VR 技術在鐵路編組站調車作業培訓中的應用

宋大同

（中國鐵路北京局集團有限公司 豐臺西站，北京 100055）

在鐵路運輸生產中，鐵路編組站調車作業的安全問題較為突出，一線工作人員在培訓中存在容易受傷的情況。造成這種情況的原因不僅有作業模式、作業制度等因素，也有鐵路職工業務培訓的問題[1]。傳統的鐵路調車作業培訓存在效果不佳、安全性低、方式不先進等問題[2]，而虛擬現實（VR，Virtual Reality）技術能夠對現實環境進行創建和仿真，使人可以沉浸在現實環境中進行交互。將VR 技術應用于鐵路編站組調車作業培訓可以有效彌補傳統的鐵路調車作業培訓所存在的不足，提高了調車作業工作人員培訓效果，達到了培訓目的。

本文將VR 技術與鐵路編組站調車作業培訓相結合，針對鐵路調車作業內容，搭建了一套基于VR 技術的鐵路編組站調車作業認知與操作實驗平臺——鐵路編組站調車作業培訓平臺（簡稱：VR 培訓平臺）。

1 培訓思路

1.1 崗前培訓

新入路的調車作業工作人員在進入鐵路編組場作業區前，需要先進行崗前培訓。崗前培訓采用課堂授課與VR 培訓平臺相結合的形式，利用課堂講授鐵路的基礎知識，再使用VR 培訓平臺的漫游功能，使新入路的調車作業工作人員沉浸式地學習鐵路技術設備及鐵路編組站的作業流程。在完成崗前培訓的安全知識課程后，新入路調車作業工作人員使用VR 培訓平臺進行安全知識測試，測試合格后才能進入鐵路編組站作業現場。本文以中國鐵路北京局集團有限公司豐臺西站（簡稱：豐臺西站）為例，介紹VR 培訓平臺的功能和相關流程。

1.2 常規培訓

VR 培訓平臺可以提供鐵路編組站調車作業的常規培訓，完成標準化演練、非正常調車作業場景的虛擬再現。同時，VR 培訓平臺還提供考試功能，來完成調車作業工作人員崗位資格性和適應性培訓。

2 設計方案

2.1 主要界面

2.1.1 管理界面

VR 培訓平臺的管理界面，如圖1 所示，由5 個模塊組成，主要提供系統管理功能和培訓練習管理功能。系統管理模塊體現系統的管理功能，主要提供用戶（學員、管理員）的注冊和權限設置，其中，學員用戶為使用該系統的調車作業工作人員，管理員用戶為調車作業管理部門的相關領導。培訓練習管理功能包括設備資源庫查詢系統、豐臺西站場景漫游系統、調車作業培訓練習系統和考試系統，主要提供面向學員用戶的多種練習模式、練習記錄查詢；面向對于管理員用戶的調車作業工作人員練習項目及次數記錄、練習過程監控，以及成績導出匯總等功能[3]。

圖1 VR 培訓平臺的管理界面

2.1.2 設備資源庫界面

設備資源庫存儲了鐵路編組站車務系統作業設備的基本信息。用戶可以在設備資源庫中查詢到所存儲的設備信息，其中，設備信息包括設備照片和文字介紹。

2.1.3 漫游界面和實操練習界面

在VR 培訓平臺的漫游界面中，用戶可以瀏覽鐵路編組站所有的作業場景，如圖2 所示。為了便于學員用戶快速到達目標作業場區，VR 培訓平臺設計了位置導航功能，其界面如圖3 所示。以豐臺西站為例，導航窗口包括豐臺西站各作業場區的位置選項。當學員用戶選擇某個目標作業場區時，漫游界面會自動跳轉到相應的作業場區，從而使學員用戶的學習效率得到提高。

圖2 VR 培訓平臺的漫游界面作業場景

圖3 VR 培訓平臺的位置導航界面

2.2 培訓內容

VR 培訓平臺的培訓內容主要包括調車作業的正常場景練習、非正常場景練習和考核3 部分，其中，調車作業的練習以引導、虛擬操作和警示為主。在每一步虛擬操作前，VR 培訓平臺會提示下一步應該做什么，以及如何做，以使學員用戶養成按標準進行調車作業的習慣[4]。

