高速铁路教学培训虚拟仿真平台研究与实现

冯 博 王 甜

（石家庄铁路职业技术学院1) 河北石家庄 050041石家庄轨道交通有限公司运营分公司2) 河北石家庄 050035）

1 引言

随着我们高速铁路快速发展、“一带一路”战略的实施、现代学徒制的探索与实践以及大国工匠精神的弘扬，人们对高速铁路的认知度及国家对铁路人才的需求量逐步增大，然而通过铁道博物馆等场所普及铁路知识，以及大中专铁路院校、铁路运营施工单位通过传统的书本教育教学理念，己不能满足新形势下对铁路人才培养的要求。所以，运用计算机辅助设计、VR（虚拟现实）仿真及AR（增强现实）技术全面构建出铁路接近真实的运输工程环境，从而建立集科普、教学、培训、职业技能鉴定于一身的多功能教育培训系统已迫在眉睫。

因此，我院联合深圳量子引擎科技有限公司联合研发了一套全新的高速铁路综合教育教学平台，将传统科普教育形式与计算机虚拟仿真技术结合，既保障了传统铁路电子沙盘的优点，又将互联网、人工智能技术应用到铁路教育行业，充分迎合了“互联网+”公共服务的设计思路。平台学习资源丰富，可直观的展示铁路的运行场景，虚拟仿真铁路运营单位工种的工作流程，能满足人们对铁路的科普认知、铁路相关课程教学、技术培训等需求。

2 高速铁路教学培训虚拟仿真平台简介

高速铁路教学培训虚拟仿真平台包括以下几部分：电子沙盘主体、牵引供电系统、驱动采集系统、联锁控制系统、无线遥控机车系统以及VR虚拟现实和AR增强现实系统。平台以铁路电子沙盘实物模拟动态展现，如图1所示，在基于现场的沙盘缩略模型上，构建铁路供电、信号、道岔、轨道电路、机车、车辆等实物对象，通过通信系统、信号控制系统、列车控制系统等实现对各对象的动态仿真过程，并运用计算机辅助设计、VR及AR技术将高铁模拟驾驶、高速特殊工种的检修的工作进行互动式的虚拟现实仿真。

下面以高速铁路控制综合仿真流程实验为例，说明本平台系统在高速铁路列车检修、模拟驾驶、供电、信号控制等全专业链实验教学中的应用。

3 高速铁路综合全流程仿真实验设计

实验内容主要包括：高铁列车检修仿真；高铁列车模拟驾驶仿真；牵引供电系统仿真；手动、自动排列进路，开放信号，进路解锁，道岔操纵，取消进路；两列列车一前一后同向运行，观察列车追踪运行情况。

3.1 高铁列车检修仿真

基于VR虚拟现实的地勤机械师培训系统，主要对动车所地勤机械师检修高铁动车组列车的相关流程及注意事项、检修要点等工作进行详细介绍。使相关技术人员及相关专业学生对该工种及动车组列车的基本情况有准确的认知，为今后从事相关工作奠定良好的基础。

具体包括车顶设备检修、车下地沟检修和车体两侧检修三部分。每部分按照动车组地勤机械师工种的检修内容对相关要点进行设置。如图2所示。

图1 平台沙盘主体实物图

图2 VR虚拟现实系统仿真内容

3.2 高铁列车模拟驾驶仿真

基于AR增强现实的高铁模拟驾驶系统以在沙盘车辆段等待发车的CRH380A型和谐号动车组为原型，设置扫描点标记。模拟高铁驾驶员在整个沙盘线路上驾驶高铁列车的过程，包括开车前的相关准备工作、驾驶过程中的停车、加速、减速、制动等相关作业操作。使高铁驾驶等相关专业的学生能够身临其境的感受并熟悉高铁列车驾驶的相关操作步骤及注意事项，为今后从事相关方面的工作打下良好的基础。相关操作界面如图3所示。

