張?zhí)焱?馬松花， 支 斌， 韓增盛

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州450052;2.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安710018)

0 引言

近年來(lái)我國(guó)城市軌道交通建設(shè)速度迅猛，各大城市地鐵、輕軌等軌道交通相繼開(kāi)建。目前全國(guó)將近50個(gè)城市都具備了地鐵建設(shè)的需求和條件，在北京、上海、廣州、深圳、天津、杭州、重慶、南京、武漢、成都、鄭州等35個(gè)城市的近期規(guī)劃中，地鐵占72% ，輕軌占10%，預(yù)計(jì)到2015年，投資額是2010年的5.9倍，總投資額約為11 568億元［1］。可以說(shuō)，我國(guó)的城市軌道交通行業(yè)步入一個(gè)跨越式發(fā)展的新階段，已成為世界最大的城市軌道交通市場(chǎng)［2］。城市軌道交通在技術(shù)、管理等方面的先進(jìn)性決定了其需要的是高素質(zhì)、高技能人才，更加重視技術(shù)工人、特別是高級(jí)技術(shù)工人的引進(jìn)與培養(yǎng)，這必將對(duì)學(xué)校和企業(yè)的職業(yè)教育與員工培訓(xùn)提出更高的要求。

城市軌道交通建設(shè)初期需較多基礎(chǔ)建設(shè)人員，建成通車(chē)后更多需求大批精通業(yè)務(wù)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，主要包括:列車(chē)司機(jī)、車(chē)輛維修、供電系統(tǒng)維修、通信控制、車(chē)站值班員、調(diào)度人員、運(yùn)營(yíng)管理等設(shè)施設(shè)備的使用、維修保養(yǎng)和客運(yùn)服務(wù)類(lèi)人員，而這些人員上崗前完善的實(shí)訓(xùn)保障則直接影響著將來(lái)城市軌道交通運(yùn)行的安全性。有關(guān)方面預(yù)計(jì)，短期內(nèi)軌道交通專(zhuān)業(yè)人才供需比例為1∶4，處于供不應(yīng)求的緊俏狀態(tài)，行業(yè)專(zhuān)門(mén)技能型人才短缺，出現(xiàn)了供需矛盾［3］。這從近3年來(lái)鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院為廣州、深圳、武漢等地鐵公司訂單培養(yǎng)城軌車(chē)輛(列車(chē)司機(jī)、車(chē)輛維修)、城軌供電、城軌運(yùn)營(yíng)、城軌控制等專(zhuān)業(yè)人才統(tǒng)計(jì)的結(jié)果也得到了印證［4］。

高職教育特色的形成，離不開(kāi)真實(shí)或虛擬環(huán)境下職業(yè)技術(shù)應(yīng)用能力的實(shí)訓(xùn)演練，而實(shí)訓(xùn)基地則是實(shí)施演練最基本的依托和保障［5］。為使城市軌道交通專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)更符合行業(yè)的發(fā)展需求，更具有針對(duì)性，并加強(qiáng)新技術(shù)、新方法進(jìn)入課堂的速度和周期，我校通過(guò)與鄭州軌道交通有限公司的合作，對(duì)城市軌道交通綜合仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)進(jìn)行研究，在充分調(diào)研、科學(xué)規(guī)劃、共同投入、資源共享的基礎(chǔ)上，做到實(shí)物與仿真相結(jié)合，創(chuàng)造與城市軌道交通運(yùn)營(yíng)環(huán)境完全一致的培訓(xùn)條件，配備上述專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的仿真實(shí)訓(xùn)設(shè)施，通過(guò)虛擬技術(shù)優(yōu)越的實(shí)時(shí)性、強(qiáng)大的交互性、超強(qiáng)的沉浸感可以逼真反應(yīng)現(xiàn)實(shí)事物［6］，營(yíng)造一個(gè)可以直觀(guān)地接觸到“真實(shí)的地鐵”環(huán)境，滿(mǎn)足學(xué)生實(shí)訓(xùn)和為企業(yè)員工培訓(xùn)的需求。

