馮 博 王 甜

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1) 河北石家莊 050041石家莊軌道交通有限公司運營分公司2) 河北石家莊 050035）

1 引言

隨著我們高速鐵路快速發(fā)展、“一帶一路”戰(zhàn)略的實施、現(xiàn)代學(xué)徒制的探索與實踐以及大國工匠精神的弘揚(yáng)，人們對高速鐵路的認(rèn)知度及國家對鐵路人才的需求量逐步增大，然而通過鐵道博物館等場所普及鐵路知識，以及大中專鐵路院校、鐵路運營施工單位通過傳統(tǒng)的書本教育教學(xué)理念，己不能滿足新形勢下對鐵路人才培養(yǎng)的要求。所以，運用計算機(jī)輔助設(shè)計、VR（虛擬現(xiàn)實）仿真及AR（增強(qiáng)現(xiàn)實）技術(shù)全面構(gòu)建出鐵路接近真實的運輸工程環(huán)境，從而建立集科普、教學(xué)、培訓(xùn)、職業(yè)技能鑒定于一身的多功能教育培訓(xùn)系統(tǒng)已迫在眉睫。

因此，我院聯(lián)合深圳量子引擎科技有限公司聯(lián)合研發(fā)了一套全新的高速鐵路綜合教育教學(xué)平臺，將傳統(tǒng)科普教育形式與計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)結(jié)合，既保障了傳統(tǒng)鐵路電子沙盤的優(yōu)點，又將互聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)應(yīng)用到鐵路教育行業(yè)，充分迎合了“互聯(lián)網(wǎng)+”公共服務(wù)的設(shè)計思路。平臺學(xué)習(xí)資源豐富，可直觀的展示鐵路的運行場景，虛擬仿真鐵路運營單位工種的工作流程，能滿足人們對鐵路的科普認(rèn)知、鐵路相關(guān)課程教學(xué)、技術(shù)培訓(xùn)等需求。

2 高速鐵路教學(xué)培訓(xùn)虛擬仿真平臺簡介

高速鐵路教學(xué)培訓(xùn)虛擬仿真平臺包括以下幾部分：電子沙盤主體、牽引供電系統(tǒng)、驅(qū)動采集系統(tǒng)、聯(lián)鎖控制系統(tǒng)、無線遙控機(jī)車系統(tǒng)以及VR虛擬現(xiàn)實和AR增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)。平臺以鐵路電子沙盤實物模擬動態(tài)展現(xiàn)，如圖1所示，在基于現(xiàn)場的沙盤縮略模型上，構(gòu)建鐵路供電、信號、道岔、軌道電路、機(jī)車、車輛等實物對象，通過通信系統(tǒng)、信號控制系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)等實現(xiàn)對各對象的動態(tài)仿真過程，并運用計算機(jī)輔助設(shè)計、VR及AR技術(shù)將高鐵模擬駕駛、高速特殊工種的檢修的工作進(jìn)行互動式的虛擬現(xiàn)實仿真。

下面以高速鐵路控制綜合仿真流程實驗為例，說明本平臺系統(tǒng)在高速鐵路列車檢修、模擬駕駛、供電、信號控制等全專業(yè)鏈實驗教學(xué)中的應(yīng)用。

3 高速鐵路綜合全流程仿真實驗設(shè)計

實驗內(nèi)容主要包括：高鐵列車檢修仿真；高鐵列車模擬駕駛仿真；牽引供電系統(tǒng)仿真；手動、自動排列進(jìn)路，開放信號，進(jìn)路解鎖，道岔操縱，取消進(jìn)路；兩列列車一前一后同向運行，觀察列車追蹤運行情況。

3.1 高鐵列車檢修仿真

基于VR虛擬現(xiàn)實的地勤機(jī)械師培訓(xùn)系統(tǒng)，主要對動車所地勤機(jī)械師檢修高鐵動車組列車的相關(guān)流程及注意事項、檢修要點等工作進(jìn)行詳細(xì)介紹。使相關(guān)技術(shù)人員及相關(guān)專業(yè)學(xué)生對該工種及動車組列車的基本情況有準(zhǔn)確的認(rèn)知，為今后從事相關(guān)工作奠定良好的基礎(chǔ)。

具體包括車頂設(shè)備檢修、車下地溝檢修和車體兩側(cè)檢修三部分。每部分按照動車組地勤機(jī)械師工種的檢修內(nèi)容對相關(guān)要點進(jìn)行設(shè)置。如圖2所示。

圖1 平臺沙盤主體實物圖

圖2 VR虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)仿真內(nèi)容

3.2 高鐵列車模擬駕駛仿真

基于AR增強(qiáng)現(xiàn)實的高鐵模擬駕駛系統(tǒng)以在沙盤車輛段等待發(fā)車的CRH380A型和諧號動車組為原型，設(shè)置掃描點標(biāo)記。模擬高鐵駕駛員在整個沙盤線路上駕駛高鐵列車的過程，包括開車前的相關(guān)準(zhǔn)備工作、駕駛過程中的停車、加速、減速、制動等相關(guān)作業(yè)操作。使高鐵駕駛等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生能夠身臨其境的感受并熟悉高鐵列車駕駛的相關(guān)操作步驟及注意事項，為今后從事相關(guān)方面的工作打下良好的基礎(chǔ)。相關(guān)操作界面如圖3所示。