3.3 牵引供电系统仿真

平台打破传统商业化铁路沙盘简易供电方式的壁垒，创新采用架空接触网给高速动车组列车供电，架空接触网的结构采用半补偿悬挂装置与全补偿悬挂装置，车站采用软、硬横跨结合,车辆段采用软横跨，线路上设有分段绝缘器、锚段关节、中心锚节、馈电线、电连接器、回流线等设备及各种线路、信号标志齐全，与真实运营情况完全相同。既保证了列车的运行速度，也能够真实还原铁路供电系统的基本原理及工作运营场景，以满足铁路及轨道交通相关院校、相关专业对学生的教育教学目的，又能够满足轨道交通及铁路施工、运营单位培训员工的目的。架空接触网如图4所示。

图3 AR增强现实高铁模拟驾驶仿真

图4 沙盘架空接触网供电系统实物图

该供电系统作为整个平台系统的电力来源，包括轨道供电单元、道岔供电单元、信号机供电单元、盘体控制器供电单元、上位机供电单元五大部分。沙盘从牵引变电所向接触网输送+24V电压，经受电弓取电为车载板提供工作电压，最后轨道回流线流向牵引变电所，从而构成完整的牵引供电回路。

3.4 信号联锁控制系统仿真

信号联锁控制系统是整个平台系统的核心，直接影响到整个平台主体沙盘的信号采集系统、车机联控系统、数据通信系统的优劣。系统硬件平台主要分为中央处理单元、轨道电路单元、道岔操作单元、信号机控制单元、感应点采集单元五大部分，均具有逻辑处理与通信功能。

其中，轨道可以提供运行线路，放置道岔、信号机与感应点等部件，还通过轨道绝缘节将整个轨道划分为若干段轨道电路，为更好的与上位机通信做准备；道岔位于轨道之上，通过道岔线缆与道岔控制器相连，受控于道岔操作单元，上位机可根据需要通过道岔操作单元将道岔搬动到定位位置或反位位置，为列车进、出站等联锁功能提供通路。

信号机放置于轨道旁，根据摆放位置分为上行进站信号机、上行出站信号机、下行进站信号机、下行出站信号机，根据显示可分为两显示信号机和三显示信号机，所有信号机通过信号机线缆与信号机控制单元相连，受控于信号机控制单元，上位机可根据需要对各信号机显示进行控制，为列车的运行提供信号显示，反应列车真实的运行情况；

感应点放置于轨道下方，采用电磁原理的干簧管与射频原理的射频卡共同作为感应点的具体实现器件，通过定位线缆与感应点采集单元相连，将列车的定位信息通过感应点采集单元传送至上位机，为确定列车的位置提供依据。模拟轨旁设备单元实物如图5所示。

图5 模拟轨旁设备单元实物图

图6 上位机联锁控制界面及车控界面图

此外，整个系统通过上位机对整个平台车机联 控、信号联锁系统进行控制，上位机控制软件运行于PC机之上，根据需求，共设置四个上位机界面，两个车站站场界面、一个车辆段站场界面、一个CTC的全局界面。操作人员既可通过车站操作界面 对站内联锁设备进行相关操作，如控制机车运行、排列进路、开放信号、进路解锁、道岔操纵、取消进路等；也可通过CTC操作界面对整条线路内的所有设备进行相关操作，实现全线调度集中的功能。平台系统中模拟石家庄站、正定站和车辆段的上位机联锁控制界面及车控界面如图6所示。

4 结语

本文分析了高速铁路及轨道交通控制相关专业教学中存在的问题，提出了利用高速铁路综合虚拟真平台进行实验、实践教学的解决方法，以高速铁路综合全流程仿真实验设计为例来说明该仿真平台系统的组成及应用，分别介绍了高铁列车检修仿真；高铁列车模拟驾驶仿真；牵引供电系统仿真；手动、自动排列进路，开放信号，进路解锁，道岔操纵，取消进路；两列列车一前一后同向运行，观察列车追踪运行情况等原理及操作方法。通过该平台，有利于学生及相关工作人员直观的掌握高速铁路系统的组成、工作过程等，能有效满足电气化铁路相关课程教学、技术培训等需求。