張威

摘要：針對鐵路調(diào)度集中和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)的教學、培訓和運輸安全的需求，研究設(shè)計一套既能應用于職業(yè)院校教學和實訓，也能應用于鐵路現(xiàn)場職工培訓的虛擬現(xiàn)實三維仿真培訓系統(tǒng)。根據(jù)教學和培訓的需要，設(shè)計了鐵路調(diào)度集中和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)的培訓內(nèi)容、教學功能、技術(shù)指標和架構(gòu)組成，形成了完整的系統(tǒng)設(shè)計方案，為系統(tǒng)的研發(fā)過程做出了詳細規(guī)劃，通過具體實施，形成了教學培訓系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：調(diào)度集中;列車調(diào)度指揮系統(tǒng);虛擬現(xiàn)實;仿真平臺

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）12-0238-03

現(xiàn)代化的鐵路運輸調(diào)度指揮方法是鐵路運輸管理現(xiàn)代化的重要標準，也是鐵路運輸信息化建設(shè)和應用的重點。鐵路列車調(diào)度指揮系統(tǒng)以信息技術(shù)改變了傳統(tǒng)的調(diào)度指揮模式，實現(xiàn)了透明指揮和控制。鐵路調(diào)度集中和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)（TDCS 和 CTC）是鐵路發(fā)展的重點技術(shù)，也是鐵路電務專業(yè)工作人員必須掌握的信號新技術(shù)。TDCS 和 CTC 設(shè)備造價昂貴，需要場地，而且需要建立在多個真實聯(lián)鎖車站的基礎(chǔ)上才能采集到足夠的聯(lián)鎖數(shù)據(jù)，實現(xiàn)調(diào)度指揮系統(tǒng)功能，因此，建設(shè) TDCS 和 CTC 實訓系統(tǒng)非常困難。另外，目前國內(nèi)關(guān)于 TDCS 和 CTC 設(shè)備的相關(guān)課程資源極其匱乏，極大地影響了相關(guān)課程的教學質(zhì)量，因此目前急需一種先進的手段來解決教學過程中遇到的困難?；谀壳暗臈l件，可以采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，仿真現(xiàn)場TDCS 和 CTC 設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理、標準化檢修作業(yè)過程和常見故障處理等內(nèi)容，教師可以在教室授課時使用該系統(tǒng)配合理論講解，提高學生的理解程度，也可以安排學生在電腦上通過交互式的操作，完成設(shè)備認知和作業(yè)實訓的過程，在對設(shè)備有了直觀認識的基礎(chǔ)上，教師再進行教學和指導，就能使學生迅速理解和掌握相關(guān)設(shè)備的原理和維護知識，學生通過課程教學后相當于參加了一次現(xiàn)場實訓，能極大地減輕教師教學難度，提升教學質(zhì)量和效率，并且為學生畢業(yè)后從事相關(guān)專業(yè)工作打下堅實基礎(chǔ)。

1 培訓系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)調(diào)度集中和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)課程教學的需要，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況，按照職業(yè)技能教學培養(yǎng)思路，首先使學員了解設(shè)備結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上熟知設(shè)備的日常操作和標準化檢修作業(yè)流程，最后掌握常見故障的處理思路和方法。按照上述思路設(shè)計了調(diào)度集中和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)兩大類設(shè)備的教學培訓內(nèi)容。

1.1 調(diào)度集中系統(tǒng)教學培訓內(nèi)容設(shè)計

該系統(tǒng)主要分為“列車調(diào)度指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學、列車調(diào)度指揮系統(tǒng)標準化檢修作業(yè)和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)常見故障處理”三大部分教學培訓內(nèi)容，其中列車調(diào)度指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學又包含“列車調(diào)度指揮系統(tǒng)機柜拆解和組裝、列車調(diào)度指揮系統(tǒng)主控室設(shè)備的拆解和組裝”共2個獨立的教學培訓單元模塊;列車調(diào)度指揮系統(tǒng)標準化檢修作業(yè)包含“機柜內(nèi)部檢查、機柜外部檢查、主備機功能切換、鼠標檢查、鍵盤檢查、顯示器檢查、內(nèi)部控制臺檢修”共7個獨立的教學培訓單元模塊;列車調(diào)度指揮系統(tǒng)常見故障處理包含“A 機、B 機無法切換、TDCS 系統(tǒng)顯示器故障、TDCS 系統(tǒng)硬盤故障、工控機死機故障、TDCS 系統(tǒng) NPC 板故障、路由器 2T 模塊故障、通道雙斷故障”共7個獨立的教學培訓單元模塊。

