接觸網(wǎng)作業(yè)仿真教學(xué)系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

劉小勇

摘要：接觸網(wǎng)是鐵路架設(shè)的一條供電線路，由于電壓等級高等現(xiàn)實條件，在真實接觸網(wǎng)上進行作業(yè)訓(xùn)練操作是不可能的。在虛擬現(xiàn)實背景下，仿真接觸網(wǎng)作業(yè)具有重要意義。接觸網(wǎng)作業(yè)仿真教學(xué)系統(tǒng)既使傳統(tǒng)教學(xué)形象化，又將作業(yè)規(guī)范化，有利于職業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)。文章對接觸網(wǎng)作業(yè)仿真系統(tǒng)需求進行了分析，提出了具體的實現(xiàn)方法。典型教學(xué)任務(wù)包括接觸網(wǎng)漫游與圖紙教學(xué)等具體的基本知識的講解，典型教學(xué)任務(wù)的教學(xué)主要通過視頻播放的形式實現(xiàn)。典型作業(yè)任務(wù)演練的目的是規(guī)范接觸網(wǎng)作業(yè)流程和提升學(xué)生的技術(shù)技能，主要通過事件管理等方法實現(xiàn)。文章最后展示了接觸網(wǎng)作業(yè)仿真教學(xué)系統(tǒng)仿真效果。

關(guān)鍵詞：仿真；教學(xué)與演練；視頻播放；事件管理

中圖分類號：TP311.1 ?文獻標志碼：A

0 引言

接觸網(wǎng)是在電氣化鐵道中，沿鋼軌上空“之”字形架設(shè)的、向電力機車供電的特殊形式的輸電線路［1］。接觸網(wǎng)是鐵路電氣化工程的主構(gòu)架，它對機車的運行起著重要作用［2］。

接觸網(wǎng)電壓等級高，額定電壓為27.5 kV，長期處于運行狀態(tài)，停電用于教學(xué)演練或參觀，那是根本不可能的。接觸網(wǎng)作為機車提供動力的專屬設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件多，價格昂貴，建立一段完整的真實接觸網(wǎng)用于學(xué)習(xí)培訓(xùn)，往往是不現(xiàn)實的。因此開發(fā)一套接觸網(wǎng)作業(yè)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，可以解決一系列現(xiàn)實條件下無法解決的問題。同時高職院校采用仿真教學(xué)系統(tǒng)，有利于規(guī)范學(xué)生的操作流程與行為習(xí)慣，對相關(guān)專業(yè)學(xué)生的技術(shù)技能的提升將具有重要意義。

1 接觸網(wǎng)仿真教學(xué)系統(tǒng)具體需求分析

接觸網(wǎng)作業(yè)仿真教學(xué)系統(tǒng)旨在實現(xiàn)接觸網(wǎng)作業(yè)過程的仿真教學(xué)。（1）應(yīng)該對接觸網(wǎng)現(xiàn)場作業(yè)內(nèi)容進行歸納總結(jié)，以便更好地對教學(xué)內(nèi)容進行仿真。（2）為了達到與接觸網(wǎng)現(xiàn)場教學(xué)相同的效果，接觸網(wǎng)作業(yè)仿真教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)對某一段真實接觸網(wǎng)進行三維虛擬仿真。（3）為更方便地實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)，系統(tǒng)應(yīng)具有教師工作站與學(xué)生工作站。

教師工作站主要功能列表應(yīng)有培訓(xùn)任務(wù)的分配、學(xué)員注冊管理與學(xué)員成績管理功能、實訓(xùn)考核管理、考核任務(wù)配置管理、考試成績管理、接觸網(wǎng)試題庫管理、接觸網(wǎng)部件配置管理、接觸網(wǎng)零件信息管理、接觸網(wǎng)檢修任務(wù)演練管理、接觸網(wǎng)部件組裝演練管理、接觸網(wǎng)多場景加載管理、反饋意見管理、數(shù)據(jù)庫備份、日志管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)幫助、授權(quán)管理等內(nèi)容。

學(xué)員工作站則具體完成3D仿真教學(xué)系統(tǒng)的實現(xiàn)。當學(xué)員工作站接收到教師工作站發(fā)過來的教學(xué)任務(wù)后，在本地教學(xué)工作站系統(tǒng)中進行具體教學(xué)任務(wù)的加載，即加載具體的教學(xué)演練操作任務(wù)。