1 綜合仿真實(shí)訓(xùn)基地總體方案

1.1 基地功能

城市軌道交通綜合仿真實(shí)訓(xùn)基地是以影像、圖形圖像、聲音以及可沉浸其中的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、模擬仿真設(shè)備為手段，配以部分實(shí)物實(shí)訓(xùn)設(shè)施的演練場(chǎng)，通過(guò)整體、周密的規(guī)劃，構(gòu)建一個(gè)涵蓋城市軌道交通多個(gè)部門(mén)、多個(gè)工種的綜合性實(shí)訓(xùn)考核基地。該基地能夠輻射城市軌道交通的多個(gè)專(zhuān)業(yè)，可以滿(mǎn)足包括列車(chē)駕駛、車(chē)輛維修、供電系統(tǒng)維修、通信控制、車(chē)站值班員、調(diào)度人員、運(yùn)營(yíng)管理等多種專(zhuān)業(yè)學(xué)生及企業(yè)員工的實(shí)訓(xùn)演練、教學(xué)指導(dǎo)、實(shí)作考核和技能鑒定等。

1.2 基地構(gòu)成

基地整體上分為三大功能區(qū)，即列車(chē)駕駛、車(chē)輛檢修與乘務(wù)服務(wù)實(shí)訓(xùn)區(qū)、行車(chē)調(diào)度指揮控制仿真實(shí)訓(xùn)區(qū)、城軌供用電技術(shù)實(shí)訓(xùn)區(qū)，如圖1所示。

圖1 基地三大功能區(qū)

2 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)技術(shù)要求

2.1 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

該系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)化的多功能仿真培訓(xùn)、考核系統(tǒng)，系統(tǒng)的所有功能模塊都將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連成動(dòng)態(tài)的、有機(jī)的整體，具備統(tǒng)一的登錄、驗(yàn)證、管理機(jī)制。所有模塊均處于教師的監(jiān)控與管理之下，教師負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)日常維護(hù)、教學(xué)組織及考核工作。系統(tǒng)配備了快速以太網(wǎng)交換機(jī)，為系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)通信，網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)具備很強(qiáng)的抗干擾能力。

2.2 系統(tǒng)仿真技術(shù)

2.2.1 列車(chē)性能仿真

包括:列車(chē)運(yùn)行仿真、控制特性仿真、牽引特性仿真、制動(dòng)特性仿真。列車(chē)運(yùn)行仿真是列車(chē)模擬駕駛裝置的成功與否的關(guān)鍵，列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型的優(yōu)劣是決定列車(chē)運(yùn)行行為仿真性能的關(guān)鍵因素。

2.2.2 電、氣路邏輯仿真

應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)并以矢量方式顯示有關(guān)控制電、氣路原理圖，在圖上設(shè)置相應(yīng)的操作按鈕，用以對(duì)原理圖進(jìn)行瀏覽與查看。電、氣路原理圖的動(dòng)態(tài)變化表現(xiàn)為:以適當(dāng)?shù)姆绞皆谠韴D畫(huà)面上顯示電路的實(shí)時(shí)得失電順序、開(kāi)關(guān)的閉合與自復(fù)、線(xiàn)圈的得失電、電流流向。氣路原理圖應(yīng)能夠顯示動(dòng)態(tài)的制動(dòng)機(jī)剖面、綜合作用原理圖，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的顯示各閥、各部件及管路的空氣壓力變化情況。

2.2.3 運(yùn)行環(huán)境仿真

視景系統(tǒng)是模擬駕駛仿真系統(tǒng)中重要的部分，由于其互動(dòng)性、沉浸性等特點(diǎn)對(duì)駕駛員培訓(xùn)提供了快速掌握駕駛先進(jìn)列車(chē)的能力和適應(yīng)駕駛線(xiàn)路的環(huán)境［7］，能夠有效增強(qiáng)培訓(xùn)的實(shí)際效果。