3.3 牽引供電系統(tǒng)仿真

平臺打破傳統(tǒng)商業(yè)化鐵路沙盤簡易供電方式的壁壘，創(chuàng)新采用架空接觸網(wǎng)給高速動車組列車供電，架空接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)采用半補(bǔ)償懸掛裝置與全補(bǔ)償懸掛裝置，車站采用軟、硬橫跨結(jié)合,車輛段采用軟橫跨，線路上設(shè)有分段絕緣器、錨段關(guān)節(jié)、中心錨節(jié)、饋電線、電連接器、回流線等設(shè)備及各種線路、信號標(biāo)志齊全，與真實運營情況完全相同。既保證了列車的運行速度，也能夠真實還原鐵路供電系統(tǒng)的基本原理及工作運營場景，以滿足鐵路及軌道交通相關(guān)院校、相關(guān)專業(yè)對學(xué)生的教育教學(xué)目的，又能夠滿足軌道交通及鐵路施工、運營單位培訓(xùn)員工的目的。架空接觸網(wǎng)如圖4所示。

圖3 AR增強(qiáng)現(xiàn)實高鐵模擬駕駛仿真

圖4 沙盤架空接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)實物圖

該供電系統(tǒng)作為整個平臺系統(tǒng)的電力來源，包括軌道供電單元、道岔供電單元、信號機(jī)供電單元、盤體控制器供電單元、上位機(jī)供電單元五大部分。沙盤從牽引變電所向接觸網(wǎng)輸送+24V電壓，經(jīng)受電弓取電為車載板提供工作電壓，最后軌道回流線流向牽引變電所，從而構(gòu)成完整的牽引供電回路。

3.4 信號聯(lián)鎖控制系統(tǒng)仿真

信號聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是整個平臺系統(tǒng)的核心，直接影響到整個平臺主體沙盤的信號采集系統(tǒng)、車機(jī)聯(lián)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的優(yōu)劣。系統(tǒng)硬件平臺主要分為中央處理單元、軌道電路單元、道岔操作單元、信號機(jī)控制單元、感應(yīng)點采集單元五大部分，均具有邏輯處理與通信功能。

其中，軌道可以提供運行線路，放置道岔、信號機(jī)與感應(yīng)點等部件，還通過軌道絕緣節(jié)將整個軌道劃分為若干段軌道電路，為更好的與上位機(jī)通信做準(zhǔn)備；道岔位于軌道之上，通過道岔線纜與道岔控制器相連，受控于道岔操作單元，上位機(jī)可根據(jù)需要通過道岔操作單元將道岔搬動到定位位置或反位位置，為列車進(jìn)、出站等聯(lián)鎖功能提供通路。

信號機(jī)放置于軌道旁，根據(jù)擺放位置分為上行進(jìn)站信號機(jī)、上行出站信號機(jī)、下行進(jìn)站信號機(jī)、下行出站信號機(jī)，根據(jù)顯示可分為兩顯示信號機(jī)和三顯示信號機(jī)，所有信號機(jī)通過信號機(jī)線纜與信號機(jī)控制單元相連，受控于信號機(jī)控制單元，上位機(jī)可根據(jù)需要對各信號機(jī)顯示進(jìn)行控制，為列車的運行提供信號顯示，反應(yīng)列車真實的運行情況；

感應(yīng)點放置于軌道下方，采用電磁原理的干簧管與射頻原理的射頻卡共同作為感應(yīng)點的具體實現(xiàn)器件，通過定位線纜與感應(yīng)點采集單元相連，將列車的定位信息通過感應(yīng)點采集單元傳送至上位機(jī)，為確定列車的位置提供依據(jù)。模擬軌旁設(shè)備單元實物如圖5所示。

圖5 模擬軌旁設(shè)備單元實物圖

圖6 上位機(jī)聯(lián)鎖控制界面及車控界面圖

此外，整個系統(tǒng)通過上位機(jī)對整個平臺車機(jī)聯(lián) 控、信號聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行控制，上位機(jī)控制軟件運行于PC機(jī)之上，根據(jù)需求，共設(shè)置四個上位機(jī)界面，兩個車站站場界面、一個車輛段站場界面、一個CTC的全局界面。操作人員既可通過車站操作界面 對站內(nèi)聯(lián)鎖設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作，如控制機(jī)車運行、排列進(jìn)路、開放信號、進(jìn)路解鎖、道岔操縱、取消進(jìn)路等；也可通過CTC操作界面對整條線路內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作，實現(xiàn)全線調(diào)度集中的功能。平臺系統(tǒng)中模擬石家莊站、正定站和車輛段的上位機(jī)聯(lián)鎖控制界面及車控界面如圖6所示。

4 結(jié)語

本文分析了高速鐵路及軌道交通控制相關(guān)專業(yè)教學(xué)中存在的問題，提出了利用高速鐵路綜合虛擬真平臺進(jìn)行實驗、實踐教學(xué)的解決方法，以高速鐵路綜合全流程仿真實驗設(shè)計為例來說明該仿真平臺系統(tǒng)的組成及應(yīng)用，分別介紹了高鐵列車檢修仿真；高鐵列車模擬駕駛仿真；牽引供電系統(tǒng)仿真；手動、自動排列進(jìn)路，開放信號，進(jìn)路解鎖，道岔操縱，取消進(jìn)路；兩列列車一前一后同向運行，觀察列車追蹤運行情況等原理及操作方法。通過該平臺，有利于學(xué)生及相關(guān)工作人員直觀的掌握高速鐵路系統(tǒng)的組成、工作過程等，能有效滿足電氣化鐵路相關(guān)課程教學(xué)、技術(shù)培訓(xùn)等需求。