基于城軌運營交互式模擬設(shè)備培訓(xùn)考核系統(tǒng)的研究

楊培義 張?zhí)焱?/p>

摘 要：國內(nèi)現(xiàn)有的城軌運營模擬設(shè)備的核心設(shè)備主要是司機(jī)操縱臺，培訓(xùn)考核效率低，人工評判比重大，不能滿足真實運營狀態(tài)下的故障處理、非正常處置、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)等業(yè)務(wù)內(nèi)容的培訓(xùn)需要。為解決以上問題，開發(fā)出新型的城軌運營模擬培訓(xùn)考核系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于城軌運營交互式模擬設(shè)備，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、工業(yè)自動化技術(shù)、大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)和計算機(jī)輔助行為評估技術(shù)，具備“培訓(xùn)—練習(xí)—考核”的全部功能。該系統(tǒng)對虛擬仿真培訓(xùn)行業(yè)的發(fā)展具有較大的推動作用。

關(guān)鍵詞：城軌運營;培訓(xùn)考核;交互式;模擬設(shè)備

中圖分類號：G 712 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

Abstract：The core equipment of the existing simulation equipment for urban rail operation in China is mainly the driver's operating platform，which is inefficient in training and assessment and has a significant ratio of manual evaluation.It cannot meet the training needs of fault handling，abnormal disposal，standardized operation and other business contents in the real operation state.In order to solve the above problems，a new simulation training and assessment system for urban rail operation is developed.Based on interactive simulation equipment for urban rail operation，this system applies virtual reality technology，industrial automation technology，big data storage technology and computer-aided behavior assessment technology，and has all the functions of "training-exercise-assessment".This system can promote the development of virtual simulation training industry.

Key words：Urban rail operation;Training and assessment;Interactive;Simulation equipment

城市軌道交通以其節(jié)能、省地、大運量、全天候、少污染和安全等特點，成為緩解我國城市擁堵和空氣污染問題的最佳方案。近年來，我國城市軌道交通快速發(fā)展。截至2018年年底，我國內(nèi)地（不含港澳臺地區(qū)，下同）共有24個省份的35個城市開通運營軌道交通，運營線路171條，運營里程5295公里，2018年城市軌道交通客運量約212.8億人次。隨著運營里程和客流的快速增長，城市軌道交通安全穩(wěn)定運行的壓力日益加大。行車組織作為運營組織的中樞環(huán)節(jié)，是保障運營安全和運營秩序的重要基礎(chǔ)。出臺城市軌道交通行車組織的管理制度，統(tǒng)一行業(yè)行車組織的基本規(guī)則，對于嚴(yán)守安全底線，進(jìn)一步夯實運營安全管理基礎(chǔ)，具有重要作用。

城市軌道交通的快速發(fā)展對于列車司機(jī)的駕駛技能有了更高的要求。面對真車培訓(xùn)帶來的周期長、費用昂貴、安全性差等問題，傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式已經(jīng)部分地被新型的模擬駕駛設(shè)備所代替。模擬駕駛設(shè)備是集成虛擬現(xiàn)實、仿真等多領(lǐng)域技術(shù)的產(chǎn)物，廣泛地應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域的列車司機(jī)、職業(yè)院校相關(guān)專業(yè)的培訓(xùn)和考核，已成為一種科學(xué)、先進(jìn)、高效、安全的技能培訓(xùn)教學(xué)設(shè)備[1-2]。

1 存在的問題

目前國內(nèi)鐵路車輛段上百所，大多教育培訓(xùn)為固定考題庫的計算機(jī)試題形式，并未實現(xiàn)交互式操作評價形式，而且行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的所有考核系統(tǒng)只能夠針對單個題目給出正確與否的評價，并不能對操作流程給出準(zhǔn)確的評價。國內(nèi)現(xiàn)有的城軌運營模擬設(shè)備的核心設(shè)備主要是司機(jī)操縱臺，主要針對列車功能的模擬，這種使用性一邊倒的模擬器已經(jīng)不能夠滿足反映真實運營狀態(tài)下的故障處理、非正常處置、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)等業(yè)務(wù)內(nèi)容的培訓(xùn)需要。此外，傳統(tǒng)的模擬器培訓(xùn)考核效率低，考核結(jié)果人工評判比重大，導(dǎo)致考核結(jié)果公正性差、不夠直觀等問題，同時工作人員工作量較大，培訓(xùn)考核效率不高[3-4]。

