關(guān)于鐵路機車駕駛與檢查模擬演練綜合培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與研究*

李元韜

(呼和浩特鐵路局　科研所， 內(nèi)蒙古呼和浩特 010050)

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關(guān)于鐵路機車駕駛與檢查模擬演練綜合培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與研究*

李元韜

(呼和浩特鐵路局科研所， 內(nèi)蒙古呼和浩特 010050)

基于通用的計算機軟件和硬件平臺，集三維視景漫游、鐵路機車部件及功能教學(xué)、機車駕駛模擬操縱演練練習(xí)及考試、機車故障檢查練習(xí)及考試于一體的綜合性多功能培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)，其中對機車駕駛室、機械間、車體外圍和車底部件的故障檢查及標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)模塊，是以軟件的形式實現(xiàn)對鐵路機車各部件進行規(guī)范化檢查練習(xí)或考試的功能，該項研發(fā)內(nèi)容在鐵路行業(yè)內(nèi)尚屬空白。圍繞三維視景漫游子系統(tǒng)、教學(xué)視頻學(xué)習(xí)子系統(tǒng)、機車駕駛操縱子系統(tǒng)和機車故障檢查子系統(tǒng)，分別討論了各個子系統(tǒng)的功能、設(shè)計方案和技術(shù)理論，以及系統(tǒng)的程序流程和培訓(xùn)內(nèi)容，同時介紹了鐵路機車駕駛與檢查模擬培訓(xùn)的應(yīng)用及效果。

鐵路機車； 駕駛與檢查； 三維模擬仿真； 培訓(xùn)演練

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的本質(zhì)是客觀事物在計算機上的一種仿真實現(xiàn)，是一種由計算機全部或部分生成的多維感覺環(huán)境，給參與者產(chǎn)生各種感官信息，如視覺、聽覺、觸覺等，使參與者有身臨其境的感覺，能體驗接受和認(rèn)識客觀世界中的客觀事物[1]，虛擬現(xiàn)實具有沉浸、交互和構(gòu)想3個基本特征[2]。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于鐵路列車駕駛模擬演練培訓(xùn)系統(tǒng)中，創(chuàng)新了傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式，不但提高了培訓(xùn)效率[3]，而且可以作為工程數(shù)據(jù)的分析。決定鐵路機車駕駛與檢查模擬演練綜合培訓(xùn)系統(tǒng)，2014年1月呼和浩特鐵路局科研所開始自主研發(fā)鐵路機車駕駛與檢查模擬演練綜合培訓(xùn)系統(tǒng)，使鐵路機車司機能夠沉浸到虛擬駕駛環(huán)境中，并有真實的駕駛感覺[4]，從而體驗認(rèn)識和學(xué)習(xí)現(xiàn)實世界中的列車駕駛和檢查工作。經(jīng)實際使用證明，該系統(tǒng)可用于鐵路機車操縱技能和檢查維修的培訓(xùn)，在系統(tǒng)中幾乎可對所有可能出現(xiàn)的故障、突發(fā)事件進行仿真[5]，從而改善駕駛培訓(xùn)的教學(xué)效果。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

為了不斷提高鐵路機車司機的駕駛能力，降低培訓(xùn)平均使用時間，系統(tǒng)采用“學(xué)、練、考一體化”的培訓(xùn)模式。系統(tǒng)(針對HXD3D型機車)主要包括三維視景漫游模塊、機車駕駛操縱模塊、機車檢查模塊和教學(xué)視頻模塊，每個培訓(xùn)模塊又包含若干具體培訓(xùn)內(nèi)容，鐵路機車駕駛與檢查模擬演練綜合培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2　系統(tǒng)的實現(xiàn)

以HXD3D型機車為例，對系統(tǒng)包含的4大子模塊進行逐一介紹。

2.1系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)登陸界面如圖2所示，圖3為系統(tǒng)功能模塊選擇界面，是由4大子功能系統(tǒng)組成，接受培訓(xùn)的司機可以自由選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容。

圖2　系統(tǒng)登陸界面

圖3　功能模塊選擇界面

2.2三維視景漫游子系統(tǒng)

