吳 畏

(成都地鐵運營有限公司，610031，成都//高級工程師)

城市軌道交通運營線路的激增，導(dǎo)致了行業(yè)技術(shù)人員的稀釋，尤其是大量學(xué)校畢業(yè)生成為運營單位的主力軍，在此情況下，傳統(tǒng)模式的課堂式教學(xué)或?qū)嵨镌O(shè)備模擬操作的弊端顯得較為突出，主要體現(xiàn)為教學(xué)理論枯燥、實際操作的頻次和深度不足等。隨著工業(yè)信息化和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維仿真技術(shù)日趨成熟，在各行業(yè)中的應(yīng)用也比較廣泛，采用三維技術(shù)建設(shè)城市軌道交通運營仿真實訓(xùn)系統(tǒng)[1-4]。

1 城市軌道交通運營仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

在建設(shè)城市軌道交通運營仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的過程中，由于建設(shè)資金、場地及調(diào)研深度等方面的原因，不同單位在建設(shè)過程中有不同的需求，或存在較大區(qū)別。目前，我國建設(shè)的城市軌道交通運營仿真實訓(xùn)系統(tǒng)主要以實物設(shè)備培訓(xùn)為主，大多為駕駛模擬和調(diào)度運營模擬,主要為司機(jī)、調(diào)度及站務(wù)類人員的培訓(xùn)[3-4]，針對設(shè)備專業(yè)的仿真培訓(xùn)較少，但也有一些有益的嘗試，如文獻(xiàn)[2]提出了軌道結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)仿真的概念，文獻(xiàn)[1]介紹了通過校企合作建設(shè)供用電技術(shù)仿真系統(tǒng)的方式。

成都地鐵自2013年開始啟動實訓(xùn)基地建設(shè)，經(jīng)反復(fù)論證且經(jīng)各專業(yè)充分溝通，確定了既要建設(shè)典型設(shè)備的實物培訓(xùn)系統(tǒng)，又要建設(shè)各專業(yè)基于三維仿真的虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)的理念。因此，實訓(xùn)基地建設(shè)應(yīng)包含實物設(shè)備仿真培訓(xùn)與基于三維的仿真實訓(xùn)兩大部分，其中實物設(shè)備仿真培訓(xùn)主要包括1節(jié)真實的電客車、模擬車站及各專業(yè)典型設(shè)備等；三維仿真實訓(xùn)系統(tǒng)包含調(diào)度綜合實訓(xùn)系統(tǒng)、模擬駕駛仿真培訓(xùn)系統(tǒng)、運營管理及維保設(shè)備三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)及綜合培訓(xùn)考試系統(tǒng)4個子系統(tǒng)，同時仿真實訓(xùn)多媒體教室的相關(guān)設(shè)備亦包含在內(nèi)。系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1所示。

三維仿真實訓(xùn)系統(tǒng)主要通過三維建模技術(shù)，創(chuàng)建虛擬地鐵場景；通過整合實物和電子沙盤、模擬駕駛器、模擬車站以及設(shè)備仿真軟件，實現(xiàn)互聯(lián)互通。該系統(tǒng)具備教學(xué)、練習(xí)、考核、評價等功能，可實現(xiàn)地鐵運營過程中各環(huán)節(jié)的聯(lián)動模擬操作培訓(xùn)。

圖1 城市軌道交通運營仿真實訓(xùn)系統(tǒng)功能架構(gòu)

2 運營仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的組成

2.1 調(diào)度綜合實訓(xùn)系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)特點

調(diào)度綜合實訓(xùn)系統(tǒng)(以下簡為“調(diào)度系統(tǒng)”)以某線路相應(yīng)的CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備為參考原型，按照“線網(wǎng)指揮中心—控制中心—車站—線路—車輛段—列車”的結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建。該系統(tǒng)具有各個系統(tǒng)獨立運行和聯(lián)合演練功能，能充分展示地鐵運營和控制特點，并可以為運營類及各運營保障類的崗位人員提供系統(tǒng)性與綜合性的培訓(xùn)?？刂浦行膶嵱?xùn)室仿真效果如圖2所示。