同時，教師工作站與學(xué)員工作站通過通信軟件將仿真平臺中各個仿真系統(tǒng)連接起來，形成既相對獨立又相互聯(lián)系的有機整體。

2 接觸網(wǎng)作業(yè)仿真教學(xué)系統(tǒng)功能框架設(shè)計

在接觸網(wǎng)相關(guān)課程的分析研究后，本仿真系統(tǒng)設(shè)計為15個實訓(xùn)任務(wù)。學(xué)員須花費總時長至少為48學(xué)時。在每一個實訓(xùn)任務(wù)中，在掌握相應(yīng)知識后，開展對應(yīng)知識部分的演練和考核實訓(xùn)。根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容的需要，教學(xué)系統(tǒng)分教學(xué)模式與演練模式進行，具體教學(xué)與演練內(nèi)容在學(xué)生端功能界面下完成。教學(xué)模式下主要完成接觸網(wǎng)圖紙教學(xué)、接觸網(wǎng)典型線路漫游、接觸網(wǎng)作業(yè)流程教學(xué)等；演練模型下主要完成接觸網(wǎng)部件認知和部件打散、接觸網(wǎng)工具認知與使用、接觸網(wǎng)常見檢修演練、接觸網(wǎng)常見部件組裝、接觸網(wǎng)故障與搶修、接觸網(wǎng)理論知識考核等。整個接觸網(wǎng)仿真教學(xué)功能框架設(shè)計如圖1所示。在教學(xué)模式下，主要內(nèi)容有接觸網(wǎng)仿真漫游、接觸網(wǎng)圖紙教學(xué)、接觸網(wǎng)作業(yè)流程、接觸網(wǎng)常見故障，采用視頻教學(xué)的形式進行。演練模式下，可以進行相應(yīng)的模擬操作，整個系統(tǒng)功能框架如圖1所示。

3 接觸網(wǎng)仿真教學(xué)系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 教師端的實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要由仿真表現(xiàn)、數(shù)據(jù)設(shè)備單元和邏輯計算機單元組成，教師端充當邏輯計算機單元，負責(zé)軟件的啟動、運行和系統(tǒng)退出邏輯管理。軟件啟動時，將完成學(xué)生端初始化系統(tǒng)環(huán)境、初始化3D運行環(huán)境。用戶管理主要負責(zé)教師與學(xué)生的賬號密碼的添加、修改、刪除與確認。用戶信息管理通過Acess數(shù)據(jù)庫進行管理。任務(wù)分配通過網(wǎng)絡(luò)向?qū)W生進行發(fā)送，也可采用代理服務(wù)器（ClientServer）方式，實現(xiàn)教員系統(tǒng)與學(xué)員之間通信，教師能監(jiān)視與控制學(xué)生機，對教學(xué)任務(wù)進行布置，學(xué)生機能呼叫教師機。

3.2 學(xué)生端教學(xué)模式的實現(xiàn)

學(xué)生端教學(xué)模式主要通過視覺系統(tǒng)、三維仿真效果來實現(xiàn)，學(xué)生端教學(xué)模式的實現(xiàn)相對來說比較容易，可以通過數(shù)學(xué)視頻技術(shù)，將視頻數(shù)據(jù)以數(shù)字數(shù)據(jù)的文件進行存儲，當學(xué)生進行點擊時，通過事件響應(yīng)函數(shù)，對數(shù)據(jù)文件通過數(shù)字視頻播放器進行播放。該技術(shù)視頻效果相對較為清晰，視頻教學(xué)模式開發(fā)的主要工作集中在視頻的錄制、主要課程的規(guī)劃和教學(xué)內(nèi)容的提取。

3.3 演練模式的實現(xiàn)

高速鐵路接觸網(wǎng)作業(yè)仿真專家系統(tǒng)演練模式的實現(xiàn)，首先通過采用3D軟件對接觸網(wǎng)設(shè)備建立各設(shè)備的模型、依據(jù)接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，采用Visual Studio（以下簡稱VS）的opengl對3D模型進行導(dǎo)入顯示。然后在VS下編寫事件響應(yīng)程序，實現(xiàn)仿真作業(yè)的功能。實現(xiàn)典型任務(wù)與工具庫、設(shè)備模型庫相關(guān)聯(lián)，當點擊典型任務(wù)時，彈出模型庫、工具庫，通過用戶選擇，完成典型工作任務(wù)。在任務(wù)中，遇到錯誤或問題，能進行提示和糾正。同時對任務(wù)的完成情況、工具、模型進行3D動畫效果展示，讓學(xué)員能感受與現(xiàn)場一樣的真實場景效果。

3.4 仿真場景的建立

虛擬現(xiàn)實場景的呈現(xiàn)是三維仿真視景技術(shù)建立，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)由三維仿真視景技術(shù)建立，同時將地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)生成，其結(jié)構(gòu)表示為：

