全裝備實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)組成

行車(chē)安全裝備實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要由安全裝備終端展示柜、行車(chē)安全設(shè)備柜、6A系統(tǒng)機(jī)柜、地面信號(hào)仿真設(shè)備、安全設(shè)備實(shí)訓(xùn)臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)組成。

圖1 行車(chē)安全裝備實(shí)訓(xùn)室整體布局圖

系統(tǒng)部署分為兩部分：認(rèn)知展示區(qū)和實(shí)訓(xùn)操作區(qū)。

2.1 認(rèn)知展示區(qū)

設(shè)備認(rèn)知展示區(qū)主要向?qū)W員展示真實(shí)行車(chē)安全設(shè)備，以及設(shè)備對(duì)應(yīng)安裝在機(jī)上的真實(shí)位置，達(dá)到學(xué)員對(duì)真實(shí)設(shè)備的認(rèn)知和系統(tǒng)的宏觀認(rèn)識(shí)目的。展示設(shè)備包含6A機(jī)柜、行車(chē)安全設(shè)備柜、地面信號(hào)設(shè)備（含軌道、信號(hào)發(fā)碼器、地面信號(hào)燈、機(jī)感線圈）、安全裝備終端展示柜。

2.1.1 安全裝備終端展示柜。安全裝備展示柜由6A系統(tǒng)設(shè)備展示（6A各子系統(tǒng)終端設(shè)備按照相應(yīng)位置排列）、信號(hào)設(shè)備展示（機(jī)感線圈）、LKJ2000終端設(shè)備展示（壓力傳感器、速度傳感器、雙針表）、人機(jī)交互終端（LKJ顯示器、6A顯示終端）和觸摸顯示屏組成。

2.1.2 行車(chē)安全設(shè)備柜。行車(chē)安全設(shè)備柜包括LKJ2000監(jiān)控主機(jī)仿真設(shè)備、TAX箱、機(jī)車(chē)信號(hào)主機(jī)仿真設(shè)備和機(jī)柜組成。結(jié)合地面信號(hào)仿真設(shè)備，培訓(xùn)學(xué)員從信號(hào)發(fā)碼、地面信號(hào)顯示、車(chē)載信號(hào)顯示、LKJ2000運(yùn)行控制等列控系統(tǒng)全過(guò)程認(rèn)知培訓(xùn)。

2.1.3 地面信號(hào)仿真設(shè)備。地面信號(hào)仿真設(shè)備由軌道、機(jī)車(chē)信號(hào)感應(yīng)線圈、線圈盒、地面信號(hào)發(fā)碼主機(jī)、地面信號(hào)機(jī)和終端電纜盒組成。一是對(duì)地面信號(hào)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行認(rèn)知教學(xué)，二可結(jié)合第三方設(shè)備柜進(jìn)行列控系統(tǒng)認(rèn)知教學(xué)。

2.1.4 安全裝備展示模型。行車(chē)安全裝備展示模型，以HXD型機(jī)車(chē)為基礎(chǔ)采用剖面模型的方式，直觀地展現(xiàn)行車(chē)安全裝備各系統(tǒng)機(jī)柜、設(shè)備、終端的安裝位置。

2.2 實(shí)訓(xùn)操作區(qū)

通過(guò)安全裝備實(shí)訓(xùn)臺(tái)完成行車(chē)安全裝備一系列實(shí)訓(xùn)操作，同時(shí)教師機(jī)可以下達(dá)任務(wù)和故障注入，鍛煉學(xué)員的對(duì)于安全裝備實(shí)際操作能力以及應(yīng)急處理能力。網(wǎng)絡(luò)化實(shí)訓(xùn)區(qū)包含教員管理系統(tǒng)、安全設(shè)備實(shí)訓(xùn)臺(tái)。

2.2.1 安全裝備教員臺(tái)。教員臺(tái)采用單監(jiān)控多屏顯示模式，內(nèi)置工業(yè)控制計(jì)算機(jī)設(shè)備、司機(jī)控制器手柄、模擬制動(dòng)閥手柄、警惕按鈕、麥克風(fēng)、音響系統(tǒng)以及雙19寸液晶觸摸顯示屏。

