DK-2型制動機仿真教學系統(tǒng)應用研究

汪發(fā)現(xiàn)

（北京北九方軌道交通科技有限公司，北京 100036）

DK-2 型機車制動機（以下簡稱DK-2 型制動機）是電力機車的重要組成部分，機車乘務員和檢修人員必須要判斷精準、操控正確才能保障安全運行。這些操作和判斷是對相關人員技術知識掌握程度的考驗，相關人員對制動機越熟悉，越有利于保障行車的安全。由于DK-2 型制動機結構和控制邏輯比較復雜，而平時學習只能通過PPT 和相關文檔學習，學習內容抽象且難以理解，因此十分必要研究一套DK-2 制動機模擬仿真教學系統(tǒng)（以下簡稱教學系統(tǒng)）。

本教學系統(tǒng)是以DK-2 型制動機、仿真模塊和軟件系統(tǒng)等聯(lián)動于一體的教學系統(tǒng)。軟件可在Windows XP、Vista、Windows7 環(huán)境下運行，動畫以Photoshop、3Dmax、Flash 和Premiere 互補方式進行制作，以實現(xiàn)DK-2 型制動機原理展示，并通過AS3 實現(xiàn)交互式練習。

1 系統(tǒng)功能

本教學系統(tǒng)主要是讓機車乘務員及檢修人員能直觀、快速地掌握DK-2 型制動機的知識。通過實際操控后直接而形象的觀察、體會、學習DK-2 型制動機所有相關知識，包含以下主要內容。

①制動機風源系統(tǒng)、管路系統(tǒng)及電路系統(tǒng)的工作原理和運轉狀態(tài)。②制動機中主要閥體的工作原理及工作狀態(tài)。③模擬機車駕駛五步閘、八步閘操作下的儀表數(shù)據(jù)、制動柜工作狀態(tài)。④制動系統(tǒng)各種故障情況及緊急處理方法。⑤制動機的故障模擬演練指導、相關知識測試、測試評價等。

同時，教學系統(tǒng)配以多媒體軟件的輔助教學，可以大幅提高DK-2 制動教學效率和效果。

學員可通過操作臺制動手柄進行操作練習。教學系統(tǒng)的電路和氣路圖能按照實際的情況實時改變，不同的管路通過不同顏色表示，管路壓力大小通過顏色深淺變化和數(shù)字顯示，閥的動作、電路導通狀態(tài)等所有的變化與DK-2 型制動機運轉真實情況一致。

2 系統(tǒng)結構組成

本教學系統(tǒng)由硬件和軟件2 部分組成，其系統(tǒng)結構組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構組成

2.1 系統(tǒng)硬件組成

本教學系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件由綜合仿真實訓操作臺、DK-2 制動柜、示教板模塊、控制柜、故障設置柜、教員機、學員機、投影幕及風源組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件布局圖

綜合仿真實訓操縱臺的硬件位置布置與機車司機室內司機臺布局一致，且對應設備具有相同的功能與控制邏輯。學員可以通過操作綜合仿真實訓操縱臺上的制動手柄進行制動機控制?？砂凑諛藴什襟E進行操作練習，實訓平臺應與實物操作及操作反饋一致。同時也可通過操作綜合仿真實訓操縱臺上的制動手柄與示教板聯(lián)動，在示教板模塊上通過LED 彩色燈顯示電路、氣路動作情況。中繼閥、分配閥等閥體采用局部半剖模型，閥體內鞲鞴等部件會根據(jù)氣路情況進行動作。

示教板模塊可以直觀地演示DK-2 型電空制動機電路、氣路及閥件的綜合作用原理。模塊上LED 燈光步進演示，速度可調，并配備語音解說。同時示教板模塊也可單獨自動順序播放或循環(huán)播放各操作動作情況，能夠實現(xiàn)DK-2 型電空制動機綜合作用各閥類動作和電路、氣路動作的動態(tài)演示。

控制電路上設有電路通斷開關，每種管路和風缸各引出一個塞門。開關和塞門用于故障設置，方便人為設置故障進行模擬教學演練（如得失電狀態(tài)、漏風或竄風等），學員實訓過程中可根據(jù)所設置的故障現(xiàn)象，分析問題、查找問題并解決問題，從而提高對DK-2 型制動機相關知識的理解和掌握。

2.2 系統(tǒng)軟件組成

本教學系統(tǒng)的軟件組成包含8 個模塊，分別為電氣路原理動態(tài)顯示模塊、結構原理仿真模塊、仿真試驗模塊、聲音仿真模塊、故障模擬模塊、情景化專家引導模塊、自動判分與考試模塊及教員監(jiān)控與管理模塊。

每個模塊可獨立運行，以方便使用。軟件系統(tǒng)配有加密鎖軟件，為了保密限制和安全，在運行各模塊前需先運行加密鎖軟件。

2.2.1 電氣路原理動態(tài)顯示模塊

學員在操作仿真平臺上的制動控制器時，顯示屏上原理圖的動作同實物動作一致。由于原理圖復雜，電氣路原理設置在同一畫面內，便于直觀清晰地觀察電路得電狀態(tài)、開關等設備的通斷動作情況及氣體在管路和閥體內的動作過程。