系統(tǒng)搭建了呼和站站場、呼和東站站場、呼和站到呼和東站區(qū)間二股正線線路及主要建筑物視景、HXD3D型電力機車等物體，因此司機可以通過鼠標(biāo)操縱，在呼和浩特站到呼和浩特東站之間，進行三維視景漫游，體驗真實的3D場景，熟悉培訓(xùn)所處的三維世界。在系統(tǒng)中，實現(xiàn)了機車各設(shè)備結(jié)構(gòu)的模擬仿真，采用系統(tǒng)仿真和計算機可視化編程技術(shù)在計算機里構(gòu)建了HXD3D型電力機車及部件數(shù)字模型，對機車車體結(jié)構(gòu)、牽引傳動系統(tǒng)及制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架及輪對、列車運行控制和信號系統(tǒng)等各機車設(shè)備的組成和核心功能均進行了仿真。

2.3教學(xué)視頻學(xué)習(xí)子系統(tǒng)

司機可以先通過選擇不同的教學(xué)視頻，進行學(xué)習(xí)觀看正確的操作，從而掌握機車駕駛操縱或檢查的培訓(xùn)內(nèi)容。例如，在學(xué)習(xí)機車檢修時，學(xué)習(xí)視頻按駕駛和檢修操作流程，全真展現(xiàn)檢修的每一過程，培訓(xùn)人員可以通過觀看三維實物過程的演示及各提示，了解到操作中每一步該做什么，怎么做，做到什么程度即可完成。使培訓(xùn)人員在學(xué)習(xí)機車及各部件構(gòu)造、原理的同時，掌握機車的相關(guān)知識，同時能夠?qū)W習(xí)如何對機車進行各部件檢修和故障處理的內(nèi)容，教學(xué)視頻的截圖如圖4所示。

圖4　機車駕駛操縱練習(xí)教學(xué)視頻截圖

2.4機車駕駛操縱子系統(tǒng)

機車駕駛操縱子系統(tǒng)包括機車操縱練習(xí)和機車操縱考試兩大部分。機車操縱練習(xí)模塊是培訓(xùn)司機根據(jù)視頻學(xué)習(xí)內(nèi)容，從列車停止到正常行駛過程中，按照操縱流程，逐一完成所需要進行的操縱步驟，直至系統(tǒng)提示正確完成后結(jié)束。培訓(xùn)司機只需要操作鼠標(biāo)來完成大閘、小閘和扳鈕等部件的推拉操作，或用鼠標(biāo)對LKJ屏等進行具體操作等功能的實現(xiàn)。期間，如若遇到對操作步驟不清楚或不確定的情況時，可以點擊幫助，查看提醒，再進行下一步操作。機車操縱考試模塊是培訓(xùn)司機已能夠熟練的掌握機車駕駛的操作流程步驟后，進行實戰(zhàn)模擬考試和鞏固學(xué)習(xí)的過程，從而不斷提升駕駛操縱水平。

2.5機車故障檢查子系統(tǒng)

傳統(tǒng)的機車檢修與維護模式是機務(wù)部門按照機車檢修規(guī)程和相關(guān)的檢修手冊、檢修工藝及流程進行學(xué)習(xí)和工作，這些文字性的條款不直觀、較難理解和掌握，因此對機車司機和維修人員的工作和培訓(xùn)均帶來不便，會常因表述的歧義或理解的偏差產(chǎn)生錯誤。目前，國內(nèi)已有鐵路機車駕駛模擬操縱系統(tǒng)的研究報道，但關(guān)于機車檢修部分的內(nèi)容寥寥無幾，現(xiàn)有的相關(guān)研究也僅為駕駛室操作臺的部分儀表或器械檢查。而在本系統(tǒng)中，培訓(xùn)人員可利用鼠標(biāo)與每個可操作部件進行交互，實現(xiàn)人機互動，培訓(xùn)司機可以分別選擇這4個不同的機車部位進行視頻教學(xué)的學(xué)習(xí)，在掌握操作流程后進行機車檢查的練習(xí)操作，待熟練掌握后可進行實戰(zhàn)考試和復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)。機車故障檢查子系統(tǒng)包括駕駛室、機械間、車外和車底4大部分的檢查內(nèi)容，其仿真的場景、三維互動式的模擬及檢查技術(shù)、機車運行時動態(tài)及交互式的技術(shù)，在國內(nèi)尚無一例。課題組經(jīng)過大量現(xiàn)場調(diào)研后，系統(tǒng)梳理操縱與檢查流程，針對機務(wù)段檢修特點，研發(fā)出專為機車檢修和檢修人員培訓(xùn)服務(wù)的系統(tǒng)，從而有效地提高了機車檢修培訓(xùn)的直觀性和易用性，全面提高檢修質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，同時增加了各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(1)機車外部故障檢查與考試子系統(tǒng)

