鐵路車站接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王 海，李友孟

（中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸部，山東 濟(jì)南 250001)

隨著鐵路網(wǎng)的擴(kuò)大、車站的增多、列車密度的加大、列車運(yùn)行速度的提高，對鐵路運(yùn)營安全提出了更高的要求，同時對車站接發(fā)列車人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)要求也更高。在實(shí)際運(yùn)營過程中，由于設(shè)備類型不同、作業(yè)制式多樣、故障場景復(fù)雜，給接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)帶來難度。因此，建立一套適用車站接發(fā)列車的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高擬真度仿真、覆蓋全部關(guān)鍵場景、準(zhǔn)確量化評估等功能，以解決現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)所面臨的難以與實(shí)際場景匹配，以及缺乏評價指標(biāo)體系的難題。

1 鐵路車站接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)現(xiàn)狀

真系統(tǒng)、沙盤仿真系統(tǒng)和實(shí)際車站仿真實(shí)驗(yàn)平臺3種[8]。純軟件仿真系統(tǒng)和沙盤仿真系統(tǒng)協(xié)同作用能夠?yàn)橛?xùn)練人員提供比較好的人機(jī)界面，但是缺乏足夠的現(xiàn)場體驗(yàn)，難以達(dá)到足夠的實(shí)訓(xùn)效果。實(shí)際車站仿真試驗(yàn)平臺是構(gòu)建實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的發(fā)展方向。因此，從鐵路車站接發(fā)列車的實(shí)際操作流程和崗位技術(shù)要求、規(guī)章制度運(yùn)用出發(fā)，基于鐵路信號系統(tǒng)和調(diào)度指揮系統(tǒng)原理，建立能夠兼容不同設(shè)備商操作界面的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，以提升設(shè)備操作水平并加強(qiáng)技術(shù)能力。

2 鐵路車站接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)需求分析

鐵路車站接發(fā)列車工作主要分2類：正常作業(yè)流程和突發(fā)事件下非正常作業(yè)流程。實(shí)現(xiàn)鐵路車站接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)是精準(zhǔn)模擬信號設(shè)備的聯(lián)鎖邏輯、列車的運(yùn)行過程和作業(yè)內(nèi)容，以及突發(fā)故障等，這樣培訓(xùn)人員在實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中所面臨的狀況與真實(shí)系統(tǒng)保持極高的擬真度，方便將訓(xùn)練結(jié)果轉(zhuǎn)換為實(shí)際技術(shù)能力。同時，還要對車站作業(yè)人員技術(shù)能力做出準(zhǔn)確評估，以實(shí)現(xiàn)對培訓(xùn)人員操作行為的評判、操作過程的全程記錄并進(jìn)行量化分析，因而建立一套較為完善的考核系統(tǒng)尤為重要。針對鐵路列車運(yùn)行控制和行車調(diào)度指揮系統(tǒng)多制式混雜使用的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖邏輯的聯(lián)鎖子系統(tǒng)。鐵路接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)需求及功能分析如圖1所示。

以列車調(diào)度指揮系統(tǒng)(TDCS)和調(diào)度集中系統(tǒng)(CTC)為主體的我國鐵路行車指揮系統(tǒng)，具有極高的自動化程度，使人為因素所帶來的安全隱患隨之降低，同時為提升我國鐵路網(wǎng)的整體運(yùn)行效率發(fā)揮了重要作用。對于貨物運(yùn)輸而言，車站接發(fā)列車對調(diào)度計劃質(zhì)量的影響極大[1]。然而，由于車站接發(fā)列車人員實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)不同，不僅影響運(yùn)輸暢通，也存在較大的安全隱患[2]。由于現(xiàn)場設(shè)備承擔(dān)著繁忙的運(yùn)營服務(wù)，通過現(xiàn)場實(shí)地對員工進(jìn)行訓(xùn)練具有比較高的安全風(fēng)險，同時缺乏全面的評價體系，難以衡量訓(xùn)練效果。因此，為實(shí)現(xiàn)車站接發(fā)列車能力提升和量化評估，應(yīng)加快開發(fā)面向鐵路車站接發(fā)列車人員的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

