基于虛擬仿真技術(shù)的HXD1C機(jī)車仿真模擬 培訓(xùn)考評系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

彭 毅 甄 昱 魏志勇

（1.甘肅省建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，蘭州 730070；2.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司職工培訓(xùn)中心天水機(jī)務(wù)培訓(xùn)基地， 天水 741020；3.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司迎水橋機(jī)務(wù)段，中衛(wèi) 755000）

1 技術(shù)背景

目前，機(jī)車乘務(wù)員的非正常行車應(yīng)急處置培訓(xùn)工作以理論培訓(xùn)為主，結(jié)合實訓(xùn)場地，運(yùn)用車間整備線扣車進(jìn)行培訓(xùn)。由于發(fā)生非正常行車應(yīng)急處置事件的原因和條件復(fù)雜[1]，且這種培訓(xùn)形式受場地、氣候以及其他安全因素等影響，不能達(dá)到高質(zhì)量的培訓(xùn)效果，且頻繁扣車會影響運(yùn)輸生產(chǎn)任務(wù)的完成。

虛擬仿真技術(shù)是多學(xué)科結(jié)合的成果，其中包括計算機(jī)相關(guān)技術(shù)、多媒體技術(shù)、計算機(jī)圖像圖形技術(shù)以及人機(jī)交互技術(shù)等，利用計算機(jī)模擬三維虛擬空間以及視覺、聽覺等感官，實現(xiàn)了具有交互感和沉浸感的用戶體驗[2]。本文運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)非正常行車培訓(xùn)的不足，提高了培訓(xùn)效率，減少了培訓(xùn)費(fèi)用，且不影響正常的運(yùn)輸生產(chǎn)任務(wù)。

2 系統(tǒng)需求分析

本文以HXD1C型機(jī)車為研究對象，針對HXD1C型機(jī)車的技術(shù)特點和使用要求，開發(fā)了一種虛擬培訓(xùn)考評系統(tǒng)。系統(tǒng)采用交互式體驗的三維動態(tài)仿真模擬操作，提供直觀、清晰和簡捷的培訓(xùn)環(huán)境，使機(jī)車乘務(wù)員能夠熟練掌握HXD1C型機(jī)車在運(yùn)行過程中遇到非正常行車情況時的處置流程，并通過對中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司機(jī)務(wù)部門的實際需求調(diào)研，確定了如弓網(wǎng)故障時的應(yīng)急處置等20種非正常行車應(yīng)急處置類型。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計思想

HXD1C機(jī)車仿真模擬培訓(xùn)考評系統(tǒng)根據(jù)功能需求采用客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server，C/S）架構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計完成后采用.exe可執(zhí)行文件發(fā)布[3]，安裝完成后單機(jī)運(yùn)行。本系統(tǒng)選用Unity3D作為開發(fā)平臺，使用3ds Max等建模工具構(gòu)建模型進(jìn)行優(yōu)化處理。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

HXD1C機(jī)車仿真模擬培訓(xùn)考評系統(tǒng)由系統(tǒng)門戶、核心功能模塊和數(shù)據(jù)管理3部分構(gòu)成[4]。系統(tǒng)門戶集成了系統(tǒng)門戶、用戶注冊和用戶登錄3個功能，是系統(tǒng)的展現(xiàn)層。核心功能包括教學(xué)、考試和成績存儲3個功能，執(zhí)行20種教學(xué)和考評非正常行車應(yīng)急處置虛擬仿真模塊與成績查詢功能，是系統(tǒng)的邏輯層。數(shù)據(jù)管理是用戶信息、核心功能模塊和成績查詢及存儲的橋梁，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路層。

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

4.1 構(gòu)建模型

系統(tǒng)需要對HXD1C機(jī)車、車輛、車站、區(qū)間線路和地面設(shè)備等構(gòu)建模型。其中，車站規(guī)模為2臺4線，具體構(gòu)建了站房、站場、軌道、站臺和地面設(shè)備。利用3ds Max軟件構(gòu)建模型，構(gòu)建模型的資源是現(xiàn)場實地拍攝及相關(guān)的技術(shù)資料。模型按照真實環(huán)境中的實物進(jìn)行建模，能夠反映現(xiàn)場的運(yùn)行環(huán)境[5]。

4.2 非正常行車處置流程設(shè)計

本系統(tǒng)依據(jù)《行規(guī)》《技規(guī)》及其他相關(guān)規(guī)范，對20種非正常行車處置流程進(jìn)行設(shè)計，并按照規(guī)范設(shè)置非正?，F(xiàn)象。以單機(jī)在自動閉塞區(qū)間緊急停車的應(yīng)急處置為例，單機(jī)在自動閉塞區(qū)間緊急停車的應(yīng)急處置流程設(shè)計如表1所示。

表1 單機(jī)在自動閉塞區(qū)間緊急停車的應(yīng)急處置流程設(shè)計

4.3 系統(tǒng)模式選擇

針對系統(tǒng)培訓(xùn)的要求，系統(tǒng)中設(shè)置了考試、教學(xué)和成績查詢3種功能模式。在考試模式中，根據(jù)需要自行選擇相應(yīng)的考試模塊。在該模式中，系統(tǒng)能夠自動完成考評功能。測評時，系統(tǒng)中只要考評過程中有一項操作不合格，最終的考評結(jié)果即為不合格。在教學(xué)模式，它可根據(jù)需要自行選擇相應(yīng)的教學(xué)模塊。該模式提供引導(dǎo)性操作，使得機(jī)車乘務(wù)員能夠快速掌握非正常行車處置流程。在成績查詢模式中，系統(tǒng)提供成績查詢功能。

4.4 系統(tǒng)交互實現(xiàn)

系統(tǒng)中以第一人稱視角進(jìn)行操作，實現(xiàn)虛擬漫游。系統(tǒng)交互有使用鼠標(biāo)點擊操作設(shè)備和使用鼠標(biāo)點擊UI界面上的按鍵兩種方式實現(xiàn)。相應(yīng)的操作可進(jìn)入對應(yīng)的場景，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)交互操作截圖

5 結(jié)語

運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，針對HXD1C型機(jī)車運(yùn)行過程中遇到非正常行車應(yīng)急處置情況，開發(fā)了培訓(xùn)考評系統(tǒng)，可將理論規(guī)范轉(zhuǎn)化為虛擬場景仿真。目前，該系統(tǒng)已在中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司3個機(jī)務(wù)段使用，能夠使機(jī)務(wù)乘務(wù)員在仿真環(huán)境中演練非正常行車應(yīng)急處置流程，并進(jìn)行考核分析。該系統(tǒng)為機(jī)務(wù)非正常行車應(yīng)急處置提供了新的培訓(xùn)模式，改變了傳統(tǒng)的培訓(xùn)形式，具有極強(qiáng)的推廣價值。