2.2.2 安全裝備實(shí)訓(xùn)臺(tái)。安全裝備實(shí)訓(xùn)臺(tái)集成LKJ監(jiān)控裝置仿真設(shè)備、6A系統(tǒng)顯示器、機(jī)車(chē)信號(hào)顯示、CIR、司機(jī)控制器、大小閘制動(dòng)設(shè)備，全面、真實(shí)地模擬機(jī)車(chē)乘務(wù)員一次乘務(wù)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)過(guò)程中對(duì)安全裝備的各項(xiàng)操作，配合相應(yīng)動(dòng)畫(huà)、語(yǔ)音真實(shí)模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、聯(lián)控情景，對(duì)學(xué)員的安全設(shè)備操作進(jìn)行實(shí)操實(shí)訓(xùn)教學(xué)和考核。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)系統(tǒng)部署在教員計(jì)算機(jī)內(nèi)，包括教學(xué)課件管理、三維教學(xué)管理、實(shí)訓(xùn)臺(tái)配置管理、試題管理、試卷管理、考試成績(jī)管理等模塊[2]。

3 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)功能

3.1 LKJ實(shí)作訓(xùn)練及考試

對(duì)機(jī)車(chē)乘務(wù)員一次乘務(wù)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)過(guò)程中對(duì)監(jiān)控裝置的各項(xiàng)操作進(jìn)行模擬仿真考試，配合相應(yīng)動(dòng)畫(huà)、語(yǔ)音真實(shí)模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、聯(lián)控情景，并記錄學(xué)生的模擬操作過(guò)程，后臺(tái)自動(dòng)對(duì)該過(guò)程進(jìn)行分析比對(duì)，生成成績(jī)報(bào)表，讓學(xué)生清楚地知道自己錯(cuò)在哪里，又可以將該報(bào)表傳達(dá)給教師，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理。能夠以模板化的方式對(duì)各種試題進(jìn)行編輯修改，系統(tǒng)中內(nèi)置大量試題模板，只需要簡(jiǎn)單設(shè)定車(chē)站信息，即可生成新的考試試題。

3.2 機(jī)車(chē)車(chē)載安全防護(hù)系統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)

機(jī)車(chē)車(chē)載安全防護(hù)系統(tǒng)（6A系統(tǒng)）是針對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中危及安全的重要事項(xiàng)、重點(diǎn)部件和部位，綜合集成、平臺(tái)化的安全防護(hù)裝置，用于空氣制動(dòng)、防火、高壓絕緣、列車(chē)供電、走行部及視頻等部件或?qū)ο蟮谋O(jiān)控及記錄，具備各系統(tǒng)監(jiān)控功能（制動(dòng)監(jiān)測(cè)、防火監(jiān)控、高壓絕緣檢測(cè)、列車(chē)供電監(jiān)測(cè)、走行部監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控）、綜合診斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、音視頻顯示。

3.3 機(jī)車(chē)信號(hào)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)

通過(guò)設(shè)置地面電碼化設(shè)備，調(diào)整低頻編碼來(lái)模擬地面不同信號(hào)機(jī)狀態(tài)，并通過(guò)機(jī)感線圈發(fā)送到機(jī)車(chē)信號(hào)主機(jī)，機(jī)車(chē)信號(hào)主機(jī)解碼地面信號(hào)機(jī)狀態(tài)的同時(shí)把相關(guān)信息傳送給LKJ系統(tǒng)，LKJ系統(tǒng)根據(jù)地面信號(hào)機(jī)狀態(tài)采取相應(yīng)的速度控制信息。滿足機(jī)車(chē)專業(yè)關(guān)于信號(hào)相關(guān)業(yè)務(wù)的學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)要求。

3.4 車(chē)載CIR操作顯示終端實(shí)訓(xùn)

車(chē)載CIR操作顯示終端是列車(chē)正常行駛必不可少的部分，它集車(chē)次號(hào)注冊(cè)、語(yǔ)音通話、調(diào)度命令傳輸?shù)裙δ苡谝惑w。在安全裝備實(shí)訓(xùn)臺(tái)上集成了CIR仿真設(shè)備，通過(guò)該仿真設(shè)備對(duì)CIR設(shè)備形態(tài)、構(gòu)成、工作原理進(jìn)行認(rèn)知教學(xué)。通過(guò)安全裝備實(shí)訓(xùn)臺(tái)上的CIR設(shè)備，學(xué)習(xí)CIR電臺(tái)的基本操作：自動(dòng)選擇線路、手動(dòng)選擇線路、車(chē)次號(hào)設(shè)置與注冊(cè)、車(chē)次號(hào)注銷(xiāo)、閱讀和簽收調(diào)度命令。