鐵路車站接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的核心在于精準(zhǔn)模擬實(shí)際車站接發(fā)列車作業(yè)流程，保障用戶實(shí)訓(xùn)的效果，使實(shí)訓(xùn)與現(xiàn)場操作高度一致。由于實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是對聯(lián)鎖邏輯、信號裝備及協(xié)作關(guān)系的仿真，同時保障操作界面、操作按鈕等與實(shí)際系統(tǒng)的高度一致性。當(dāng)前國外鐵路系統(tǒng)常 采 用 Open Track[3]，RailSim[4]，RailSys[5-6]、SIMONE[7]等成熟的鐵路仿真軟件對現(xiàn)實(shí)中的信號及行車調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行模擬，而這些軟件存在與我國鐵路制式不兼容、建模工作量大等問題，難以作為實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)對操作人員進(jìn)行訓(xùn)練。國內(nèi)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要分為純軟件仿

圖1 鐵路接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)需求及功能分析Fig.1 Requirements and function analysis of the professional training system

（1）聯(lián)鎖?；凇队嬎銠C(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件》和多模式融合原則，規(guī)范建立聯(lián)鎖邏輯及功能模塊，為保障實(shí)訓(xùn)效果，操作顯示界面可實(shí)現(xiàn)目前主流的6502電氣集中聯(lián)鎖，以及鐵路相關(guān)單位的計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備制式。同時，還應(yīng)具備自動閉塞、半自動閉塞等區(qū)間設(shè)備仿真及站間聯(lián)系功能。

（2）CTC/TDCS?；凇墩{(diào)度集中系統(tǒng)技術(shù)條件》和《鐵路列車調(diào)度指揮系統(tǒng)技術(shù)條件》建立CTC和TDCS仿真模擬系統(tǒng)，操作顯示界面仿真主流CTC/TDCS廠家，在車站層面包括行車日志、人工報點(diǎn)、階段計劃和調(diào)度命令簽收、CTC進(jìn)路序列、 CTC控制臺等功能。另外，為更好地配合車站，系統(tǒng)應(yīng)具備調(diào)度臺仿真功能，包括列車運(yùn)行計劃編制(運(yùn)行圖)和調(diào)度命令編發(fā)等。為更好地展示演練情況，系統(tǒng)應(yīng)具備類似調(diào)度中心的區(qū)段畫面顯示功能，直觀顯示全部車站的演練情況。CTC/TDCS仿真可與聯(lián)鎖仿真完全聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)信息同步顯示和CTC模式轉(zhuǎn)換功能。

（3）CTCS。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是保障CTC/TDCS調(diào)度和指揮命令能夠準(zhǔn)確執(zhí)行的基礎(chǔ)，因此，旨在實(shí)現(xiàn)車站接發(fā)列車的CTCS模塊需要具備列車及調(diào)車運(yùn)行仿真功能，可以按照指定的列車(調(diào)車)速度、列車(調(diào)車車列)長度模擬列車，聯(lián)鎖仿真指示的信號顯示以及列車進(jìn)路順序占壓軌道電路等情況設(shè)計，同時，還可以實(shí)現(xiàn)對司機(jī)的指令，包括交付調(diào)度命令、行車憑證，以及指示開車、停車等情況。

（4）故障注入。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的核心在于培養(yǎng)車站作業(yè)人員掌握各種作業(yè)場景下的接發(fā)列車專業(yè)技能，尤其是故障模式下的接發(fā)列車流程。因此，實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)需要具備在場景中設(shè)置故障條件的功能，場景中設(shè)置的故障條件可在指定的時間和地點(diǎn)自動出現(xiàn)，或在演練過程中通過教師機(jī)監(jiān)控界面動態(tài)為學(xué)員設(shè)置故障條件。設(shè)置的故障至少應(yīng)包括：①信號設(shè)備故障。區(qū)間、站內(nèi)紅光帶，列車占用丟失，信號機(jī)故障(燈絲斷絲)，道岔故障，區(qū)間方向電路故障等。②施工封鎖或者災(zāi)害故障。斷軌、坍塌或者落物、風(fēng)雨災(zāi)害。③其他設(shè)備故障。接觸網(wǎng)停電、機(jī)車車輛故障等。

（5）綜合考核。完整、準(zhǔn)確記錄學(xué)員的所有操作行為，可以識別學(xué)員違反聯(lián)鎖關(guān)系、違背CTC自律規(guī)則、違反站細(xì)的操作，并進(jìn)行扣分處理。同時，也可按照管理人員設(shè)定的流程作業(yè)要求對學(xué)員的操作順序和作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查，并自動統(tǒng)計得分。在演練或者考核中，系統(tǒng)自動進(jìn)行全過程錄音，由管理人員后期進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)用語的評價。對于標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序，系統(tǒng)還要能夠識別其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和關(guān)鍵執(zhí)行順序，并且特定的聯(lián)鎖操作或CTC操作能自動關(guān)聯(lián)到標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序的相關(guān)環(huán)節(jié)。