圖2 控制中心實訓(xùn)室

2.1.2 系統(tǒng)功能

調(diào)度系統(tǒng)可根據(jù)模擬參數(shù)進(jìn)行動態(tài)演示；可進(jìn)行地鐵常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)化訓(xùn)練、故障狀態(tài)下的訓(xùn)練、突發(fā)事件處理和非正常行車訓(xùn)練；可對各種運營方案進(jìn)行預(yù)演；可進(jìn)行重大故障情況下各種解決方案的訓(xùn)練與比選；可更改運行條件和參數(shù)設(shè)置；可對受訓(xùn)學(xué)員的訓(xùn)練過程及訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行客觀評價并生成評價結(jié)果。調(diào)度系統(tǒng)還能打印出學(xué)員實訓(xùn)記錄以及計劃和實際運行圖。

2.1.3 系統(tǒng)配置

調(diào)度系統(tǒng)包括線網(wǎng)指揮中心(COCC)仿真系統(tǒng)、調(diào)度(綜合監(jiān)控)仿真系統(tǒng)、電子沙盤系統(tǒng)、實物沙盤系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、大屏顯示系統(tǒng)及電源系統(tǒng)(同時可作為整個實訓(xùn)系統(tǒng)的后備電源)等。該系統(tǒng)由于集成模擬駕駛和沙盤等功能，對于聯(lián)動要求較高，需采用兩套獨立服務(wù)器才能保證運行。

2.1.4 系統(tǒng)建設(shè)的創(chuàng)新點及難點

調(diào)度系統(tǒng)首次進(jìn)行了COCC的模擬仿真，將實物和電子沙盤結(jié)合，并在大屏中投影，是該系統(tǒng)的創(chuàng)新點。同時由于招標(biāo)時COCC的建設(shè)尚未完成，該系統(tǒng)的模擬仿真只能根據(jù)設(shè)計圖紙同步開展，這也成為該系統(tǒng)的建設(shè)難點之一。

2.2 模擬駕駛仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)特點

模擬駕駛仿真培訓(xùn)系統(tǒng)(以下簡為“駕駛系統(tǒng)”)能夠?qū)崿F(xiàn)地鐵列車的性能模擬與運行環(huán)境模擬，能夠真實地模擬地鐵列車在各種運行環(huán)境與工況下的運行狀況、操縱特性、牽引/制動特性以及其它特性。該系統(tǒng)可與調(diào)度綜合實訓(xùn)系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)。

2.2.2 系統(tǒng)功能

駕駛系統(tǒng)應(yīng)能夠模擬某線列車駕駛臺、操作設(shè)備與其基本功能保持一致，以滿足乘務(wù)人員、車輛檢修維護(hù)人員對于列車基本運行相關(guān)的操作方法、操作規(guī)程與操作步驟，以及列車運行中出現(xiàn)的故障及突發(fā)事件的處理方法、處理規(guī)程及處理步驟等培訓(xùn)功能。

所有駕駛系統(tǒng)均可以獨立運行，亦可以聯(lián)合運行，還可以與調(diào)度系統(tǒng)、模擬車站進(jìn)行聯(lián)動，實現(xiàn)聯(lián)合演練功能。

2.2.3 系統(tǒng)配置

駕駛系統(tǒng)由操縱設(shè)備、列車運行仿真系統(tǒng)、視景仿真系統(tǒng)、聲音仿真系統(tǒng)、通訊仿真系統(tǒng)、虛擬列車設(shè)備系統(tǒng)及故障/突發(fā)事件的模擬系統(tǒng)等組成。模擬駕駛系統(tǒng)應(yīng)包括1套車內(nèi)模擬駕駛培訓(xùn)設(shè)備、1套教員設(shè)備及多套簡易型模擬駕駛培訓(xùn)設(shè)備，如圖3所示。

2.2.4 系統(tǒng)建設(shè)的創(chuàng)新點

駕駛系統(tǒng)的視景采用了全線實景模擬，正向和側(cè)向均設(shè)置模擬顯示屏，并且創(chuàng)新性地安裝在真實的電客車駕駛室內(nèi);同時可以聯(lián)動電子、實物沙盤及模擬車站，并首次將調(diào)度系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)與模擬車站進(jìn)行了聯(lián)動，這是該系統(tǒng)的創(chuàng)新點，同時系統(tǒng)間的可靠聯(lián)動，亦是該系統(tǒng)的建設(shè)難點。