電路原理以紅色標示的方式在原理圖畫面上顯示電路的得電情況，以白色標示顯示電路的失電情況。管路壓力以顏色深淺表示，同時配有數(shù)字顯示壓力。畫面采用智能、動態(tài)、矢量化顯示技術，可對原理圖畫面進行任意的放大、縮小和平移操作，不會出現(xiàn)畫面失真。

2.2.2 結構原理仿真模塊

DK-2 型電空制動機結構原理仿真模塊采用多媒體播放形式，對綜合動作原理及各種工況下電空制動控制器、空氣控制閥、中繼閥、分配閥、電空閥、電動放風閥和緊急閥等結構原理進行分析，旋轉、拆分結構動畫，各位置工作原理同步語音及文字解說，以及氣體根據(jù)位置變化在閥內三維動態(tài)流動，如圖3所示。

圖3 中繼閥結構原理以及動作原理仿真示意圖

2.2.3 仿真試驗模塊

學員在操控硬件的同時，軟件圖像全過程以動畫形式展示DK-2 型制動機的試驗方法和規(guī)則，同步配有語音及文字解說，使得硬件試驗過程和軟件顯示過程進行同步教學反饋，如圖4所示。

圖4 制動機五步閘試驗仿真示意圖

2.2.4 聲音仿真系統(tǒng)

聲音仿真系統(tǒng)能夠逼真地模擬制動過程中的聲音環(huán)境，使學員從既具有視覺又具有聽覺的環(huán)境中獲得更真實的效果體驗，從而增強沉浸感和交互性。

聲音仿真系統(tǒng)可讓學員在操作設備時聽到的設備工作聲及各種環(huán)境聲，如：充風聲音、排風聲音和扳鍵開關聲音等。

2.2.5 故障模擬系統(tǒng)

由于平常學習和技能訓練時模擬故障需扣車，在機車上模擬操作，同時有些故障條件因素等影響，無法模擬。

DK-2 型制動系統(tǒng)在結構、性能及操作方法等方面不盡相同，造成故障的原因也較為復雜，為了能讓學員模擬操作時設置一些DK-2 型制動機的常見故障，甚至可以設置受特定條件限制才能出現(xiàn)或不常出現(xiàn)的特殊故障。一般可分為控制電路、閥類部件、管路及連接部分和操作不當這4 個方面的故障。

（1）控制電路故障。DK-2 型機車制動系統(tǒng)的操縱與轉換控制一般采用DC110V 電控方式，因此常出現(xiàn)一些控制電路故障。例如：接線頭、插座、插頭的虛接和電子元件的虛焊會造成控制功能的錯誤，而開關接點不良，電空閥線圈斷路和控制導線的短路、接地等會造成執(zhí)行部件不動作。對這些容易發(fā)生的故障，會針對教學部分在電路上增加的故障開關，3 個狀態(tài)位置，正常位、故障1 位、故障2 位。正常位是電路在得失電時的正確狀態(tài)位置；故障1 位是在電路正常得電時斷開電路，即線圈斷路、開關接點不良或虛接狀態(tài)；故障2 位是電路在不應得電時，確得電導通。見表1，可以通過不同類型故障現(xiàn)象情況，讓學員判斷教員進行了何種故障設置，很多故障設置可以根據(jù)實際車況給予重點故障現(xiàn)象的模擬教學，從而具備更加針對性的強化訓練。

（2）閥類部件故障。閥類部件故障在DK-2 型機車制動系統(tǒng)中，也比較常見，大多體現(xiàn)在閥類部件的滑動件上。比如：閥體內缺少潤滑油脂，分配閥上的各種鞲鞴、滑閥和節(jié)制閥會出現(xiàn)卡滯，導致氣路不暢；還有諸如彈簧件因動作頻繁而失效的問題、橡膠件老化出現(xiàn)龜裂導致漏風問題等都是閥類部件的主要故障。這類故障在教學模擬中一般會采用故障閥類替換下正產(chǎn)的閥件，從而讓學員去分辨問題閥件。

（3）管路及連接部分故障。這類故障現(xiàn)象一般易于發(fā)現(xiàn)，主要表現(xiàn)在堵塞和泄漏，也有部分現(xiàn)象屬于閥座內部暗孔內泄引起的竄風故障。例如：管道內部混合的機械雜質會在管道彎曲部分或變徑處造成堵塞，而管接頭和部件安裝面由于橡膠件的老化問題，則常會發(fā)生泄漏現(xiàn)象。這類泄露的故障一般情況會比較好辨識，通過聽聲音、抹泡沫水的形式一般可以查詢到泄露點，而堵塞的故障一般會通過氣路現(xiàn)象分析和更換相關部件來確認故障點的方法。