VR 培訓平臺正常調車作業場景主要有3 種：（1）面向制動員的單掛車編組作業場景；（2）面向連結員的多掛車編組作業場景；（3）面向調車長的多掛車編組作業場景。

VR 培訓平臺非正常調車作業場景包括車輛溜逸場景。

VR 培訓平臺考試系統包含上述所有場景。

2.2.1 正常調車作業場景

本文以豐臺西站為例，對VR 培訓平臺正常調車作業場景的練習流程進行介紹。

2.2.1.1 面向制動員的單掛車編組作業場景

面向制動員的單掛車編組作業練習的具體流程如圖4 所示。單掛車編組即該批調車作業需要編組的所有車輛集結在同一股道內[5]，不需要進行額外甩掛的編組作業。

圖4 面向制動員的單掛車編組作業練習流程

VR 培訓平臺面向制動員的單掛車編組作業練習流程關鍵點如下。

（1）判斷學員用戶入場作業是否走固定徑路，橫越線路前是否執行“一站立、二指看、三通過”制度[5]。若有違規行為，VR 培訓平臺出現由車輛撞擊所造成的人身傷害效果。

（2）判斷學員用戶是否按照調車作業計劃進入正確的股道作業。若有違規行為，VR 培訓平臺顯示系統提示進入錯誤股道，并返回上一步。

（3）判斷學員用戶在作業過程中是否侵入限界，其中，限界包括進入鉤當、車端部、車底、臨線等。若有違規行為，VR 培訓平臺顯示由車輛撞擊所造成的人身傷害效果。

（4）當學員用戶選擇“同意掛車”時，判斷學員用戶是否檢查完全部車輛的連掛狀態、貨物裝載狀態等。若未檢查完，VR 培訓平臺提示車輛未檢查完畢錯誤。

（5）當學員用戶處理“懟鉤”時，判斷學員用戶是否使用“紅鍵鎖閉”進入鉤當作業。若未使用，VR 培訓平臺顯示由車輛撞擊所造成的人身傷害效果。

（6）當車列牽出試拉時，判斷該車列是否全部連掛妥當。若未連掛妥當，VR 培訓平臺返回掛車界面，繼續編組。

（7）判斷學員用戶選擇的扒乘車輛、扒乘時機是否正確。若選擇錯誤，VR 培訓平臺顯示由車輛撞擊所造成的人身傷害效果。扒乘車輛的選擇標準為車梯完好的棚車、敞車。扒乘車輛時機的選擇標準為車輛運行速度小于或者等于15 km/h。

（8）判斷學員用戶選擇的下車時機、地點是否正確。若選擇錯誤，VR 培訓平臺顯示由車輛撞擊所造成的人身傷害效果。下車時機的選擇標準為車輛運行速度≤20 km/h。下車地點的選擇標準為緩沖沙坑處。

2.2.1.2 面向連結員的多掛車編組作業場景

面向連結員的多掛車編組作業具體流程如圖5所示。多掛車編組作業即該批調車作業需要編組的車輛不在同一股道內，需要跨及多個股道進行車列編組[6]。

圖5 面向連結員的多掛車編組作業具體流程

VR 培訓平臺面向連結員的多掛車編組作業流程關鍵點如下。

（1）判斷學員用戶入場作業是否走固定徑路，橫越線路前是否執行“一站立、二指看、三通過”制度。若有違規行為，VR 培訓平臺出現由車輛撞擊所造成的人身傷害效果。

（2）判斷學員用戶是否按照調車作業計劃進入正確的股道作業。若有違規行為，VR 培訓平臺顯示系統提示錯誤，返回上一步。

（3）判斷學員學員用戶在作業過程中是否侵入限界。識別限界包括：進入鉤當、車端部、車底、臨線等[7]。若有違規行為，VR 培訓平臺顯示由車輛撞擊所造成的人身傷害效果。

（4）當學員用戶處理“懟鉤”、連結制動軟管時，判斷學員用戶是否使用“紅鍵鎖閉”進入鉤當作業。若未使用，VR 培訓平臺顯示由車輛撞擊所造成的人身傷害效果。

（5）判斷用戶選擇的扒乘車輛、扒乘時機是否正確。若選擇錯誤，VR 培訓平臺顯示由車輛撞擊所造成的人身傷害效果。扒乘車輛的選擇標準為車梯完好的棚車、敞車。扒乘車輛時機的選擇標準為車輛運行速度≤15 km/h[8]。

（6）當車列牽出折返時，判斷學員用戶是否指揮車列折返，按正確的信號機停車。若信號機不正確，VR 培訓平臺顯示系統提示錯誤，車列繼續運行。

（7）當推進車列連掛時，判斷學員用戶是否及時、正確地顯示“十、五、三車”距離信號。若信號未及時顯示或顯示錯誤，VR 培訓平臺出現由車輛超速連掛所造成的人身傷害效果[9]。