Struct Terrain

float x，y，z；

float s，t；

float norx，nory，norz；

x，y，z 為模型頂點在三維空間直角坐標。X，Y分別表示水平的兩坐標軸，Z表示垂直的坐標軸，以X、Y軸形成的水平面表示地形橫斷面，Z軸表示地形的縱向深度或者高度［2］。地形數(shù)據(jù)以二維數(shù)組m_Terrain進行表示，數(shù)值為250×250，然后應(yīng)用柏林噪聲方法由水平坐標（x，y）對應(yīng)自動生成垂直坐標的z值［3］。

3.5 視頻教學(xué)的播放

視頻教學(xué)內(nèi)容主要采用視頻播放的形式進行，當單擊各類普鐵接觸網(wǎng)常見故障時，進入到各類普鐵接觸網(wǎng)常見故障視頻播放界面。視頻教學(xué)的播放，主要采用Windows Media Player控件來實現(xiàn)，Windows Media Player控件的主要屬性函數(shù)的使用方法如表1所示。

視頻播放的函數(shù)部分代碼如下：

void PlayDlg：：OnPlay（）

CFileDialog fDlg（TRUE，""，""，OFN_HIDEREADONLVOFN_OVERWRITEPROMPT，"AVI*.avi"，this）;

if（fDlg.DoModal（）==IDOK）

{CString path=fDlg.GetPathName（）;

m_MediaPlay.Open（path）;? //m_MediaPLay為windows media pLayer的實例化對象

}

接觸網(wǎng)作業(yè)仿真教學(xué)系統(tǒng)在教師端能監(jiān)視與控制學(xué)生機，對教學(xué)任務(wù)進行布置，學(xué)生機能呼叫教師機。學(xué)生端可實現(xiàn)全景漫游、故障巡檢、工區(qū)漫游、互動教學(xué)、成績查看等多項功能。因此，本系統(tǒng)開發(fā)須基于網(wǎng)絡(luò)模式，可實現(xiàn)多學(xué)員同時進行虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)活動。同時平臺突出教學(xué)課件和三維系統(tǒng)交互，讓接觸網(wǎng)的每個設(shè)備、故障巡檢模式、檢修規(guī)程等學(xué)習(xí)變得生動形象，充分發(fā)揮教師制作課件的靈活性和學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性。

4 圖像效果展示

建立的3D接觸網(wǎng)零部件模型，可以直觀地向?qū)W生展示接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其效果如圖2所示。

進入組裝演練界面。部分組裝演練界面如圖3所示。

5 結(jié)語

本文針對接觸網(wǎng)作業(yè)仿真教學(xué)系統(tǒng)需要實現(xiàn)的主要功能，探討了具體實現(xiàn)方法。其實現(xiàn)后能解決接觸網(wǎng)學(xué)習(xí)者不能在現(xiàn)場接觸接觸網(wǎng)現(xiàn)場設(shè)備的難題。同時也為學(xué)校與學(xué)生提供一個廉價的接觸網(wǎng)學(xué)習(xí)平臺。同時使用接觸網(wǎng)作業(yè)仿真專家系統(tǒng)，有利于規(guī)范接觸網(wǎng)學(xué)習(xí)者的操作流程，養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)。本文設(shè)計方案最主要的優(yōu)點是教學(xué)形象具體。高速鐵路接觸網(wǎng)作業(yè)仿真專家系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)將建設(shè)一個與高速鐵路真實接觸網(wǎng)一樣、接觸網(wǎng)學(xué)習(xí)者能夠身臨其境感受的虛擬場景。在此場景下，教學(xué)將形象化、具體化，脫離了枯燥乏味的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式。

因此在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的大背景下，對高速接觸網(wǎng)作業(yè)進行虛擬仿真，可以解決一系列現(xiàn)狀條件下難以解決的問題，具有重要意義。

參考文獻

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（編輯 李春燕）

Research and implementation of catenary operation simulation teaching system

Liu? Xiaoyong

（Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou 412001， China）

Abstract： The catenary is a power supply line erected along the railway. Due to the high voltage level， it is impossible to be used for operation training on the real catenary. Under the background of the virtual reality， the simulation of catenary operation is of great significance. The catenary operation simulation teaching system not only visualizes the traditional teaching， but also standardizes the operating regulation， which is advantaged to the cultivation of professional quality. In this paper， after analyzing the requirements of catenary operation simulation system， specific implementation methods are proposed. The main typical teaching tasks mainly include the explanation of specific basic knowledge such as catenary roaming and drawing teaching. The teaching of typical teaching tasks is mainly realized through video playing. The purpose of typical operation task drill is to standardize the operation process of catenary and improve students’ technologies and skills. The typical operation task training is mainly achieved through event management and other methods. At the end of this paper， the simulate effection of catenary operation simulation system is shown.

Key words： simulation; teaching and exercise; video broadcast; event management