圖3 列車模擬駕駛實訓(xùn)室

2.3 運營管理及維保設(shè)備三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)特點

運營管理及維保設(shè)備三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)(以下簡為“三維系統(tǒng)”)，采用三維仿真技術(shù)，基于某線路的真實場景(見圖4)，構(gòu)建虛擬的COCC、OCC(運營控制中心)、車輛段、車站、隧道及相關(guān)設(shè)備三維模型，并能以全景展示、透明剖視、自由漫游及交互操作等形式呈現(xiàn)。三維系統(tǒng)基于地鐵應(yīng)用場景的全景3D模擬，實現(xiàn)設(shè)定任務(wù)的動畫介紹、模擬操作和考試。該系統(tǒng)主要運用于運營和維保專業(yè)的業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)、維修工藝、故障處置及應(yīng)急演練等任務(wù)，并可根據(jù)任務(wù)的大小和參培人員的數(shù)量選擇適當(dāng)?shù)木C合仿真實訓(xùn)室來開展相應(yīng)的培訓(xùn)工作。

圖4 某線路仿真場景

2.3.2 系統(tǒng)功能

三維系統(tǒng)基于運營管理操作流程和專業(yè)設(shè)備檢修(操作)管理,從操作流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)介紹、檢修(操作)標(biāo)準(zhǔn)化等方面全面實現(xiàn)了場景全貌模擬，以及實現(xiàn)了檢修(操作)流程、檢修工藝、故障處理及聯(lián)動演練等模擬培訓(xùn)、訓(xùn)練和考試任務(wù)。通過三維交互式仿真系統(tǒng)，直觀地反映地鐵運營作業(yè)流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)及檢修(操作)過程。

該系統(tǒng)的主要功能包括：實現(xiàn)對運營管理流程、主要設(shè)備結(jié)構(gòu)及性能的介紹；實現(xiàn)典型標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程的模擬及考核；實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)的三維模擬檢修仿真；實現(xiàn)多專業(yè)聯(lián)動演練功能，同時系統(tǒng)中的動畫配備文字介紹及動畫配音等功能。

三維仿真可逼真地模擬實際場景、設(shè)備的外觀形狀、顯示界面、幾何結(jié)構(gòu)、機(jī)械閉鎖、操作機(jī)構(gòu)的外形顯示方式及操作方式，使虛擬設(shè)備在正常運行和事故情況下的動作現(xiàn)象(如動作行為、聲響、燈光、表計顯示等)與實際設(shè)備保持一致。

2.3.3 系統(tǒng)配置

三維系統(tǒng)應(yīng)包含線網(wǎng)指揮、調(diào)度指揮、車站客運及車場乘務(wù)等4個運營管理模塊內(nèi)容,以及供電、自動化、信號、AFC(自動售檢票)系統(tǒng)、車站設(shè)備、車輛及車輛段設(shè)備仿真培訓(xùn)系統(tǒng)等6個專業(yè)設(shè)備模塊。此外，三維系統(tǒng)需單獨配置1臺服務(wù)器。

2.3.4 系統(tǒng)建設(shè)的創(chuàng)新點

三維系統(tǒng)創(chuàng)新性地提出了城市軌道交通運營全專業(yè)的交互式虛擬仿真，真實地還原了生產(chǎn)現(xiàn)場、設(shè)備狀態(tài)和操作步驟，并且具備多角色演練功能，但由于模型及流程數(shù)據(jù)量極大，涉及的專業(yè)較多，需要業(yè)主、供應(yīng)商等密切配合，這也是該系統(tǒng)的建設(shè)難點。

2.4 綜合培訓(xùn)考試系統(tǒng)

綜合培訓(xùn)考試系統(tǒng)主要由管理員端、教員端、學(xué)員端3大系統(tǒng)模塊組成。該系統(tǒng)可以利用多媒體教室進(jìn)行當(dāng)?shù)嘏嘤?xùn)；同時學(xué)員也可以通過信息化網(wǎng)絡(luò)平臺，隨時登陸系統(tǒng)通過IE瀏覽器或APP等形式進(jìn)行學(xué)習(xí)。綜合培訓(xùn)考試系統(tǒng)需建設(shè)基于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)員學(xué)習(xí)培訓(xùn)考試平臺，培訓(xùn)內(nèi)容如課件、考卷等可支持用戶自行添加。