3 鐵路車站接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計原則

（1）協(xié)同仿真。聯(lián)鎖、TDCS及CTC互相聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮、列車控制和邏輯判斷三者的自主協(xié)作，保障鐵路接發(fā)列車邏輯和流程的合理性、準(zhǔn)確性和實(shí)時性?？紤]到故障場景的設(shè)置，還需要支持維護(hù)人員、列車調(diào)度員、車站值班員和信號員，以及機(jī)車司機(jī)等各專業(yè)、各崗位之間的協(xié)同操作，實(shí)現(xiàn)計劃、指揮、預(yù)告、匯報及處理等多環(huán)節(jié)的功能交叉驗(yàn)證，保障實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)功能的完備性和真實(shí)性。

（2）并行演練。構(gòu)建虛擬鐵路線網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)不同車站的并行演練，并保障不同區(qū)域、不同模塊以及不同操作信息的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的全鐵路局集團(tuán)公司模擬，有效演練車站之間的行車作業(yè)配合以及區(qū)間設(shè)備故障時的處理方法等。

（3）多模式融合。多模式融合的核心在于不同制式產(chǎn)品邏輯和人際交互界面的兼容性，基于實(shí)際的模式配置實(shí)現(xiàn)自由切換，保障實(shí)訓(xùn)人員獲取最真實(shí)的體驗(yàn)。

3.2 邏輯架構(gòu)

鐵路車站接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)基于Client/Server架構(gòu)，包括后臺服務(wù)軟件模塊、教師控制模塊和學(xué)員操作模塊(前臺終端軟件模塊)3部分。后臺服務(wù)軟件模塊負(fù)責(zé)主要業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)處理，涵蓋線路及設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊、現(xiàn)場信號仿真模塊、聯(lián)鎖邏輯仿真模塊、CTC自律仿真模塊、列車運(yùn)行仿真模塊、其他崗位應(yīng)答仿真模塊、場景條件自動設(shè)置模塊以及作業(yè)流程檢查和考核模塊；教師控制模塊包括場景控制操作界面、演練監(jiān)視界面、調(diào)度臺仿真界面等，功能是為演練考核的管理者提供監(jiān)控手段；學(xué)員操作模塊包括聯(lián)鎖控制臺操作界面、CTC控制臺操作界面、調(diào)度電話仿真界面，是為學(xué)員提供和實(shí)際工作一致的作業(yè)手段。鐵路車站接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)中如圖2所示。

圖2 鐵路車站接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)Fig.2 Logical architecture of the professional training system

3.3 功能設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對車站作業(yè)的完全仿真，必須納入與實(shí)際的站場布局、信號設(shè)備數(shù)據(jù)、《車站行車工作細(xì)則》等一致，并且系統(tǒng)應(yīng)具備完善的數(shù)據(jù)管理維護(hù)功能，當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備情況發(fā)生變化時，可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)修改和升級，確保能夠?qū)崿F(xiàn)與實(shí)際完全一致的仿真演練環(huán)境。

（2）場景管理。系統(tǒng)可以通過制作并預(yù)存場景配置文件的方法為學(xué)員提供一個演練環(huán)境，場景配置應(yīng)包括列車計劃、線路占用狀態(tài)、設(shè)備故障狀態(tài)、特殊行車條件(調(diào)度命令)、作業(yè)流程考核條件等。在學(xué)員演練時，可以調(diào)入某一場景，場景一般是典型故障或者特殊情況的作業(yè)環(huán)境，車務(wù)管理人員可以隨時總結(jié)本單位或者其他單位的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)制作故障場景，或者在列車密度提高、新線接入、長期施工等運(yùn)行情況變化時制作相應(yīng)演練場景，使職工盡快掌握新情況下的行車作業(yè)技能。

（3）教師機(jī)綜合管理功能。教師機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖界面和CTC界面展示和控制，同時也基于特權(quán)模式實(shí)現(xiàn)故障注入和加車等操作，基于非特權(quán)模式實(shí)現(xiàn)列車的起動和停車。為保障仿真模擬的時效性和便捷性，教師機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行加速和減速的控制。

（4）語音識別功能。語音識別功能學(xué)員機(jī)可以實(shí)現(xiàn)車站值班員與列車調(diào)度員、司機(jī)以及設(shè)備單位之間基本語音通話的自動識別功能，減少人員配合，更好地體現(xiàn)與現(xiàn)場的高度融合。