1.2 列車調(diào)度指揮系統(tǒng)教學培訓內(nèi)容設(shè)計

該系統(tǒng)主要分為“調(diào)度集中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學、調(diào)度集中系統(tǒng)標準化檢修作業(yè)和調(diào)度集中系統(tǒng)常見故障處理”三大部分教學培訓內(nèi)容，其中調(diào)度集中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學又包含“工控柜拆解和組裝、采集柜拆解和組裝、運轉(zhuǎn)室 CTC 設(shè)備拆解和組裝”共 2個獨立的教學培訓單元模塊;調(diào)度集中系統(tǒng)標準化檢修作業(yè)包含“CTC 檢修程序柜內(nèi)檢查、CTC 檢修程序倒換試驗檢測、工控柜檢修、采集柜檢修”共4個獨立的教學培訓單元模塊;調(diào)度集中系統(tǒng)常見故障處理包含“自律機故障處理、工控機硬盤連接線松動、采集柜硬盤更換、工控機單機切換故障檢修、工控機硬件接觸不良故障檢修、工控機電源故障”共6個獨立的教學培訓單元模塊。

2系統(tǒng)教學功能設(shè)計

調(diào)度集中系統(tǒng)和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)是一個復雜系統(tǒng)，科學的體系框架和功能設(shè)計對提高學員的教學培訓和考核質(zhì)量至關(guān)重要。系統(tǒng)遵循建模、仿真、表現(xiàn)一體化的方法論，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，系統(tǒng)采用“學習、練習、考試”三位一體閉環(huán)式的教學模式，將各類系統(tǒng)教學培訓功能與三種教學模式相結(jié)合，能迅速提升認知和理解效率，具體功能設(shè)計如下：

（1） 學習模式：使用文字、語音及視頻，分步驟直觀講解設(shè)備操作、巡視檢修和應急處置的相關(guān)知識，告訴學員需要做什么、該怎么做，使用什么工具或儀器，達到什么樣的技術(shù)標準等。

（2） 練習模式：學員根據(jù)提示采用交互式操作來完成實踐演練過程，學員端的各項操作演練過程中均有專家引導系統(tǒng)幫助學員自行開展演練，文字欄將提示每一步的操作方法，具體操作位置會有閃爍提示，學生主動選取工具器材，根據(jù)過關(guān)式的原則，嚴格按實驗步驟操作，做錯會有錯誤提示，正確會有正確提示，相當于教師在身邊全程指導，一步步完成學習模式講授的實訓內(nèi)容，實現(xiàn)了對學員的一對一指導，大大提高了學員的學習效率。

（3） 考試模式：在考試模式下，專家引導系統(tǒng)自動關(guān)閉操作提示功能。并且設(shè)定了考試完成時間，規(guī)定時間內(nèi)，學生可以完全自由的選擇步驟和工具器材，在沒有任何提示和指導的情況下，完成整個操作、檢修或應急處置過程，系統(tǒng)自動記錄學員操作步驟分數(shù)，考試結(jié)束后自動評判每個作業(yè)步驟正確與否，給出到每個作業(yè)步驟的評價分數(shù)和總成績，能夠清晰地知曉操作錯誤之處，加深學員的認識和判斷，方便學生回到學習和練習模式反復學練之后，最終滿分通過考試，熟練掌握實踐技能。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)教學培訓的需求，將系統(tǒng)設(shè)計為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、具體功能實現(xiàn)層、系統(tǒng)核心整合層和人機接口層四大層次，如圖1所示，具體內(nèi)容和功能如下：

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層：主要包括各類三維立體模型組成的虛擬環(huán)境、設(shè)備、工具、文字、圖片、動畫、語音和按鈕 UI 等一系列系統(tǒng)基本元素和相關(guān)教學知識內(nèi)容。

2）具體功能實現(xiàn)層：包括四個子系統(tǒng)，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的各類主要功能。

（1）圖形圖像顯示子系統(tǒng)：實現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維模型構(gòu)建和加載顯示、實時光影效果、模型材質(zhì)系統(tǒng)、物體表面多層貼圖系統(tǒng)，能構(gòu)建出信號機械室內(nèi)和車站運轉(zhuǎn)室內(nèi)真實的作業(yè)環(huán)境，同時實現(xiàn)復雜的剛體動畫、柔體動畫、人物骨骼動畫和二維動畫等功能。