2.2.1.3 面向調車長的多掛車編組作業場景

面向調車長的多掛車編組作業具體流程如圖6所示。調車長作為調車指揮人員[10]，對班組作業的安全和效率起著至關重要的作用[11]。

圖6 面向調車長的多掛車編組作業具體流程

VR 培訓平臺面向調車長的多掛車編組作業流程關鍵點如下。

（1）判斷學員用戶入場作業是否走固定徑路，橫越線路前是否執行“一站立、二指看、三通過”制度[12]。若有違規行為，VR 培訓平臺顯示系統提示錯誤，并展示由車輛撞擊所造成的人身傷害效果。

（2）判斷機車入線掛車是否執行“四不掛”原則。若有違規行為，VR 培訓平臺顯示系統提示錯誤。“四不掛”的判定標準為：車輛未檢查完不掛、人不齊不掛、車不齊不掛、壓三部位不掛。

（3）當學員用戶指揮機車連掛時，判斷學員用戶是否及時發出信令。若學員用戶未及時發出信令，系統顯示車輛撞擊的人身傷害效果。信令及時發出的判斷標準為系統模擬的組員在3 s 內發出相關信令。

（4）當需壓軌道絕緣牽出車列時，判斷學員用戶是否及時呼叫行車樓。呼叫及時的判斷標準為學員用戶發送“牽出”信令前。若學員用戶未及時呼叫行車樓，系統提示錯誤并返回上一步。

2.2.2 非正常調車作業場景

調車作業的非正常情景是傳統的培訓形式無法實現的，而這恰好是調車作業人員最需要培訓的內容。VR 培訓平臺將VR 技術與鐵路編組站調車作業培訓相結合，對非正常調車作業場景進行建模，搭建虛擬場景，使調車作業工作人員能夠在非正常調車作業的虛擬場景中進行沉浸式培訓，積累經驗[13]。

車輛溜逸屬于鐵路調車作業中常見的非正常場景。當發生車輛溜逸時，調車作業工作人員需要根據現場情況靈活果斷地進行處置。現今鐵路站段對于車輛溜逸的處置具體如下。

（1）當車輛溜逸發生時，在確保人身安全的前提下，調車作業工作人員應迅速采取各種可行的制動方法，使溜逸車輛盡快停下。

（2）當溜逸車輛無法停下時，調車作業工作人員應迅速使用無線電臺，向操縱助理值班員匯報情況，讓其將溜逸車輛前方的有關道岔開通至不能進入區間或接發列車進路的線路。

（3）當對溜逸車輛采取停車或減速措施時，調車作業工作人員要注意人身安全人身安全[5]。

在上述處理方法中，“采取各種可行的制動方法”為籠統概括，具體有哪些方法是可行有效且兼顧人身安全的？調車作業工作人員應該如何操作？這些才是調車作業工作人員真正應該在培訓中學習和掌握的。VR 培訓平臺通過VR 技術對非正常調車作業場景進行模擬，使學員用戶能夠身臨其境地進行操作、體會、思考，以在現場遇到類似情況時，能夠迅速妥當處置[4]。

本平臺以車輛溜逸為例，對非正常調車作業場景進行介紹。車輛溜逸場景模擬如圖7 所示。車輛溜逸以甩車（減軸）為例，被甩車輛的臨時停留采用鐵鞋防溜。《鐵路技術管理規程》規定，必須先采取防溜措施，然后摘開車鉤；但當車鉤處于拉伸狀態無法提開時，需要連結緩鉤，讓車鉤處于壓縮狀態后再提鉤。由于圖7 所示的被甩車輛緩鉤時仍插著鐵鞋，調車機司機很難掌握連結緩鉤的力度。當力度過大時，調車機司機的操作容易擠掉鐵鞋，從而發生車輛溜逸；力度過小時則無法達到緩鉤效果。

圖7 車輛溜逸場景模擬

本文以司機緩鉤力度過大而導致車輛溜逸的情況為例，介紹非正常調車作業場景流程，如圖8 所示的關鍵點，具體如下。

圖8 車輛溜逸調車作業流程

（1）當提鉤時，VR 培訓平臺判斷學員用戶是否已做好防溜措施。設置鐵鞋防溜的方法與標準：鐵鞋安插的位置應在被防溜車輛的兩端最外側車輪處，一位端、二位端各碼放一只；兩鞋尖對向擺放，且應貼緊車輪踏面，牢靠固定。擺放鐵鞋時，調車作業工作人員應使用手鉤。