3.5 機(jī)車(chē)信號(hào)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)

通過(guò)設(shè)置地面電碼化設(shè)備，調(diào)整低頻編碼來(lái)模擬地面不同信號(hào)機(jī)狀態(tài)，并通過(guò)機(jī)感線圈發(fā)送到機(jī)車(chē)信號(hào)主機(jī)，機(jī)車(chē)信號(hào)主機(jī)解碼地面信號(hào)機(jī)狀態(tài)的同時(shí)把相關(guān)信息傳送給LKJ系統(tǒng)，LKJ系統(tǒng)根據(jù)地面信號(hào)機(jī)狀態(tài)采取相應(yīng)的速度控制信息。滿足機(jī)車(chē)專業(yè)關(guān)于信號(hào)相關(guān)業(yè)務(wù)的學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)要求。信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備形態(tài)認(rèn)知、構(gòu)成及工作原理教學(xué)通過(guò)系統(tǒng)配備的地面信號(hào)設(shè)備（信號(hào)發(fā)碼器、軌道）、機(jī)車(chē)信號(hào)設(shè)備（機(jī)感線圈、機(jī)車(chē)信號(hào)主機(jī)、八顯示信號(hào)機(jī)）對(duì)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備形態(tài)、構(gòu)成、工作原理進(jìn)行認(rèn)知教學(xué)。

3.6 信號(hào)與列控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)

應(yīng)用配備的安全裝備實(shí)訓(xùn)臺(tái)，設(shè)置不同信號(hào)，通過(guò)操作LKJ2000監(jiān)控裝置仿真設(shè)備了解信號(hào)在列控系統(tǒng)中的作用，掌握不同信號(hào)對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行的影響。

3.7 列車(chē)尾部安全防護(hù)裝置

列車(chē)尾部安全防護(hù)裝置是保證列車(chē)運(yùn)行的重要安全裝置，主要包括列車(chē)機(jī)車(chē)控制部分和列車(chē)尾部主機(jī)部分，主要作用用包括列車(chē)尾部風(fēng)壓查詢、自動(dòng)報(bào)警、尾部風(fēng)壓排風(fēng)輔助制動(dòng)等功能。系統(tǒng)設(shè)備形態(tài)、構(gòu)成及工作原理教學(xué)通過(guò)行車(chē)安全裝備展示柜通過(guò)靜態(tài)設(shè)備展示和三維教學(xué)兩種方式，對(duì)列車(chē)尾部安全防護(hù)裝置的系統(tǒng)組成、設(shè)備形態(tài)、工作原理進(jìn)行認(rèn)知教學(xué)。

基本操作實(shí)訓(xùn)通過(guò)安全裝備臺(tái)上的CIR電臺(tái)，結(jié)合三維情況掌握查詢列車(chē)尾部風(fēng)壓數(shù)據(jù)操作以及實(shí)施操作的條件時(shí)機(jī)；掌握使用列尾裝置進(jìn)行輔助排風(fēng)制定的操作以及操作的時(shí)機(jī)；掌握列尾裝置故障不能使用或丟失時(shí)的處置辦發(fā)[3]。

4 實(shí)訓(xùn)室建設(shè)成效

本研究以提高職業(yè)院校鐵道機(jī)車(chē)專業(yè)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生技能水平為目標(biāo)，滿足職業(yè)院校學(xué)生自主學(xué)習(xí)和多樣化學(xué)習(xí)的需求，整體提升職業(yè)教育人才培養(yǎng)水平和質(zhì)量。能有效解決院校硬件設(shè)備不足的問(wèn)題。可開(kāi)展的實(shí)訓(xùn)有：《行車(chē)安全操作》、《機(jī)車(chē)非正常行車(chē)實(shí)訓(xùn)》等，可在此實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行《電力機(jī)車(chē)運(yùn)用與規(guī)章》課程理實(shí)一體化教學(xué)，完成學(xué)生模擬練習(xí)與理論答題闖關(guān)，以及其他課程的相關(guān)課內(nèi)實(shí)踐項(xiàng)目。同時(shí)本建設(shè)方案還可以開(kāi)展社會(huì)服務(wù)，如校企合作員工技能培訓(xùn)、與相關(guān)企業(yè)共同完成機(jī)車(chē)操作、司機(jī)崗位技能鑒定等社會(huì)服務(wù)功能。