2 系統(tǒng)解決方案

為了解決以上問題，設(shè)計開發(fā)一種新型的城軌運營模擬培訓(xùn)考核系統(tǒng)。該系統(tǒng)開發(fā)基于城軌運營交互式模擬設(shè)備培訓(xùn)考核系統(tǒng)，利用C++、PostgreSQL-9.5及相關(guān)技術(shù)，在VS2015下進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)基于 C/S 模式，充分利用軌道交通企業(yè)新技術(shù)及生產(chǎn)一線數(shù)據(jù)庫、知識庫為基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)現(xiàn)代化模擬設(shè)備培訓(xùn)考核系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要模塊可劃分為：學(xué)生管理、課程管理、試題編輯、邏輯數(shù)據(jù)采集、操作記錄查詢、考核數(shù)據(jù)歸檔。該新型城軌運營模擬培訓(xùn)考核系統(tǒng)基于城軌運營交互式模擬設(shè)備，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、工業(yè)自動化技術(shù)、大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)和計算機(jī)輔助行為評估技術(shù)，通過對受訓(xùn)者的操作行為實施數(shù)據(jù)采集、存儲、分析和量化評估，構(gòu)建對城軌列車駕駛?cè)藛T、行調(diào)人員工作狀態(tài)的分析和考核，最終使模擬設(shè)備系統(tǒng)具備“培訓(xùn)—練習(xí)—考核”的全部功能。

2.1 系統(tǒng)具有的特點

該系統(tǒng)的主要特點是模擬系統(tǒng)的行為標(biāo)定技術(shù)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)識別技術(shù)。行為標(biāo)定技術(shù)是基于行為的隨機(jī)性和不確定性，對行為進(jìn)行監(jiān)督和量化，通過特征標(biāo)定使系統(tǒng)可以根據(jù)一定的算法對其行為邏輯進(jìn)行分析判斷。關(guān)鍵數(shù)據(jù)識別技術(shù)是設(shè)計和制作了用于行為判斷的規(guī)則，并以規(guī)則為標(biāo)準(zhǔn)對操作行為進(jìn)行監(jiān)督。從而優(yōu)化城軌交通運營模擬操作的全過程，達(dá)到完善作業(yè)內(nèi)容、提高培訓(xùn)考核效率、提高考核結(jié)果公平性、減少工作量的目的。此外，系統(tǒng)重視司機(jī)操縱系統(tǒng)、虛擬列車終端系統(tǒng)、輔助人員終端系統(tǒng)、監(jiān)控終端系統(tǒng)之間的聯(lián)合模擬，使系統(tǒng)具有極強的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性。

2.2 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)依據(jù)《GB50490-2013 城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》、《GB/T 30012-2013 城市軌道交通運營管理規(guī)范》等技術(shù)規(guī)范，完成的關(guān)鍵技術(shù)主要如下：首先，完成城軌列車司機(jī)交互式模擬設(shè)備培訓(xùn)及考核系統(tǒng)的方案設(shè)計;其次，在司機(jī)操縱系統(tǒng)、虛擬列車終端系統(tǒng)、輔助人員終端系統(tǒng)、監(jiān)控終端系統(tǒng)之間采用交互化設(shè)計，實現(xiàn)各終端系統(tǒng)之間的聯(lián)合模擬;然后，根據(jù)城軌列車司機(jī)的操作技能要求，制定城軌列車司機(jī)的培訓(xùn)目標(biāo)和考核標(biāo)準(zhǔn);接著，設(shè)置司機(jī)應(yīng)急處理故障庫，通過對大量已知故障的預(yù)存和分級，為受訓(xùn)者提供不同難度等級的故障處置能力訓(xùn)練。下一步，系統(tǒng)增加對司機(jī)操縱平穩(wěn)性與乘客舒適性兩個方面的評測指標(biāo)，并能夠真實模擬不同的線路條件（曲線、坡道等）和輪軌狀態(tài)（雨雪、霜凍等）對司機(jī)操縱的影響;最后，實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性，方便后期功能的拓展。

2.3 工藝問題及方法

該新型城軌運營模擬培訓(xùn)考核系統(tǒng)存在的工藝問題和對應(yīng)方法如下：（1）基于模擬駕駛行為的隨機(jī)性和不確定性，對行為進(jìn)行監(jiān)督和量化，通過特征標(biāo)定使系統(tǒng)可以根據(jù)一定的算法對其行為邏輯進(jìn)行分析判斷。（2）設(shè)計和制作了用于模擬駕駛行為判斷的規(guī)則，并以規(guī)則為標(biāo)準(zhǔn)對操作行為進(jìn)行監(jiān)督。（3）研究并實現(xiàn)基于標(biāo)識的觸發(fā)器技術(shù)，設(shè)計并制作可以推動仿真劇情發(fā)展的觸發(fā)器類型、觸發(fā)機(jī)制、通訊機(jī)制和觸發(fā)器標(biāo)識。（4）研究并實現(xiàn)基于關(guān)鍵點標(biāo)識的監(jiān)督技術(shù)，設(shè)計并制作可以用于監(jiān)視操作人員行為的數(shù)據(jù)采集、精確量化、大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。（5）結(jié)合軌道運營規(guī)章，對設(shè)備狀態(tài)、學(xué)員行為過程和操作結(jié)果進(jìn)行實時記錄，基于模糊量化算法對所記錄的數(shù)據(jù)設(shè)計和開發(fā)合理地考核評估算法。（6）針對應(yīng)急故障庫中不同故障的難度進(jìn)行數(shù)學(xué)量化，將培訓(xùn)考核系統(tǒng)中考核題目難易程度進(jìn)行分級處理。