培訓(xùn)考核需要外部網(wǎng)絡(luò)支持，應(yīng)單獨配置1臺服務(wù)器，同時考慮網(wǎng)絡(luò)安全問題，需配置防火墻。

3 運營仿真實訓(xùn)各系統(tǒng)之間的聯(lián)動關(guān)系

1)調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)考慮與模擬車站進(jìn)行聯(lián)動，以及與模擬駕駛系統(tǒng)在實體和電子沙盤均能實現(xiàn)聯(lián)動，該系統(tǒng)主要用于調(diào)度、乘務(wù)、站務(wù)專業(yè)實操與聯(lián)動演練，以及電客車司機(jī)的模擬駕駛培訓(xùn)。

2)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)作為高度集成化的純虛擬的仿真軟件模塊，其專業(yè)和設(shè)備配置比較全面，可考慮獨立運行。該系統(tǒng)主要運用于運營和維保專業(yè)的業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備原理、維修工藝、故障處置及應(yīng)急演練等任務(wù)。

3)綜合培訓(xùn)考試系統(tǒng)，主要是建設(shè)基于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)員學(xué)習(xí)培訓(xùn)考試平臺，培訓(xùn)內(nèi)容如課件、考卷等可由用戶自行添加，同時可采用瀏覽器和手機(jī)APP的方式進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，以解決集中培訓(xùn)較為困難的日常培訓(xùn)及考核問題。該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)不聯(lián)動，但其他系統(tǒng)的培訓(xùn)考核數(shù)據(jù)需接入該系統(tǒng)。

各系統(tǒng)間的聯(lián)動關(guān)系及網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 各系統(tǒng)間的聯(lián)動關(guān)系示意圖

4 教學(xué)管理設(shè)置

系統(tǒng)教學(xué)管理分為管理員、教員、學(xué)員3個權(quán)限級別。其中，管理員擁有最高權(quán)限，能夠統(tǒng)一監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺，并制定教員及學(xué)員權(quán)限；教員通過管理員權(quán)限設(shè)定，能實現(xiàn)課程的設(shè)計和管理、培訓(xùn)模式的控制、訓(xùn)練過程的監(jiān)控，以及指導(dǎo)及干預(yù)學(xué)員的操作過程等任務(wù)，并能以觀察者模式選擇、跟蹤及觀察學(xué)員的操作過程和多人聯(lián)動任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)；學(xué)員能夠按照教師發(fā)布的任務(wù)和指令，進(jìn)行相關(guān)課程的學(xué)習(xí)、練習(xí)及考核。

培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)具備統(tǒng)一的登錄界面，不同類型的用戶登錄后可進(jìn)入相應(yīng)的場景。教員賬號登錄后可閱覽全部仿真場景的大地圖畫面，同時可執(zhí)行自由漫游瀏覽、培訓(xùn)模式選擇、實施故障設(shè)置、教學(xué)跟蹤等任務(wù)；學(xué)員賬號登陸后，以第三人稱角度進(jìn)入工班或工作崗位等待完成教員分配的培訓(xùn)模式及任務(wù)。

5 結(jié)語

城市軌道交通運營仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，基于虛擬線路級的三維仿真環(huán)境，具有占地面積小、不磨損設(shè)備、不占用運營時間和設(shè)施、無任何安全風(fēng)險、可培訓(xùn)的設(shè)施多及培訓(xùn)精細(xì)化程度高等優(yōu)點，是一個能提供深度培訓(xùn)和多專業(yè)聯(lián)動培訓(xùn)的平臺，為從業(yè)人員的培訓(xùn)、企業(yè)的大型演練和運營方案選型提供了新手段，能夠有效提高城市軌道交通運營管理和檢修、操作過程的標(biāo)準(zhǔn)化功率，縮短員工培訓(xùn)周期，降低運營成本。該系統(tǒng)將成為信息化時代的學(xué)生和員工培訓(xùn)、技能鑒定及企業(yè)運營決策咨詢的重要環(huán)節(jié)之一。

成都地鐵運營仿真實訓(xùn)系統(tǒng)項目目前已經(jīng)完成招標(biāo)，正在積極開展建設(shè)工作，通過該項目的實踐探索，希望能為實訓(xùn)基地建設(shè)提供有益的啟發(fā)和思路。