虚拟仿真技术在电力机车行车安全装备实训系统中的研究

黄华

武汉铁路职业技术学院 湖北 武汉 430000

引言

虚拟现实在教育领域的应用十分广泛，目前国内外不少学校都引进了虚拟现实技术，虚拟现实技术可以为学生提供更加直观、形象的多重感官刺激，对学生的学习有很大的帮助。建成后的系统能逼真地模拟LKJ2000型监控装置和其他安全装备的各种工作状态及操作，车载线路数据、监控模式、控制逻辑与机车实际设备效果保持一致。可以全面、真实地模拟机车乘务员一次乘务标准作业过程中对监控装置和其他安全装备的各项操作，配合相应动画、语音真实模拟实际现场作业、联控情景，并记录乘务员的模拟操作过程。

1 虚拟仿真技术的应用

VR虚拟仿真实训系统采用三维建模技术、虚拟现实技术、人工智能(AI)技术构建出的具有强烈沉浸感和趣味性的实训系统。

整个系统以三维引擎构建全三维虚拟仿真场景为基础，结合三维模型、光影声效等形式搭建与实际一致的仿真环境。该技术通过在虚拟环境中入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。通过虚拟现实技术的引入，可建立一个基于现实世界的虚拟实训平台，做到教学场景实景化、打破教学时空限制、将虚拟和真实有机交互等。产品设计完全贴合机车作业规定，作业过程和与实际检查工作流程完全一致，通过高精度模型真实再现了检查环境和真实的机车，操作过程中均可选择工具与部件进行交互，为学员提供了接近真实的检查环境，从而提高实训效率[1]。

采用技术软件如Solidworks、3DsMax、Maya、AE、Unity、UE4等制作引擎，通过虚拟仿真技术完成对AR/VR/MR等多端虚拟仿真资源的建设。

2 行车安全装备实训系统组成

行车安全装备实训系统主要由安全装备终端展示柜、行车安全设备柜、6A系统机柜、地面信号仿真设备、安全设备实训台和网络化教学系统组成。

图1 行车安全装备实训室整体布局图

系统部署分为两部分：认知展示区和实训操作区。

2.1 认知展示区

设备认知展示区主要向学员展示真实行车安全设备，以及设备对应安装在机上的真实位置，达到学员对真实设备的认知和系统的宏观认识目的。展示设备包含6A机柜、行车安全设备柜、地面信号设备（含轨道、信号发码器、地面信号灯、机感线圈）、安全装备终端展示柜。

2.1.1 安全装备终端展示柜。安全装备展示柜由6A系统设备展示（6A各子系统终端设备按照相应位置排列）、信号设备展示（机感线圈）、LKJ2000终端设备展示（压力传感器、速度传感器、双针表）、人机交互终端（LKJ显示器、6A显示终端）和触摸显示屏组成。

2.1.2 行车安全设备柜。行车安全设备柜包括LKJ2000监控主机仿真设备、TAX箱、机车信号主机仿真设备和机柜组成。结合地面信号仿真设备，培训学员从信号发码、地面信号显示、车载信号显示、LKJ2000运行控制等列控系统全过程认知培训。

2.1.3 地面信号仿真设备。地面信号仿真设备由轨道、机车信号感应线圈、线圈盒、地面信号发码主机、地面信号机和终端电缆盒组成。一是对地面信号相关设备进行认知教学，二可结合第三方设备柜进行列控系统认知教学。

2.1.4 安全装备展示模型。行车安全装备展示模型，以HXD型机车为基础采用剖面模型的方式，直观地展现行车安全装备各系统机柜、设备、终端的安装位置。

2.2 实训操作区

通过安全装备实训台完成行车安全装备一系列实训操作，同时教师机可以下达任务和故障注入，锻炼学员的对于安全装备实际操作能力以及应急处理能力。网络化实训区包含教员管理系统、安全设备实训台。

2.2.1 安全装备教员台。教员台采用单监控多屏显示模式，内置工业控制计算机设备、司机控制器手柄、模拟制动阀手柄、警惕按钮、麦克风、音响系统以及双19寸液晶触摸显示屏。

2.2.2 安全装备实训台。安全装备实训台集成LKJ监控装置仿真设备、6A系统显示器、机车信号显示、CIR、司机控制器、大小闸制动设备，全面、真实地模拟机车乘务员一次乘务标准作业过程中对安全装备的各项操作，配合相应动画、语音真实模拟实际现场作业、联控情景，对学员的安全设备操作进行实操实训教学和考核。