機車外部故障檢查的練習(xí)和考試包括車頭I端、車體走行步右側(cè)、車頭II端和車體走行步左側(cè)，按照360°逆時針方向進行。其中需要檢查的大步驟總計60步，每個步驟又包含其所需檢查的小部件，因此按照檢查流程分步驟細(xì)化為292項具體設(shè)備的單元化檢查模塊，圖5為車體走行步右側(cè)右1撒沙膠皮管故障檢查的考試模式截圖。

圖5　右6撒沙膠皮管故障檢查的考試模式截圖

(2)機車駕駛室故障檢查與考試子系統(tǒng)

機車駕駛室故障檢查的練習(xí)和考試包括操作臺、駕駛室兩側(cè)內(nèi)部車體和后部車體、車頂和地面內(nèi)部的檢查，總計60個大步驟。其中，對于設(shè)備明顯的錯誤狀態(tài)，類似手柄、塞門或按鈕位置錯誤的故障，使用工具手的解決方法，實現(xiàn)恢復(fù)原位的操作；對于類似監(jiān)控顯示屏或信號燈損壞、接線松脫，有燒損痕跡等情況，需進行提票處理，圖6為駕駛室微機顯示屏故障檢查的練習(xí)模式截圖。

圖6　駕駛室微機顯示屏故障檢查的練習(xí)模式截圖

(3)機車機械室故障檢查與考試子系統(tǒng)

機車駕駛室故障檢查的練習(xí)和考試包括空氣制動柜、電器柜、空氣輔助控制箱和牽引通風(fēng)機等14大檢查內(nèi)容，圖7為機械室檢查的考試模式截圖。

圖7　機械室檢查的考試模式截圖

(4)機車車底故障檢查與考試子系統(tǒng)

機車車底故障檢查的練習(xí)和考試包括I和Ⅱ端車鉤下部及緩沖裝置、第1與第2轉(zhuǎn)向架底部、第1至第6牽引電機懸掛裝置等22大檢查內(nèi)容，圖8為車底檢查的練習(xí)模式截圖。

圖8　車底檢查的練習(xí)模式截圖

3　系統(tǒng)使用效果和特點

3.1系統(tǒng)使用效果

系統(tǒng)開發(fā)完成后，對各個模塊進行長達2個月的單元測試、集成測試、系統(tǒng)測試和用戶測試，同時通過同行審查和專家審計的方法對系統(tǒng)進行了整體調(diào)試，修正了程序中的錯誤和存在的問題，確保了軟件符合設(shè)計要求。系統(tǒng)投入一線使用，效果良好，隨機抽查使用效果對比情況如表1所示。

表1　系統(tǒng)使用前后效果對比情況表

通過對呼和浩特鐵路局集寧機務(wù)段機車乘務(wù)員進行三維仿真模擬培訓(xùn)，經(jīng)統(tǒng)計，效果良好，培訓(xùn)通過率提高到99%以上，培訓(xùn)使用時間降低到50%以下，尤其針對新入職人員，效果尤為明顯，如圖9所示。

圖9　系統(tǒng)使用前后效果對比情況圖

3.2系統(tǒng)特點

列車司機通過使用本系統(tǒng)，其駕駛水平和機車檢查能力有了很大的提升，試運行結(jié)果表明系統(tǒng)達到了機車駕駛及故障檢查培訓(xùn)的基本要求，并具有以下6大特點：

(1)創(chuàng)新傳統(tǒng)培訓(xùn)模式：系統(tǒng)針對機車駕駛相關(guān)的業(yè)務(wù)流程進行了梳理，并成功地將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到了機車駕駛培訓(xùn)過程，完成了試驗區(qū)段視景制作、試驗機型模型制作，并結(jié)合線路視景完成了具有機車駕駛與檢查模擬演練培訓(xùn)功能的創(chuàng)新型系統(tǒng)。本系統(tǒng)經(jīng)查新，項目的主要新穎性在電力機車各部件(包括駕駛室、機械間、車外和車底4大部分)的規(guī)范化檢查練習(xí)與考試的功能模塊，在檢出文獻中未見有相同研究報道。項目于2015年9月順利通過呼和浩特鐵路局的項目鑒定，受到專家評委的一致好評；同時該項目組獲得2015年全國優(yōu)秀質(zhì)量管理小組的榮譽稱號，成果現(xiàn)正向全鐵路各鐵路局和鐵路交通學(xué)校進行推廣。