2.2.4 聲音仿真技術(shù)

聲音仿真系統(tǒng)為城市軌道交通的運(yùn)轉(zhuǎn)提供逼真的聽(tīng)覺(jué)效果，通過(guò)聲音仿真系統(tǒng)能夠逼真地仿真城市軌道交通中列車(chē)運(yùn)行、調(diào)度指揮及供電系統(tǒng)的各種聲音。

2.3 多媒體技術(shù)

采用矢量圖形來(lái)精細(xì)地表現(xiàn)控制面板等部件，并可以放大更仔細(xì)地觀(guān)察局部面板的狀態(tài);制作精美、形象的二維矢量動(dòng)畫(huà)作為教學(xué)模型，將原先難以通過(guò)照片和視頻等手段描述的事物生動(dòng)地展現(xiàn)出來(lái);建立三維仿真教學(xué)模型，將抽象的或難以描述的事物具體化，并制作出生動(dòng)、形象的動(dòng)畫(huà)，模擬出傳統(tǒng)授課或多媒體教學(xué)軟件不能實(shí)現(xiàn)的過(guò)程［8］;演示型多媒體教學(xué)軟件能吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，提供人機(jī)交互操作，可直接通過(guò)多媒體教學(xué)軟件進(jìn)行練習(xí)、體驗(yàn)和測(cè)試，提高學(xué)習(xí)的效果。

2.4 虛擬演練仿真模型技術(shù)

系統(tǒng)構(gòu)建了虛擬演練三維數(shù)字仿真模型，能夠達(dá)到:實(shí)際設(shè)備上的所有可操控設(shè)備在該三維數(shù)字化列車(chē)內(nèi)均具有可操作性，且具有與實(shí)際相符合的操作方式、動(dòng)作過(guò)程、操作邏輯。能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生在其內(nèi)部的漫游及相應(yīng)的操作處理，在虛擬條件下操作可操控的任何設(shè)備，同時(shí)電氣、儀表、顯示、報(bào)警設(shè)備能夠產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的變化［9］，其現(xiàn)象、結(jié)果與真實(shí)系統(tǒng)相同，使專(zhuān)業(yè)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)高效地結(jié)合。

3 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)方案說(shuō)明

3.1 列車(chē)駕駛、車(chē)輛檢修與乘務(wù)服務(wù)實(shí)訓(xùn)

3.1.1 列車(chē)駕駛模擬仿真實(shí)訓(xùn)

(1)主要功能。能完成列車(chē)操縱方法和駕駛技巧的實(shí)訓(xùn)、熟悉駕駛線(xiàn)路和操作駕駛臺(tái)顯示設(shè)備的實(shí)訓(xùn)、訓(xùn)練對(duì)不同信號(hào)的反應(yīng)、訓(xùn)練列車(chē)制動(dòng)的施加、訓(xùn)練列車(chē)緊急狀態(tài)下的駕駛、訓(xùn)練應(yīng)急狀況與突發(fā)條件下的駕駛、訓(xùn)練與調(diào)度、車(chē)站的通訊等［10］。

(2)設(shè)備組成(如圖2所示)。

圖2 列車(chē)駕駛模擬仿真實(shí)訓(xùn)

模擬駕駛艙:采用鄭州地鐵一號(hào)線(xiàn)所用B型車(chē)駕駛艙，外觀(guān)、長(zhǎng)度一致與真實(shí)列車(chē)保持一致;司機(jī)室內(nèi)飾、司機(jī)臺(tái)上的操縱、顯示、按鈕、指示燈等設(shè)備與真實(shí)列車(chē)一致。

司機(jī)駕駛臺(tái):配備有與真實(shí)列車(chē)一致的內(nèi)部設(shè)備、設(shè)施，包括完整的運(yùn)行控制和顯示設(shè)備，且都具有可操作性，與實(shí)際列車(chē)上的對(duì)應(yīng)設(shè)備具有相同的功能與控制邏輯，通過(guò)對(duì)這些設(shè)備的操縱實(shí)現(xiàn)列車(chē)的模擬駕駛與控制。