2.2.3 网络化教学系统。网络化教学系统部署在教员计算机内，包括教学课件管理、三维教学管理、实训台配置管理、试题管理、试卷管理、考试成绩管理等模块[2]。

3 实训系统功能

3.1 LKJ实作训练及考试

对机车乘务员一次乘务标准作业过程中对监控装置的各项操作进行模拟仿真考试，配合相应动画、语音真实模拟实际现场作业、联控情景，并记录学生的模拟操作过程，后台自动对该过程进行分析比对，生成成绩报表，让学生清楚地知道自己错在哪里，又可以将该报表传达给教师，实现闭环管理。能够以模板化的方式对各种试题进行编辑修改，系统中内置大量试题模板，只需要简单设定车站信息，即可生成新的考试试题。

3.2 机车车载安全防护系统系统实训

机车车载安全防护系统（6A系统）是针对机车运行过程中危及安全的重要事项、重点部件和部位，综合集成、平台化的安全防护装置，用于空气制动、防火、高压绝缘、列车供电、走行部及视频等部件或对象的监控及记录，具备各系统监控功能（制动监测、防火监控、高压绝缘检测、列车供电监测、走行部监测、视频监控）、综合诊断、数据存储、音视频显示。

3.3 机车信号系统实训

通过设置地面电码化设备，调整低频编码来模拟地面不同信号机状态，并通过机感线圈发送到机车信号主机，机车信号主机解码地面信号机状态的同时把相关信息传送给LKJ系统，LKJ系统根据地面信号机状态采取相应的速度控制信息。满足机车专业关于信号相关业务的学习和实训要求。

3.4 车载CIR操作显示终端实训

车载CIR操作显示终端是列车正常行驶必不可少的部分，它集车次号注册、语音通话、调度命令传输等功能于一体。在安全装备实训台上集成了CIR仿真设备，通过该仿真设备对CIR设备形态、构成、工作原理进行认知教学。通过安全装备实训台上的CIR设备，学习CIR电台的基本操作：自动选择线路、手动选择线路、车次号设置与注册、车次号注销、阅读和签收调度命令。

3.5 机车信号系统实训

通过设置地面电码化设备，调整低频编码来模拟地面不同信号机状态，并通过机感线圈发送到机车信号主机，机车信号主机解码地面信号机状态的同时把相关信息传送给LKJ系统，LKJ系统根据地面信号机状态采取相应的速度控制信息。满足机车专业关于信号相关业务的学习和实训要求。信号系统设备形态认知、构成及工作原理教学通过系统配备的地面信号设备（信号发码器、轨道）、机车信号设备（机感线圈、机车信号主机、八显示信号机）对信号系统设备形态、构成、工作原理进行认知教学。

3.6 信号与列控系统实训教学

应用配备的安全装备实训台，设置不同信号，通过操作LKJ2000监控装置仿真设备了解信号在列控系统中的作用，掌握不同信号对机车运行的影响。

3.7 列车尾部安全防护装置

列车尾部安全防护装置是保证列车运行的重要安全装置，主要包括列车机车控制部分和列车尾部主机部分，主要作用用包括列车尾部风压查询、自动报警、尾部风压排风辅助制动等功能。系统设备形态、构成及工作原理教学通过行车安全装备展示柜通过静态设备展示和三维教学两种方式，对列车尾部安全防护装置的系统组成、设备形态、工作原理进行认知教学。

基本操作实训通过安全装备台上的CIR电台，结合三维情况掌握查询列车尾部风压数据操作以及实施操作的条件时机；掌握使用列尾装置进行辅助排风制定的操作以及操作的时机；掌握列尾装置故障不能使用或丢失时的处置办发[3]。

4 实训室建设成效

本研究以提高职业院校铁道机车专业教学质量和学生技能水平为目标，满足职业院校学生自主学习和多样化学习的需求，整体提升职业教育人才培养水平和质量。能有效解决院校硬件设备不足的问题。可开展的实训有：《行车安全操作》、《机车非正常行车实训》等，可在此实训室进行《电力机车运用与规章》课程理实一体化教学，完成学生模拟练习与理论答题闯关，以及其他课程的相关课内实践项目。同时本建设方案还可以开展社会服务，如校企合作员工技能培训、与相关企业共同完成机车操作、司机岗位技能鉴定等社会服务功能。