基于VR技术的计算机联锁虚拟仿真系统的研究

都淑明

一、概述

近年来，我国铁路行业发展迅猛，截至2016年底，全国铁路运营里程达12.4万千米，其中高速铁路2.2万千米以上，占世界高速铁路总里程的60%以上。同时，铁路技术也快速发展，铁路信号设备不断地更新换代。为适应高速铁路大面积投入实际运营的需要，铁路企业对铁路信号工提出了全新的要求，需要大量掌握高新技术的高技能人才。

虚拟仿真技术（Virtual Reality）是近年来出现的高新技术之一，该技术能够产生一个与真实环境高度近似的虚拟数字化环境，用户可以对虚拟环境中的对象进行交互操作，并能从中得到必要的反馈，从而让用户获得如同在对应真实环境中一样的体验。随着虚拟仿真技术在国内外的发展日趋成熟，该技术已经被广泛运用到各个领域，并且取得了良好的效果。

二、目前教学遇到的困难

铁道信号专业的毕业生主要从事铁路信号设备的检修、维护等工作，在教学中需要讲授专业设备的组成结构、作用和工作原理，以及设备在实际应用过程中的检修、故障处理等内容。铁路信号设备种类多、体积大、原理复杂，所以有的授课内容难以理解。一般采用文字加图片的方式进行课堂讲授，学生的学习兴趣不高，缺乏主动性，教学效果一般。铁道信号专业的实训设备种类多、造价高，在现有的条件下将现场实际设备完整地搬进学校是不可能的。校内实训基地场地有限，有的信号设备体积庞大，普通的实训场地无法容纳。因此，铁道信号专业的校内实训设备一般来自铁路现场退役或报废的设备。这些设备数量有限、技术落后，导致学校实训内容难以系统化，学生无法整体认知铁路信号系统。铁道信号专业的校外实践一般要到铁路电务段、铁路车站等单位进行，这些单位是铁路运输的关键部门，出于安全生产和交通正常运行的考虑，通常能为职业院校提供的实践教学机会较少。

三、 虚拟仿真的特点

目前，越来越多的高校认识到单纯依靠实训设备无法解决日益增长的实训需求，虚拟仿真技术在实训教学中的优势越来越明显，在实训教学中虚拟仿真技术具有以下特点：①基于虚拟仿真技术构建的实训环境方便、易用，而且占用的教学场地很少，可构建在校园内无法建设的实训室，大大地降低了实训教学的成本；②虚拟仿真系统可实现情境式教学、互动式教学等多种教学方式，能够激发学生的兴趣，让学生主动学习，教学效果显著；③虚拟仿真系统能够根据现场发展动态随时更新，最大限度地降低了购置铁路信号实训设备、设施的投入资金。同时，教学内容也可以不断更新，使实践训练能够及时跟上现场技术的发展，让学生学习的内容与铁路现场结合更为紧密；④虚拟仿真系统可以使学生沉浸在“真实的”虚拟环境中，与虚拟环境进行各种交互，让学生针对某个知识点反复练习，从而可以深化概念，巩固基础知识，强化实践技能。

四、 虚拟仿真系统设计

针对专业教学内容，本课题提出了铁路信号计算机联锁虚拟仿真系统的设计方案。运用Unity3D技术，有效整合DS6-K5B计算机联锁系统的结构和工作原理，运用二维、三维结合的形式和较强的虚拟仿真技术进行互动仿真表达。该虚拟仿真系统为铁道通信信号相关专业学生提供了直观、逼真的铁路信号现场工作场景和完整的虚拟操作过程，按照铁路信号专业人才培养方案的要求，将学生所学专业知识与实际操作相结合，运用学习的专业基础知识指导实践。该系统为专业教学提供了较好的虚拟互动平台，增强了学生的学习兴趣，提高了学生的实际动手能力，降低了專业教学成本。虚拟仿真系统的总体功能如上图所示。

计算机联锁虚拟仿真系统主要包括设备认知、虚拟操作、故障检修以及人机交互四个功能。设备认知部分主要包括DS6-K5B型计算机联锁系统的相关基础知识，属于学习者应知应会的内容，主要包括控制台、控显机、监测机、联锁机、电子终端、继电器接口电路和电源等设备的认知。通过控制鼠标键盘，可从不同角度观看设备模型，展示其组成部件之间的连接关系，并介绍其相应的作用和工作原理，能够让学习者对设备有整体的认知与了解。虚拟操作部分主要包括对主要计算机联锁系统的拆解、组装以及特性测试等操作，通过对鼠标键盘的控制，按照设备拆装维护的步骤对设备及其部件进行操作，既能让学习者掌握并深入理解设备的原理及组成，还能提高其实际动手操作能力。故障检修部分主要包括计算机联锁系统的日常检修、联锁试验和故障处理等内容，学习者可以根据已掌握的联锁知识，在虚拟仿真系统中进行联锁试验，进一步巩固联锁的概念。并且，虚拟仿真系统模拟现场一些常见故障，学习者可以完全按照现场的作业流程进行故障处理练习。同时，学习者还有机会在仿真的工作场景中，完成计算机联锁系统的日常检修工作。虚拟培训系统必须有完善的人机交互功能，通过设置鼠标、键盘的交互控制功能，实现系统场景的场景切换功能和漫游巡视功能，学习者可以在学习过程中身临其境地观察设备的工作状态及虚拟动作。

五、 结束语

在虚拟仿真技术基础上设计的计算机联锁虚拟仿真系统能够系统、完整、真实地模拟现场实际设备，大大降低了教学成本，改善了教学效果。在未来的专业教学中，根据现实条件将虚拟教学与传统教学有机地融合在一起，可使虚拟教学不断克服专业教学中的难题，最大限度地利用教学资源，达到与传统教学的良好兼容。

参考文献：

[1]穆中华，李丽兰.客运专线计算机联锁仿真系统的开发[J].城市轨道交通研究，2012（1）：75-79.

[2]李永亮，徐茂生.车站信号计算机联锁设备仿真测试系统研究[J].铁路计算机应用，2016，15（1）：4-6.