視景顯示系統(tǒng):前向視景采用單通道弧形幕視景系統(tǒng)，能夠?yàn)樗緳C(jī)提供水平視角不小于120°的駕駛視景。主要提供前方軌道、沿途車(chē)站及景觀(guān)的視圖，能夠?yàn)樗緳C(jī)提供高度沉浸感的列車(chē)運(yùn)行環(huán)境。后向視鏡可顯示站臺(tái)旅客流量、客室車(chē)門(mén)與站臺(tái)屏蔽門(mén)的動(dòng)作狀況、乘客上下車(chē)、各種作業(yè)模式下的站務(wù)人員手信號(hào)等［11］。停車(chē)對(duì)標(biāo)系統(tǒng)采用數(shù)字顯示停車(chē)對(duì)標(biāo)的距離，以方便乘務(wù)人員進(jìn)行停車(chē)對(duì)標(biāo)演練。

3.1.2 車(chē)輛檢修作業(yè)實(shí)訓(xùn)

(1)主要功能?？砂凑鎸?shí)的作業(yè)環(huán)境，完成對(duì)受電弓、電機(jī)、控制裝置、電氣裝置、空調(diào)裝置、轉(zhuǎn)向架、空氣制動(dòng)裝置、車(chē)鉤緩沖裝置、門(mén)控系統(tǒng)、蓄電池等部件進(jìn)行外觀(guān)檢查和保養(yǎng)等列檢作業(yè)實(shí)訓(xùn);完成對(duì)車(chē)輛的主要部件進(jìn)行目測(cè)檢查和操作試驗(yàn)，及時(shí)處理影響行車(chē)安全故障的周檢作業(yè)實(shí)訓(xùn);完成對(duì)車(chē)輛主要部件進(jìn)行更深入的檢查、操作試驗(yàn)，及時(shí)處理影響行車(chē)安全故障的月檢作業(yè)實(shí)訓(xùn);完成車(chē)輛的日常運(yùn)用整備、檢查保養(yǎng)作業(yè)的生產(chǎn)組織、管理過(guò)程等的車(chē)輛運(yùn)用管理實(shí)訓(xùn)［12-13］。

(2)設(shè)備組成。仿真客室車(chē)體、三層立體檢修設(shè)備、受電弓、轉(zhuǎn)向架等，如圖1所示。

3.1.3 乘務(wù)服務(wù)實(shí)訓(xùn)

(1)主要功能。能完成車(chē)站作業(yè)實(shí)訓(xùn)，可模擬真實(shí)的自動(dòng)售檢票系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，進(jìn)行售檢票(AFC)及進(jìn)站等旅客服務(wù)方面的實(shí)訓(xùn)。

(2)設(shè)備組成。閘機(jī)、自動(dòng)售票設(shè)備、屏蔽門(mén)、站臺(tái)等。

3.2 行車(chē)調(diào)度指揮控制仿真實(shí)訓(xùn)

3.2.1 控制中心(OCC)模擬仿真實(shí)訓(xùn)

(1)主要功能。能完成控制中心ATS功能的模擬實(shí)訓(xùn)和行車(chē)調(diào)度員作業(yè)內(nèi)容模擬實(shí)訓(xùn)。

(2)設(shè)備組成。控制中心(OCC)模擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)(包括控制中心OCC模擬仿真實(shí)訓(xùn)軟件一套、顯示屏、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、調(diào)度員工作站等設(shè)備)、工作臺(tái)等，如圖3所示。

圖3 控制中心(OCC)模擬仿真實(shí)訓(xùn)

3.2.2 車(chē)站控制室模擬仿真實(shí)訓(xùn)