3 系統(tǒng)的技術(shù)路線

系統(tǒng)的設(shè)計采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)和可視化的程序設(shè)計方法，前臺采用先進(jìn)并穩(wěn)定的VS2015+Qt5.5技術(shù)，后臺采用功能強大的PostgreSQL-9.5數(shù)據(jù)庫，PostgreSQL是一個功能非常強大的、源代碼開放的客戶/服務(wù)器關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS）。使用VS2015+Qt5.5開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，有技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定性高、功能強大、安全性高等優(yōu)點。系統(tǒng)開發(fā)采用三層架構(gòu)模式，這為提高系統(tǒng)的健壯性、可靠性、可擴(kuò)充性、安全性、可維護(hù)性提供了可靠的保障。VS2015+Qt5.5平臺采用了界面和代碼分開的理念，界面部分由美工來設(shè)計，做到美觀大方靈活易用，大大提高了軟件的靈活性和趣味性。培訓(xùn)管理系統(tǒng)采用Qt Plugin技術(shù)，對于軟件接口的定義在設(shè)計過程中嚴(yán)格要求，便于系統(tǒng)后期的升級與擴(kuò)展。職工培訓(xùn)管理系統(tǒng)采用三層架構(gòu)的分層方案，即操作用戶直接看到的用戶界面表示層、中間器橋梁作用的業(yè)務(wù)邏輯層和直接操作訪問數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)訪問層。

為了解決培訓(xùn)考試中考生身份驗證的難題，杜絕考試中替考現(xiàn)象的發(fā)生，同時也為了提高職工培訓(xùn)管理的工作效率，降低工作負(fù)擔(dān)，保障廣大職工學(xué)員的利益，在職工考試中使用了身份認(rèn)證，身份識別的過程中使用了多種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，如人臉識別技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，所有職工都必須經(jīng)過身份驗證才能進(jìn)入考場。通過信息化、網(wǎng)絡(luò)化的方式來對各類考試考生身份驗證，大幅縮短了驗證考生身份需要的時間，減少了工作人員，降低了勞動量，提高了工作效率，大大節(jié)約了人力和財力，提高了驗證的準(zhǔn)確度，使教育的信息化建設(shè)更進(jìn)一步。該系統(tǒng)通過自主研發(fā)的規(guī)則編輯器、規(guī)則執(zhí)行引擎、規(guī)則化數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)實現(xiàn)對受訓(xùn)人員行為步驟、結(jié)果的監(jiān)督、分析評估構(gòu)建對受訓(xùn)人員的工作狀態(tài)評估實訓(xùn)和考核系統(tǒng)。不僅可以提供傳統(tǒng)的基于原理仿真的設(shè)備實訓(xùn)功能同時還可以對受訓(xùn)人員的行為合規(guī)性進(jìn)行監(jiān)督和評估，將對虛擬仿真培訓(xùn)行業(yè)的發(fā)展具有較大的推動作用。

4 應(yīng)用效果

基于城軌運營交互式模擬設(shè)備培訓(xùn)考核系統(tǒng)是一個充分利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和多媒體技術(shù)，以軌道交通企業(yè)新技術(shù)及生產(chǎn)一線防控數(shù)據(jù)庫、方法庫和知識庫為基礎(chǔ)，以VS2015+Qt5.5平臺下的消息驅(qū)動、插件系統(tǒng)和SQL SERVER為手段，解決了傳統(tǒng)模擬器的問題，實現(xiàn)了現(xiàn)代化的城軌運營交互式模擬設(shè)備培訓(xùn)考核系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅降低了工作人員工作量，提高了公正性和培訓(xùn)考核效率，而且提高了學(xué)習(xí)新技術(shù)及生產(chǎn)安全防控的積極性，為培訓(xùn)管理模式的優(yōu)化和提升提供有力支撐。

5 總結(jié)

該模擬設(shè)備培訓(xùn)考核系統(tǒng)具有先進(jìn)的設(shè)計理念和明顯的技術(shù)優(yōu)勢，不僅能夠提供完整的模擬環(huán)境和培訓(xùn)內(nèi)容，還能夠比較直觀的反映出受訓(xùn)者的培訓(xùn)效果，在減少培訓(xùn)工作量的同時大幅度提高了培訓(xùn)效率和培訓(xùn)效果。該系統(tǒng)如若在城市軌道運營單位及相關(guān)鐵路院校進(jìn)行推廣應(yīng)用，將會產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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基金項目：河南省高等學(xué)校重點科研項目（18A580007）;鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題（2018CXY0010）

作者簡介：楊培義（1991—），男，河南睢縣人，碩士，助教，研究方向：城軌車輛技術(shù)和職業(yè)教育;張?zhí)焱?973—），男，河南滎陽人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授。