(2)提升培訓(xùn)效率、降低培訓(xùn)使用時間：本軟件系統(tǒng)具有單次培訓(xùn)人員多、學(xué)習(xí)資源充足、培訓(xùn)方式靈活的特點，能夠最大程度滿足現(xiàn)場實際需求。鐵路機車駕駛員通過使用本系統(tǒng)進行培訓(xùn)，效果很好，達到了研發(fā)目標(biāo)。

(3)節(jié)約培訓(xùn)成本：系統(tǒng)采用純軟件的培訓(xùn)模式，經(jīng)濟實用，培訓(xùn)不受時間、場地和氣候等因素的限制，無需

耗費大量昂貴的油料或電能、機車維修費和人力資源，經(jīng)濟效益顯著。

(4)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)：系統(tǒng)兼容性好，尤其擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、便于修改、完善和擴展。

(5)安全可靠：系統(tǒng)功能全面、界面友好、操作簡單方便，錯誤發(fā)生率低，能夠保障鐵路運輸安全。同時，駕駛虛擬操縱和檢查能夠有效避免由于培訓(xùn)司機操作不當(dāng)，而給生態(tài)環(huán)境造成的環(huán)境影響或交通事故，具有安全、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點，社會效益明顯。

(6)市場前景廣闊、可擴展性強：系統(tǒng)擁有廣闊的市場空間，良好的推廣前景，同時也為下一步自主研發(fā)機車駕駛模擬操作臺打下了堅實的基礎(chǔ)。

4　結(jié)束語

本系統(tǒng)的運行提升了鐵路機車司機駕駛培訓(xùn)的通過率、降低了培訓(xùn)平均使用時間、節(jié)省了培訓(xùn)經(jīng)費。同時，該系統(tǒng)創(chuàng)新了傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式，能夠讓司機在高度真實感的3D模擬仿真駕駛環(huán)境中進行學(xué)習(xí)、練習(xí)和考試，從而不斷提升其駕駛技能及應(yīng)變能力，進一步為保障鐵路運輸安全做貢獻。

[1]王行仁.面向二十一世紀(jì), 發(fā)展系統(tǒng)仿真技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,1999, 11(2): 1-13.

[2]蔡忠法，劉大健，章安元.基于虛擬現(xiàn)實的汽車駕駛模擬訓(xùn)練系統(tǒng)方案研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2002,14(6):771-774.

[3]程華.09-32型搗固車三維模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計[J].鐵道建筑,2011,(11):116-119.

[4]李廣麗、張紅斌.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的商品展示平臺研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2010，(6)：12-15.

[5]中華人民共和國鐵道部.鐵路機車操縱規(guī)則[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

Design and Research of Comprehensive Training System for the Driving and Inspection of Railway Locomotive

LIYuantao

(Scientific & Technological Research Institute, Hohhot Railway Administration, Hohhot 010050 Inner Mongolia, China)

“Railway locomotive driving simulation training system and comprehensive inspection” drill is the common computer software and hardware platform based on the set of 3D scene roaming, railway locomotive components and function of teaching, locomotive driving simulation exercises and manipulation examination, practice and examination of locomotive fault inspection in an integrated multifunctional training system, including fault check and the standard of cab, machinery, vehicle and vehicle components of peripheral locomotive operation module is to implement the standardized examination exercise or examination of railway locomotive and the function of each component in the form of software, the research content is still blank in the railway industry. This paper focuses on the 3D scene roaming video teaching subsystem, learning subsystem, locomotive driving system and locomotive fault operon check subsystem, each subsystem's function, design and technical theory are discussed, and the system program flow and training content, and introduces the application and effect of railway locomotive driving simulation training and examination.

railway locomotive; driving and inspection; 3D simulation; training

1008-7842 (2016) 03-0088-04

??)女，工程師(

2015-12-17)

U268.48

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.19

*呼和浩特鐵路局重大課題(2014A001)