（4）操縱不當造成的故障。DK-2 型制動機涉及到的閥類部件比較復雜，且種類繁多，如果違反了操作規(guī)程或操作不當，極易造成故障。例如：塞門開閉不對，重聯(lián)位置沒有復位，非操作端大小閘的手柄位置措置，后備制動塞門位置錯誤等，都將會導致制動系統(tǒng)無法正常工作。像表1中提及的B01—B03 故障均是對塞門的開斷進行了故障設置，從而加深學員對塞門開斷故障的理解。

表1 故障設置列表

學員在實訓過程中，同時打開故障開關后，會觸發(fā)電路或氣路發(fā)生變化，制動柜上壓力變送器檢測到的信息上傳到制動顯示屏，并報故障碼，以便當學員無法處理故障時，可以提供在線幫助。在線幫助會給出故障原因的多種可能性和相應處理方法。故障模擬系統(tǒng)可高效地提升學員處理故障的能力，同時積累豐富的故障應急處理經(jīng)驗。

故障模擬系統(tǒng)有3 種模式：教學模式、練習模式和考試模式。針對不同需求可以選擇相應的模式。

教學模式可以讓學員對各類故障進行學習熟悉；練習模式可讓學員對知識掌握情況進行測試；考試模式可讓教員預先設置故障情景條件，讓學員在規(guī)定的時間內排除故障點，系統(tǒng)自動進行實時記錄，并進行自動智能評分。

2.2.6 情景化專家引導系統(tǒng)

情景化專家引導系統(tǒng)采用“專家引導，學員跟隨”的方式進行情景化實訓教學。

一般情況下，當進入預設的實訓情景后，系統(tǒng)會以引導的方式給出每一步的操作提示，主要包括設備具體位置、操作方法及應產(chǎn)生的現(xiàn)象和結果等。學員根據(jù)提示進行演練，當前操作步驟完成后，自動給出操作結果信息提示：已完成或執(zhí)行錯誤。

情景化專家引導系統(tǒng)提供練習和考核2 種模式，在考核模式下，可以實現(xiàn)學員操作自動評分。

2.2.7 自動判分系統(tǒng)及出題考試系統(tǒng)

考試系統(tǒng)的出題可分為真實故障假設和模擬故障假設2 種方式，當學員開始進入考試時，計算機輔助系統(tǒng)會進行實時記錄并進行自動智能判分。學員每完成一次任務，自動判分系統(tǒng)會形成成績記錄單，教員和學員可以即時看到成績，同時能通過查詢，非常清楚地判斷學員存在的具體問題，并對學員進行指導，強化學員的記憶，提高學員的知識效率。

系統(tǒng)同時配有實時攝像功能、學員考試題庫，可以對考試學員進行監(jiān)控，同時可以在教師培訓完畢之后對學員進行局域網(wǎng)絡模擬考試及評分。

2.2.8 教員監(jiān)控與管理系統(tǒng)

教員終端設備由一臺計算機、多臺顯示器組成。教員可通過此對所有受訓學員進行統(tǒng)一管理，監(jiān)控學員終端狀態(tài)，同時也可對學員檔案信息和成績進行管理。

3 系統(tǒng)的技術難點

通過對制動手柄在各位置時的微動開關的狀態(tài)信號進行采集，采集信號通過數(shù)據(jù)運算和數(shù)據(jù)分析，輸出信號指令，從而驅動計算機播放對應的動畫。電路和氣路動作原理按照實際的情況實時改變，并標以不同顏色，表示不同的管路、閥的動作及電路導通狀態(tài)。

通過故障設置，各管路的壓力信號或者控制電路信號可以傳送到操作臺上的制動顯示屏上，從而可以實時顯示各種故障的故障代碼。

模擬操作五步閘或八步閘試驗時，可以對失誤或不正確的操作進行語音提示。

由于機車實際管路長度和教學系統(tǒng)管路長度不一致，需在教學系統(tǒng)管路上配制具有一定容積的風缸以達到與實際管路同樣的效果。風缸的容積通過試驗數(shù)據(jù)分析處理獲得，并通過多次反復測試，使仿真效果與實際運用情景保持一致。

4 結束語

機車制動機作為機車安全行駛的紅線，近幾年得到各鐵路院校和鐵路局越來越多的重視，而對于國產(chǎn)化領軍的DK-2 型制動機技術機車裝車率逐步提高，越來越多的客戶希望得到更加立體直觀的教學內容用于培訓學員，因此，結合2017年在朔黃鐵路實施的DK-1G 型和DK-2 型制動機實物教學試驗臺的基礎上，經(jīng)過深入客戶調研，針對于DK-2 型制動機仿真教學進行了大量的優(yōu)化升級，并成功應用于鐵路院校及機務段的制動教學。

本教學系統(tǒng)的應用大幅提升了學員的積極性，受訓人員的技能水平有了明顯提高，達到本教學系統(tǒng)應用的預期效果，同時也有效地助力了機車行車安全。