（2）事件流程控制子系統(tǒng)：將整個程序分解為多個子程序單元，可實現(xiàn)智能組合、判斷、選擇、跳轉(zhuǎn)等功能。

（3）工具仿真子系統(tǒng)：包含三維虛擬軟件系統(tǒng)、工具虛擬模型、軟件接口、仿真系統(tǒng)與交互控制、工具的碰撞檢測等。

（4）智能化引導教學系統(tǒng)：教學系統(tǒng)以智能化的方式，根據(jù)不同的場景和條件，通過圖表、文字、顏色和聲音等多種方式給予學員豐富詳細的操作指導，實現(xiàn)學員的自主學習和演練。

3）系統(tǒng)核心整合層：根據(jù)用戶的操作，綜合調(diào)用系統(tǒng)的各子系統(tǒng)功能，計算后將正確的結(jié)果通過圖形處理器輸出給用戶，同時記錄用戶各類數(shù)據(jù)，并且為變量交換等功能提供臨時數(shù)據(jù)庫。

4）人機接口層：包括系統(tǒng)選擇界面、具體教學單元模塊的操作界面和幫助文件等一系列用戶的操作界面和鼠標鍵盤等硬件設(shè)備的按鍵控制接口功能。

4系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 模型創(chuàng)建與場景設(shè)置

TDCS 和 CTC 系統(tǒng)由多個機柜和車務終端等設(shè)備組成，使用3ds MAX工具建立三維模型和展UV后，使用 Substance Painter 工具制作顏色、高光、法線、凹凸、金屬等貼圖，導入Unity 3D引擎中賦予材質(zhì)和貼圖，根據(jù)不同設(shè)備和零部件的物理屬性，設(shè)置其材質(zhì)的光學屬性，形成光線照射時的反射和散射等效果。最后設(shè)置燈光和天空盒之后進行整體烘焙，完成場景的基礎(chǔ)模型創(chuàng)建工作[1]。

4.2 場景仿真

根據(jù) TDCS 和 CTC 系統(tǒng)的設(shè)備物理屬性，在 Unity3D 引擎中設(shè)置各設(shè)備和零部件的碰撞檢測功能，形成碰撞觸發(fā)器。根據(jù)教學實訓內(nèi)容，設(shè)計各類設(shè)備檢修時的攝像機移動、三維動畫和粒子特效等效果，使用時間軸time line和Animator 等組件配合完成主要教學實訓內(nèi)容的講解和表現(xiàn)過程。編程實現(xiàn)“學習、練習和考試”三位一體教學模式的控制功能，形成教學的閉環(huán)。

4.3 人機交互界面的實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)功能制作系統(tǒng)的人機交互界面，首先使用 Photoshop 等工具制作按鈕和各類面板等UI素材，然后為各類功能按鈕設(shè)置特效和腳本，實現(xiàn)交互控制功能。

4.4 系統(tǒng)發(fā)布測試

系統(tǒng)可以發(fā)布輸出為 Windows、Android、IOS、HTML5等平臺的應用程序或網(wǎng)頁資源，根據(jù)不同的操作系統(tǒng)和平臺進行貼圖的優(yōu)化設(shè)置，盡量保證程序在流暢運行的情況下降低硬件資源消耗，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。TDCS系統(tǒng)最終的運行效果如圖2所示，CTC系統(tǒng)最終的運行效果如圖3所示。

5 結(jié)束語

本文分析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于教學培訓系統(tǒng)時的設(shè)計內(nèi)容和方法，通過鐵路調(diào)度集中和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)的設(shè)計和實施，對虛擬現(xiàn)實仿真教學培訓系統(tǒng)的設(shè)計思路進行了分析和歸納，形成了清晰的系統(tǒng)設(shè)計方案和具體實現(xiàn)方法，通過具體實施形成了TDCS和CTC系統(tǒng)的三維仿真類培訓系統(tǒng)，豐富了該類課程的教學培訓資源，解決了現(xiàn)場實訓困難的問題，也為同類項目的設(shè)計和實現(xiàn)提供了參考。

參考文獻：

[1] 楊明晟，胡遠彪.基于Unity 3D的巖心鉆機模擬操作系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].有色金屬工程，2020，10（9）：117-121.

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