(1)主要功能。能完成車(chē)站ATS基本功能的模擬實(shí)訓(xùn)和行車(chē)值班員作業(yè)內(nèi)容模擬實(shí)訓(xùn)。

(2)設(shè)備組成。車(chē)站控制室模擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、行車(chē)值班員工作站、工作臺(tái)等，模擬仿真視景如圖4所示。

圖4 車(chē)站站臺(tái)和隧道模擬仿真視景

3.3 城軌供用電技術(shù)仿真實(shí)訓(xùn)

3.3.1 牽引變電所模擬仿真實(shí)訓(xùn)

(1)主要功能。虛擬仿真模型能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生在其內(nèi)部的漫游及相應(yīng)的操作處理，使學(xué)生可以進(jìn)行倒閘作業(yè)、斷路器操作、隔離開(kāi)關(guān)操作、電壓互感器切換等值班員和助理值班員的正常操作仿真訓(xùn)練。還可根據(jù)課程任務(wù)模擬設(shè)置變電所的各種常見(jiàn)故障，進(jìn)行故障處理演練實(shí)訓(xùn)［14］。

(2)設(shè)備組成。由室內(nèi)一套包括教學(xué)軟件、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和硬件組成的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)和一個(gè)室外變電所實(shí)訓(xùn)演練場(chǎng)兩部分組成，如圖5所示。

圖5 牽引變電所模擬仿真實(shí)訓(xùn)

3.3.2 接觸網(wǎng)供電模擬仿真實(shí)訓(xùn)

(1)主要功能?？衫枚嗝襟w軟件對(duì)接觸網(wǎng)零部件結(jié)構(gòu)原理及維修作業(yè)進(jìn)行理論教學(xué)，并可完成接觸網(wǎng)的施工、檢修與維護(hù)等實(shí)訓(xùn)工作。

(2)設(shè)備組成。有接觸網(wǎng)二個(gè)錨段、軟橫跨兩組、線(xiàn)岔一組、隔離開(kāi)關(guān)一組、分段絕緣器一組、分相絕緣器三組及各種測(cè)量、作業(yè)工具和零部件等［15］，演示畫(huà)面如圖6所示。

4 主要特色

(1)利用多媒體的文字、聲音、圖片和圖像等大量信息進(jìn)行教學(xué)，具備簡(jiǎn)潔、美觀(guān)的交互式人機(jī)界面，并可方便地進(jìn)行播放控制，實(shí)現(xiàn)了生動(dòng)的場(chǎng)景交互式教學(xué)。

圖6 接觸網(wǎng)演示畫(huà)面

(2)可由教師提前設(shè)置演練任務(wù)，并對(duì)演練過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，也可以在學(xué)生演練過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)演練進(jìn)行干預(yù)，能夠?qū)崟r(shí)設(shè)置各類(lèi)故障，也可將預(yù)設(shè)的故障實(shí)時(shí)取消。

(3)具備完整的考核評(píng)價(jià)體系，學(xué)生的每一次訓(xùn)練都作為一個(gè)訓(xùn)練記錄保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，包括學(xué)生信息和訓(xùn)練記錄等。對(duì)于有標(biāo)準(zhǔn)操作答案的項(xiàng)目，系統(tǒng)將自動(dòng)評(píng)判出成績(jī)并記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中;對(duì)于沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)操作答案的項(xiàng)目，系統(tǒng)將操作記錄上報(bào)服務(wù)器，教師可根據(jù)操作記錄進(jìn)行進(jìn)一步的審閱、評(píng)判、管理，最后發(fā)布成績(jī)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于科學(xué)的職業(yè)教育理念和先進(jìn)的交互虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院與鄭州軌道交通公司合作建立“校中廠(chǎng)”，構(gòu)建逼真的城市軌道交通綜合仿真實(shí)訓(xùn)基地，使專(zhuān)業(yè)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)實(shí)現(xiàn)有機(jī)高效地結(jié)合，為提高學(xué)生和企業(yè)員工的設(shè)備操作使用、維修及故障排除能力提供了極佳的訓(xùn)練平臺(tái)。

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