基于三维仿真的接发列车实训系统

作者：武则辉

来源：《科技视界》 2014年第33期

武则辉

（呼和浩特铁路机械工程职业学校，内蒙古 呼和浩特 010050）

【摘 要】虚拟现实与仿真技术是计算机领域的一项高新技术，应用领域和范围正不断扩大。而在铁路车务系统中还是一个新概念，车站接发列车是铁路运输过程的重要组成部分，也是行车组织的一项重要而复杂的工作，随着新型CTC系统的推广使用，对大批量高效率的培训接发列车的作业及管理人员提出了新的挑战。因此结合当下培训现状，提出一套能够高效直观且能够大批量培养新模式下铁路行车人才的综合演练系统是顺应行业需求。

【关键词】三维仿真；接发列车；实训系统

1 系统开发背景

目前国内对接发列车作业人员的培训方法进行了许多的研究和改进，利用实物的铁路沙盘、6502实物设备等模拟演练，但是培训模式都存在着共同问题：造价高、故障率高、维护周期短、维护复杂、占地空间大等。例如实物沙盘需要进行台体的搭建，轨道的铺设，道岔、信号机的安装及各种沿线装饰物的组件布置施工，为保证系统的耐久运行，材料要经过防腐阻燃等多重处理，关键设备如轨道、模型小车还需进口，控制电路相对复杂，使用过程中，需要进行设备如信号灯灯泡、转辙机等易损设备的更换，还要定期进行防尘维护，沙盘越大构建越复杂维护成本就越高，其次沙盘教学由于沙盘的空间限制，受训人员只能看到局部，却无法纵观总体或查看细节，人员的演练也相对分散等诸多不便。

２ 基于三维仿真的接发列车实训系统优势

２．１ 从理论层面阐述采用三维仿真技术达到的效果

基于三维仿真的接发列车实训系统以“职业引导、能力递进”为基本思路进行设计,以“教、学、做”为主线，基于工作过程构建实训课程体系，满足学生实训的环境就是将来工作的环境的现实需要。

随着电气化铁路的快速发展，新线大量增加，铁路信号设备种类越来越多，需要认知和了解的设备越来越多，原理越来越复杂，开展教学、培训时，使用中的设备不能动，现场实验设备数量少，单一的理论教学不仅枯燥难懂，而且培训效率低下，系统全面地掌握类似技能其周期就更长。

２．２ 相较于现有培训方式及现有培训软件的优势

在轨道交通三维交互沙盘的应用中，可直观演示轨道交通运输作业过程，并与铁路综合调度与列车运行控制仿真教学系统联动，同步仿真演示，实现调度系统的模拟实训功能；可模拟各种铁路站场设备，在仿真联锁系统及控制电路的控制下，能仿真道岔的转换、轨道电路、信号显示等；可根据信号及列控系统要求控制列车运行，列车可前进、后退、鸣笛等，并能够按要求速度运行；沙盘车站的接发车进路可根据教学仿真系统下达计划自动储存、排序、执行、回馈；可进行库内调车模拟、信号故障演示等操作。在列车运营的同时，三维交互沙盘可实时显示铁路的运行情况，可同时显示所有车站、区间及各种设备的实时三维画面。三维仿真技术

的应用使培训内容具有更好的拓展能力，培训方式更加灵活，更能提高受训人员的兴趣，提高专业内容的理解效率，提高培训的质量。

３ 基于三维仿真技术实现接发列车实训的方法

３．１ 车站实训演练系统

车站接发车子系统由车站值班员、车站信号员、车站助理值班员等模块组成。其功能主要包括（不限于）：

1)用户登录和权限管理

2)调度命令的调阅、签收及转达。

3)相邻车站的站场显示，区间的运行状态显示

4)车次号的输入修改确认

5)行车日志的自动记录、存储

6)接、发车作业训练

7)中间站调车作业演练

3.2 CTC行车调度指挥控制中心演练系统

CTC调度指挥中心仿真实训系统由行车调度员终端、助理调度员终端组成，系统的运行逻辑和操作方式和现场的运行方式一致。

3.3 三维交互沙盘演示系统

1)实现技术：虚拟沙盘通过计算机虚拟技术，采用三维建模的方式构建三维环境,采用投影机投射整体线路场景。

2)虚拟沙盘基本结构：虚拟沙盘的视景保持真实线路视景的风格，布置真实线路上的标志性建筑。虚拟沙盘中包含信号设备、桥梁、隧道、涵洞，并配有标志性建筑、河流、公路、假山、树木、花草等。

3)虚拟沙盘基本功能：可以实时显示列车的运行情况，并可对视图、追踪视角等进行切换和控制。车站、区间内的道岔转换、信号机变化、列车运行等行为按照其真实的逻辑关系发生变化。例如：通过车务终端排列进路后，相应的道岔会发生动作，进路锁闭后，信号机会点亮，然后列车按照信号指示进行接发车。