3.4 主控流程

以功能模塊為核心，鐵路車站接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)將各模塊按照流程組織構(gòu)建為一個有機(jī)的統(tǒng)一整體，以實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的綜合功能?；诮處煓C(jī)的場景管理、設(shè)置及故障注入等給予學(xué)員機(jī)以統(tǒng)一的或個性化的訓(xùn)練內(nèi)容，通過數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)學(xué)員操作過程及語音指令的存儲和回放，同時根據(jù)綜合考核模塊實(shí)現(xiàn)對學(xué)員綜合能力的評估，保證實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的有效性和客觀性。

4 鐵路車站接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用

2017年4月，鐵路車站接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司(以下簡稱“濟(jì)南局集團(tuán)公司”)青西車務(wù)段和聊城車務(wù)段進(jìn)行了測試和試用，并在2018年5月中旬完成在濟(jì)南局集團(tuán)公司的推廣。

4.1 試用數(shù)據(jù)

（1）車站數(shù)據(jù)。在濟(jì)南局集團(tuán)公司內(nèi)20條線的201個車站進(jìn)行了實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的布置，實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)布置情況如表1所示。

（2）人員數(shù)據(jù)。自2017年4月以來，鐵路車站接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)人員共有4 035人次通過實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行了5 850 h的技能訓(xùn)練和考核。

（3）成績數(shù)據(jù)。根據(jù)所有訓(xùn)練人員的首次考評結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，由于每個人對技術(shù)規(guī)范的了解程度不同，對系統(tǒng)操作的熟練程度不同，實(shí)訓(xùn)技能考核成績具有較大的差異。為精確把握當(dāng)前訓(xùn)練人員的整體水平，基于正態(tài)分布、Weibull分布，瑞利分布及廣義極值分布對首次考評人員成績進(jìn)行概率密度特征擬合分析，首次考評人員成績符合比較嚴(yán)格的正態(tài)分布函數(shù)。根據(jù)累計概率密度分布函數(shù)來看，低于80分的訓(xùn)練人員接近80%。

4.2 實(shí)訓(xùn)效果

基于首次考核結(jié)果，根據(jù)訓(xùn)練人員所存在的共性和個性問題進(jìn)行針對性訓(xùn)練，包括技術(shù)規(guī)范的深化學(xué)習(xí)、操作流程和界面的熟練程度、語音交互的精確性等多方面予以加強(qiáng)，經(jīng)過共計5 850 h的訓(xùn)練再次進(jìn)行考核，考評得分出現(xiàn)了很大的變化。其中，經(jīng)過較長時間的訓(xùn)練之后，平均分?jǐn)?shù)由原來的75.4分提高到87.6分；通過訓(xùn)練后考評得分結(jié)果來看，80 ～ 95分占比接近90%，而訓(xùn)練之前80 ～ 90分占比只為20%。根據(jù)擬合結(jié)果來看，經(jīng)過訓(xùn)練后的數(shù)據(jù)不再符合正態(tài)分布，同時呈現(xiàn)出均值提升、方差減小的非經(jīng)典分布方式，改變了之前訓(xùn)練人員自主學(xué)習(xí)所呈現(xiàn)的正態(tài)分布特征，體現(xiàn)出車站接發(fā)列車實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的有效性。

表1 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)布置情況 個Tab.1 Installations layout of the professional training system

5 結(jié)束語

從我國鐵路車站接發(fā)列車的實(shí)際需求出發(fā)，基于場景的復(fù)雜多變特征、接發(fā)列車流程的固定屬性，設(shè)計并開發(fā)了一套面向接發(fā)列車工作人員的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，旨在解決新員工實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)不足、應(yīng)急處置能力不強(qiáng)的問題。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)通過后臺軟件服務(wù)和算法實(shí)現(xiàn)了教師控制和學(xué)員操作之間的一體化，所提出的量化評估指標(biāo)體系及故障注入方法保障了評價的準(zhǔn)確性和場景的完備性，協(xié)同仿真技術(shù)和并行演練機(jī)制提升了實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的擬真度。在濟(jì)南局集團(tuán)公司的試用結(jié)果表明，該系統(tǒng)有助于訓(xùn)練人員提升自身技能，為提高我國鐵路車站接發(fā)列車工作人員的專業(yè)技能提供有效的實(shí)訓(xùn)平臺和客觀的評價體系。