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

1 城市軌道交通運營仿真實訓系統(tǒng)的架構(gòu)設計

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

成都地鐵自2013年開始啟動實訓基地建設，經(jīng)反復論證且經(jīng)各專業(yè)充分溝通，確定了既要建設典型設備的實物培訓系統(tǒng)，又要建設各專業(yè)基于三維仿真的虛擬實訓系統(tǒng)的理念。因此，實訓基地建設應包含實物設備仿真培訓與基于三維的仿真實訓兩大部分，其中實物設備仿真培訓主要包括1節(jié)真實的電客車、模擬車站及各專業(yè)典型設備等；三維仿真實訓系統(tǒng)包含調(diào)度綜合實訓系統(tǒng)、模擬駕駛仿真培訓系統(tǒng)、運營管理及維保設備三維仿真培訓系統(tǒng)及綜合培訓考試系統(tǒng)4個子系統(tǒng)，同時仿真實訓多媒體教室的相關設備亦包含在內(nèi)。系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1所示。

三維仿真實訓系統(tǒng)主要通過三維建模技術，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、模擬車站以及設備仿真軟件，實現(xiàn)互聯(lián)互通。該系統(tǒng)具備教學、練習、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。

圖1 城市軌道交通運營仿真實訓系統(tǒng)功能架構(gòu)

2 運營仿真實訓系統(tǒng)的組成

2.1 調(diào)度綜合實訓系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)特點

調(diào)度綜合實訓系統(tǒng)(以下簡為“調(diào)度系統(tǒng)”)以某線路相應的CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)及相關設備為參考原型，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?？刂浦行膶嵱柺曳抡嫘Ч鐖D2所示。

圖2 控制中心實訓室

2.1.2 系統(tǒng)功能

調(diào)度系統(tǒng)可根據(jù)模擬參數(shù)進行動態(tài)演示；可進行地鐵常規(guī)的標準化訓練、故障狀態(tài)下的訓練、突發(fā)事件處理和非正常行車訓練；可對各種運營方案進行預演；可進行重大故障情況下各種解決方案的訓練與比選；可更改運行條件和參數(shù)設置；可對受訓學員的訓練過程及訓練結(jié)果進行客觀評價并生成評價結(jié)果。調(diào)度系統(tǒng)還能打印出學員實訓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器才能保證運行。

2.1.4 系統(tǒng)建設的創(chuàng)新點及難點

調(diào)度系統(tǒng)首次進行了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。同時由于招標時COCC的建設尚未完成，該系統(tǒng)的模擬仿真只能根據(jù)設計圖紙同步開展，這也成為該系統(tǒng)的建設難點之一。

2.2 模擬駕駛仿真培訓系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)特點

模擬駕駛仿真培訓系統(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)度綜合實訓系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)。

2.2.2 系統(tǒng)功能

駕駛系統(tǒng)應能夠模擬某線列車駕駛臺、操作設備與其基本功能保持一致，以滿足乘務人員、車輛檢修維護人員對于列車基本運行相關的操作方法、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)應包括1套車內(nèi)模擬駕駛培訓設備、1套教員設備及多套簡易型模擬駕駛培訓設備，如圖3所示。

2.2.4 系統(tǒng)建設的創(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)的建設難點。

圖3 列車模擬駕駛實訓室

2.3 運營管理及維保設備三維仿真培訓系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)特點

運營管理及維保設備三維仿真培訓系統(tǒng)(以下簡為“三維系統(tǒng)”)，采用三維仿真技術，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、隧道及相關設備三維模型，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)基于地鐵應用場景的全景3D模擬，實現(xiàn)設定任務的動畫介紹、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)務流程標準、設備原理、設備結(jié)構(gòu)、維修工藝、故障處置及應急演練等任務，并可根據(jù)任務的大小和參培人員的數(shù)量選擇適當?shù)木C合仿真實訓室來開展相應的培訓工作。

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)設備檢修(操作)管理,從操作流程、設備結(jié)構(gòu)介紹、檢修(操作)標準化等方面全面實現(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、訓練和考試任務。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、主要設備結(jié)構(gòu)及性能的介紹；實現(xiàn)典型標準化作業(yè)流程的模擬及考核；實現(xiàn)關鍵設備結(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、設備的外觀形狀、顯示界面、幾何結(jié)構(gòu)、機械閉鎖、操作機構(gòu)的外形顯示方式及操作方式，使虛擬設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)與實際設備保持一致。

2.3.3 系統(tǒng)配置

三維系統(tǒng)應包含線網(wǎng)指揮、調(diào)度指揮、車站客運及車場乘務等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)、車站設備、車輛及車輛段設備仿真培訓系統(tǒng)等6個專業(yè)設備模塊。此外，三維系統(tǒng)需單獨配置1臺服務器。

2.3.4 系統(tǒng)建設的創(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、供應商等密切配合，這也是該系統(tǒng)的建設難點。

2.4 綜合培訓考試系統(tǒng)

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

培訓考核需要外部網(wǎng)絡支持，應單獨配置1臺服務器，同時考慮網(wǎng)絡安全問題，需配置防火墻。

3 運營仿真實訓各系統(tǒng)之間的聯(lián)動關系

1)調(diào)度系統(tǒng)應考慮與模擬車站進行聯(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、站務專業(yè)實操與聯(lián)動演練，以及電客車司機的模擬駕駛培訓。

2)三維仿真培訓系統(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)務流程標準、設備原理、維修工藝、故障處置及應急演練等任務。

3)綜合培訓考試系統(tǒng)，主要是建設基于網(wǎng)絡的學員學習培訓考試平臺，培訓內(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APP的方式進行在線學習，以解決集中培訓較為困難的日常培訓及考核問題。該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)不聯(lián)動，但其他系統(tǒng)的培訓考核數(shù)據(jù)需接入該系統(tǒng)。

各系統(tǒng)間的聯(lián)動關系及網(wǎng)絡如圖5所示。

圖5 各系統(tǒng)間的聯(lián)動關系示意圖

4 教學管理設置

系統(tǒng)教學管理分為管理員、教員、學員3個權限級別。其中，管理員擁有最高權限，能夠統(tǒng)一監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺，并制定教員及學員權限；教員通過管理員權限設定，能實現(xiàn)課程的設計和管理、培訓模式的控制、訓練過程的監(jiān)控，以及指導及干預學員的操作過程等任務，并能以觀察者模式選擇、跟蹤及觀察學員的操作過程和多人聯(lián)動任務執(zhí)行狀態(tài)；學員能夠按照教師發(fā)布的任務和指令，進行相關課程的學習、練習及考核。

培訓系統(tǒng)應具備統(tǒng)一的登錄界面，不同類型的用戶登錄后可進入相應的場景。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、培訓模式選擇、實施故障設置、教學跟蹤等任務；學員賬號登陸后，以第三人稱角度進入工班或工作崗位等待完成教員分配的培訓模式及任務。

5 結(jié)語

城市軌道交通運營仿真實訓系統(tǒng)，基于虛擬線路級的三維仿真環(huán)境，具有占地面積小、不磨損設備、不占用運營時間和設施、無任何安全風險、可培訓的設施多及培訓精細化程度高等優(yōu)點，是一個能提供深度培訓和多專業(yè)聯(lián)動培訓的平臺，為從業(yè)人員的培訓、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、操作過程的標準化功率，縮短員工培訓周期，降低運營成本。該系統(tǒng)將成為信息化時代的學生和員工培訓、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系統(tǒng)項目目前已經(jīng)完成招標，正在積極開展建設工作，通過該項目的實踐探索，希望能為實訓基地建設提供有益的啟發(fā)和思路。