基于虛擬仿真技術的HXD1C機車仿真模擬 培訓考評系統的開發與應用

彭 毅 甄 昱 魏志勇

（1.甘肅省建設監理有限責任公司，蘭州 730070；2.中國鐵路蘭州局集團有限公司職工培訓中心天水機務培訓基地， 天水 741020；3.中國鐵路蘭州局集團有限公司迎水橋機務段，中衛 755000）

1 技術背景

目前，機車乘務員的非正常行車應急處置培訓工作以理論培訓為主，結合實訓場地，運用車間整備線扣車進行培訓。由于發生非正常行車應急處置事件的原因和條件復雜[1]，且這種培訓形式受場地、氣候以及其他安全因素等影響，不能達到高質量的培訓效果，且頻繁扣車會影響運輸生產任務的完成。

虛擬仿真技術是多學科結合的成果，其中包括計算機相關技術、多媒體技術、計算機圖像圖形技術以及人機交互技術等，利用計算機模擬三維虛擬空間以及視覺、聽覺等感官，實現了具有交互感和沉浸感的用戶體驗[2]。本文運用虛擬仿真技術彌補了傳統非正常行車培訓的不足，提高了培訓效率，減少了培訓費用，且不影響正常的運輸生產任務。

2 系統需求分析

本文以HXD1C型機車為研究對象，針對HXD1C型機車的技術特點和使用要求，開發了一種虛擬培訓考評系統。系統采用交互式體驗的三維動態仿真模擬操作，提供直觀、清晰和簡捷的培訓環境，使機車乘務員能夠熟練掌握HXD1C型機車在運行過程中遇到非正常行車情況時的處置流程，并通過對中國鐵路蘭州局集團有限公司機務部門的實際需求調研，確定了如弓網故障時的應急處置等20種非正常行車應急處置類型。

3 系統架構

3.1 系統設計思想

HXD1C機車仿真模擬培訓考評系統根據功能需求采用客戶機/服務器（Client/Server，C/S）架構。系統設計完成后采用.exe可執行文件發布[3]，安裝完成后單機運行。本系統選用Unity3D作為開發平臺，使用3ds Max等建模工具構建模型進行優化處理。

3.2 系統架構設計

HXD1C機車仿真模擬培訓考評系統由系統門戶、核心功能模塊和數據管理3部分構成[4]。系統門戶集成了系統門戶、用戶注冊和用戶登錄3個功能，是系統的展現層。核心功能包括教學、考試和成績存儲3個功能，執行20種教學和考評非正常行車應急處置虛擬仿真模塊與成績查詢功能，是系統的邏輯層。數據管理是用戶信息、核心功能模塊和成績查詢及存儲的橋梁，是系統的數據鏈路層。

4 系統功能實現

4.1 構建模型

系統需要對HXD1C機車、車輛、車站、區間線路和地面設備等構建模型。其中，車站規模為2臺4線，具體構建了站房、站場、軌道、站臺和地面設備。利用3ds Max軟件構建模型，構建模型的資源是現場實地拍攝及相關的技術資料。模型按照真實環境中的實物進行建模，能夠反映現場的運行環境[5]。

4.2 非正常行車處置流程設計

本系統依據《行規》《技規》及其他相關規范，對20種非正常行車處置流程進行設計，并按照規范設置非正常現象。以單機在自動閉塞區間緊急停車的應急處置為例，單機在自動閉塞區間緊急停車的應急處置流程設計如表1所示。

表1 單機在自動閉塞區間緊急停車的應急處置流程設計

4.3 系統模式選擇

針對系統培訓的要求，系統中設置了考試、教學和成績查詢3種功能模式。在考試模式中，根據需要自行選擇相應的考試模塊。在該模式中，系統能夠自動完成考評功能。測評時，系統中只要考評過程中有一項操作不合格，最終的考評結果即為不合格。在教學模式，它可根據需要自行選擇相應的教學模塊。該模式提供引導性操作，使得機車乘務員能夠快速掌握非正常行車處置流程。在成績查詢模式中，系統提供成績查詢功能。

4.4 系統交互實現

系統中以第一人稱視角進行操作，實現虛擬漫游。系統交互有使用鼠標點擊操作設備和使用鼠標點擊UI界面上的按鍵兩種方式實現。相應的操作可進入對應的場景，如圖5所示。

圖5 系統交互操作截圖

5 結語

運用虛擬仿真技術，針對HXD1C型機車運行過程中遇到非正常行車應急處置情況，開發了培訓考評系統，可將理論規范轉化為虛擬場景仿真。目前，該系統已在中國鐵路蘭州局集團有限公司3個機務段使用，能夠使機務乘務員在仿真環境中演練非正常行車應急處置流程，并進行考核分析。該系統為機務非正常行車應急處置提供了新的培訓模式，改變了傳統的培訓形式，具有極強的推廣價值。