4)实时干预功能：系统支持对虚拟沙盘系统进行实时干预，可以实时改变虚拟沙盘的天气状况，包括下雨、下雪、大雾等。也可以实时设置虚拟沙盘的线路事故，比如大石挡道、线路塌方、放置响墩、火炬等。

5)虚拟沙盘的控制：可以对虚拟沙盘进行平移、旋转、放大及缩小操作。可以以不同角色的视角显示视景画面。可以快捷跳转到场景中任意列车当前的运行位置。

6)虚拟沙盘使用方式：虚拟沙盘可完全取代实物沙盘，单独与CTC系统联合，完成作业任务。

4 系统界面设计及功能实现

４．１ 系统的技术组成

系统集成了三维虚拟列车系统技术、分布式交互仿真技术、仿真可视化技术、视景仿真技术、用户交互界面设计技术、三维虚拟列车系统的应用技术等。

4.1.1 三维虚拟列车系统技术

三维虚拟列车系统是计算机仿真技术、列车动力学和列车控制理论的产物，其基本原理是由计算机根据机车电路及气路控制关系、线路纵断面情况、司机操纵情况及列车运行动力学建立起来的数学模型进行仿真运算和控制，来复现真实列车的控制和运行规律。

４．１．２ 分布式交互仿真技术

系统仿真技术是以相似性原理技术、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或假想的系统进行试验研究的综合性技术。仿真技术集成了当代科学技术的多种现代化手段，正极大地扩展着人类的视野、时限和能力，科学技术领域产生着日益重要的作用。

４．１．３ 视景仿真技术

仿真环境制作主要包括：模型设计、场景构造、纹理设计制作、特效设计等，它要求构造出逼真的三维模型，和制作逼真的纹理和特效；仿真驱动主要包括：场景驱动、模型调动处理、分布交换处理、大地形处理等，它要求高速逼真地再现仿真环境，实时响应交互操作等。

４．１．４ 用户交互界面设计

人机界面考虑设计美观、简洁、友好、合理、实用、注重布局、功能、色彩搭配等，体现

教学性、科学性、可操作性、艺术性原则的统一框架技术。符合学习者的使用要求、使用习惯。

４．１．５ 分散自律调度集中系统（CTC）的仿真

系统应真实的仿真分散自律调度集中系统的工作原理、操作方式以及操作习惯，系统操作界面和功能按钮应与实际系统相同，功能设计和工作流程应遵循铁道部《分散自律调度集中系统（CTC）技术条件》的原则要求。

４．２ 系统界面及操作

系统培训方式采用协作配合的方式，各个实训角色按照规定的作业标准相互配合完成规定的演练任务。首先教师进行角色设定并将学员编为一组（车站），实训人员在该环境下，按照实际的作业流程及方式相互配合、协同演练。对于作业过程中的其他岗位的人员，采用系统自

动协助的方式在后台配合完成。培训具有完整性、互动性、趣味性，能够激发学员的学习兴趣。

４．３ 系统演练步骤

４．３．１ 由教师端来设置演练环境和演练任务

①教师在任务设计标签项中，选择新建任务。绑定实训方案，同时填写任务名称。

②选择作业模板样式

③选中所建立课程任务的始发车站，设置始发列车、设置初始站控模式。

④选中所建立课程任务的到站车站，设置接发车作业。

⑤所有车站设置完成后，单击“保存任务”。

⑥在任务监视标签项中，单击“添加任务”。

⑦在弹出窗口中，选择要发布的任务，然后单击“确定”按钮。

⑧最后单击“发布任务”，至此教师端创建课程及发布流程介绍完毕。

４．３．２ 教师机发布任务后，调度中心的作业步骤

菜单栏单击“下计划”按钮，点击“发送”按钮。

４．３．３ 调度中心任务发送后，车站值班员的作业步骤

任务发送后，值班员需要签收阶段计划。点击红色闪烁框体里的“阶段计划”，在弹出的窗口里单击“签收”。

４．３．４ 发车完成后，进入接车流程

（１）车站值班员作业流程:

①在CTC系统中接到发车站预告（语音提示：请注意，邻站要排预告）后，核对车次、时刻、命令、指示、进路顺序。

②核对正确后，在CTC系统中接受预告。

③确定接车线。

④在CTC系统中确认发车站开车（语音提示：请注意，邻站发车）后，通知助理值班员：“×（次）开过来（了），×道停车”。

（２）助理值班员作业流程:

①复诵：“×（次）开过来（了），×道停车”，并填写占线板（簿）。

车站值班员

②按《站细》规定通知有关人员。

③确认接车线路空闲。

④停止影响进路的调车作业。确认停止后，口呼：“影响进路的调车作业已停止”。

⑤眼看，鼠标箭头指向进路始端按钮，口呼：“进站”，点击鼠标左键；眼看，鼠标箭头指向进路终端按钮，口呼：“×道”，点击鼠标左键，点击“命令下达”并确定后，确认光带、信号显示正确，口呼：“信号好（了）”。【此为手动排路】

也可在进路序列表中，选中相应的列车进路序列，确认正确无误后，口呼：“×（次）、×道停车”，用鼠标右键触发进路。确认光带、信号显示正确，口呼：“信号好（了）”。【此为人工触发排路】

在采用系统自动触发进路时，值班员监视进路触发、信号开放情况，确认光带、信号显示正确，口呼：“×（次）、×道进站信号好（了）”。【此为自动触发排路】

注：以上三种排路方式可任选其一。

⑥通过CTC车务终端监视信号及进路表示。

４．３．５ 系统能够进行联控用语培训

系统能够训练各角色掌握联控用语的使用时机、联控内容、联控对象的能力，各角色之间应能够实现联控对话，系统全程记录联控内容，并且应可以对联控的情况自动给出正确的评价。以达到培养各个角色学员掌握联控用语的使用时机、联控内容、联控对象的能力。

４．３．６ 系统可以进行培训组织管理

系统可以通过教师机编制培训内容与计划，培训内容包括正常情况下的接发车标准和非正常情况的接发车标准。系统开发的综合仿真实训系统作业符合以下标准：

双线自动闭塞区段信号员车站：TB/1500.1-2009；

双线自动闭塞区段无信号员车站：TB/1500.2-2009；

半自动闭塞区段信号员车站：TB/1500.3-2009；

半自动闭塞区段无信号员车站：TB/1500.4-2009；

系统对每个学员的学习状况和训练应可以实现全程监控和记录，以便教师了解每个学员的学习时间、进度、水平、考核成绩等信息，并应自动生成报表，方便查询、打印。

４．３．７ 系统满足多种非正常接发列车训练

本系统能够进行非正常状况下接发列车虚拟演练，可以使作业人员在安全的环境下反复进行非正常接发列车的协同演练。教师机可以设置非正常情况下的接发列车环境，比如：电话闭塞法行车、一切电话中断的接发车、进站信号机故障引导接车、出站信号机故障发车等。学员分角色配合训练，从而使作业人员掌握非正常情况下的接发车作业过程。

４．３．８ 系统可进行多站间配合训练

系统调度与车站之间、车站与车站之间是一个有机整体，构成一个完整接近真实的训练环境，其工作关系同铁路运输中真实角色之间的关系一致；站与站之间可以进行呼唤应答、通告列车运行情况和查看临站线路状态情况。

其角色定位有教师来统一规定和分配，教师机可以指定分配各计算机的角色，可以对每个车站指定站型。并且应能够通过设置将各个车站用区间进行连接，可构成一个完整的训练环境。在该环境下，可实现多车站间互相配合训练，完成本站与邻站的相互配合作业、联控作业等训练过程。

４．３．９ 系统满足事故现场再现，进行指挥救援过程模拟

系统开发基于CTC新一代分散自律调度集中系统，可将事故进行情景再现，可以模拟事故发生、发展及处理的过程，锻炼调度人员在非正常情况下的指挥技巧、汇报、联系、采取必要的措施等的处置能力。可以对事故原因进行分析，以避免类似事故的发生。

４．４ 系统调试、试验

系统调试在系统设计、软件开发和现场设备安装完成后进行，包括仿真测试、现场安装调试、子系统调试及系统集成试验等阶段。主要完成对系统/子系统的功能、系统内部接口关系、工程数据配置和系统集成方案等全面测试，并根据测试的结果，调整和优化系统结构，完善系统功能和数据配置。

５ 推广应用前景与措施

传统的理论培训有很多弊端，而采用现场“师傅带徒弟”的形式，由于很多故障现象无法现场模拟，而利用该系统培训，及解决了学校教学的难题，也解决不影响安全生产的前提下，随时随地学习，在加速提高专业人员现场独立操作能力的同时，节约了教育成本。

现在国内开相关专业的高等院校及技校有近百所，全国电务段及路局培训基地有50多个，市场前景广阔。

【参考文献】

［１］陈明莉.基于工作过程的“接发列车”学习情境设计研究[Ｊ].岳阳职业技术学院学报.

［２］林媛春.对健全铁路运输企业内部控制制度的几点思考[Ｊ].经济研究导刊.

［３］苏文胜.铁路系统接发列车作业事故致因模式探讨[Ｊ].工业安全.

［责任编辑：张涛］