（2）當車輛發生溜逸時，若學員用戶選擇使用鐵鞋阻止車輛繼續溜逸，VR 培訓平臺需要識別學員用戶是否人身安全，是否及時有效地采取措施。人身安全的判斷標準為學員用戶未與機車車輛接觸。措施有效的判斷標準為學員用戶在溜逸車輛擠岔前完成操作。

（3）對于經驗不足的學員用戶來說，使用鐵鞋的應急制動方法危險性大、操作難度大。此時，經驗不足的學員用戶用應及時通過無線電臺向操縱助理值班員匯報情況，讓其將溜逸車輛前方道岔開通至安全方向。若學員用戶在VR 培訓平臺未完成此操作，則平臺提示錯誤，顯示溜逸車輛擠岔沖突效果。措施有效的判斷標準為學員用戶在溜逸車輛擠岔前完成操作。

2.2.3 考試系統

當進入VR 培訓平臺的考試系統后，學員用戶可以選擇任意一個場景進行考試。考試系統界面如圖9 所示。在考試過程中，VR 培訓平臺將學員用戶做錯的內容在后臺進行記錄，并扣除相應分值。當考試結束后，VR 培訓平臺顯示用戶的最終得分和錯誤項點[14]。

圖9 考試系統界面

VR 培訓平臺考試系統的流程如圖10 所示。

圖10 VR 培訓平臺考試系統流程

3 優勢分析

3.1 增加非正常調車作業場景訓練

在傳統的鐵路編組站調車作業培訓中，對非正常調車作業場景的培訓只能停留在文本層面。而VR培訓平臺讓調車作業工作人員能夠身臨其境地進行培訓，對非正常調車作業場景進行體驗、操作，使其應急水平得到提高，彌補了傳統培訓的不足。

3.2 保障培訓質量標準

在鐵路編組站調車作業實操培訓中，缺乏經驗的調車作業工作人員（又稱：學員）通常會由經驗豐富的調車作業工作人員（又稱：師傅）進行指導。而師傅所傳授的作業方法、作業習慣、作業思維等往往對學員產生根深蒂固的影響，因此，師傅的業務水平很大程度上決定了調車作業實操培訓的質量。

學員人數的增多使師傅無法高質量地完成實操培訓。通過VR 培訓平臺對學員進行培訓，不僅可以讓學員掌握作業標準，還可以培養學員的安全意識和規范動作。VR 培訓平臺保障了培訓質量，也盡量地規避了人的因素對培訓的影響。

3.3 多樣化培訓形式

隨著計算機技術的發展，鐵路行業的管理系統也逐漸向智能化、便捷化轉變。VR 技術在鐵路編組站調車作業培訓的應用，不僅豐富了傳統的培訓形式及理念，增加培訓的內容，而且提高了培訓的靈活性，改善了調車作業實操培訓受條件限制的現狀。同時，VR 培訓平臺也激發了調車作業工作人員的學習興趣，提高了培訓質量[15]。

3.4 提高培訓安全性

在鐵路編組站調車作業實操培訓中，師傅往往采用邊干邊教的形式。對于缺乏經驗的學員來說，這種形式容易讓其產生緊張情緒。即使有師傅在旁邊保護，學員在參加實操培訓時也面臨一定的危險。VR 培訓平臺可以讓學員在絕對安全的環境下，提前熟悉調車作業場景和操作內容，掌握安全規范和動作要領。

4 結束語

本文提出了將VR 技術與鐵路編組站調車作業培訓相結合的思路，介紹了基于VR 技術的鐵路編組站調車作業培訓系統界面、功能模塊、培訓場景。VR 培訓平臺彌補了傳統鐵路調車作業培訓手段非正常場景缺失、培訓安全性差、培訓內容枯燥等不足，為其他工種的作業培訓提供了新思路。目前，VR 培訓平臺只支持用戶單機操作的模式，其他配合人員為電腦模擬，那么，未來將對不同崗位的多人同時在線配合操作模式進行研究。

基于VR 技術的鐵路編組站調車作業培訓系統是跨學科性質的研究，涉及了VR 技術、三維建模技術、培訓教育、鐵路編組站作業等諸多領域，因此在很多方面仍可以進行更深入的研究。