汪發(fā)現(xiàn)

（北京北九方軌道交通科技有限公司，北京 100036）

DK-2 型機(jī)車制動(dòng)機(jī)（以下簡稱DK-2 型制動(dòng)機(jī)）是電力機(jī)車的重要組成部分，機(jī)車乘務(wù)員和檢修人員必須要判斷精準(zhǔn)、操控正確才能保障安全運(yùn)行。這些操作和判斷是對(duì)相關(guān)人員技術(shù)知識(shí)掌握程度的考驗(yàn)，相關(guān)人員對(duì)制動(dòng)機(jī)越熟悉，越有利于保障行車的安全。由于DK-2 型制動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和控制邏輯比較復(fù)雜，而平時(shí)學(xué)習(xí)只能通過PPT 和相關(guān)文檔學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象且難以理解，因此十分必要研究一套DK-2 制動(dòng)機(jī)模擬仿真教學(xué)系統(tǒng)（以下簡稱教學(xué)系統(tǒng)）。

本教學(xué)系統(tǒng)是以DK-2 型制動(dòng)機(jī)、仿真模塊和軟件系統(tǒng)等聯(lián)動(dòng)于一體的教學(xué)系統(tǒng)。軟件可在Windows XP、Vista、Windows7 環(huán)境下運(yùn)行，動(dòng)畫以Photoshop、3Dmax、Flash 和Premiere 互補(bǔ)方式進(jìn)行制作，以實(shí)現(xiàn)DK-2 型制動(dòng)機(jī)原理展示，并通過AS3 實(shí)現(xiàn)交互式練習(xí)。

1 系統(tǒng)功能

本教學(xué)系統(tǒng)主要是讓機(jī)車乘務(wù)員及檢修人員能直觀、快速地掌握DK-2 型制動(dòng)機(jī)的知識(shí)。通過實(shí)際操控后直接而形象的觀察、體會(huì)、學(xué)習(xí)DK-2 型制動(dòng)機(jī)所有相關(guān)知識(shí)，包含以下主要內(nèi)容。

①制動(dòng)機(jī)風(fēng)源系統(tǒng)、管路系統(tǒng)及電路系統(tǒng)的工作原理和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。②制動(dòng)機(jī)中主要閥體的工作原理及工作狀態(tài)。③模擬機(jī)車駕駛五步閘、八步閘操作下的儀表數(shù)據(jù)、制動(dòng)柜工作狀態(tài)。④制動(dòng)系統(tǒng)各種故障情況及緊急處理方法。⑤制動(dòng)機(jī)的故障模擬演練指導(dǎo)、相關(guān)知識(shí)測試、測試評(píng)價(jià)等。

同時(shí)，教學(xué)系統(tǒng)配以多媒體軟件的輔助教學(xué)，可以大幅提高DK-2 制動(dòng)教學(xué)效率和效果。

學(xué)員可通過操作臺(tái)制動(dòng)手柄進(jìn)行操作練習(xí)。教學(xué)系統(tǒng)的電路和氣路圖能按照實(shí)際的情況實(shí)時(shí)改變，不同的管路通過不同顏色表示，管路壓力大小通過顏色深淺變化和數(shù)字顯示，閥的動(dòng)作、電路導(dǎo)通狀態(tài)等所有的變化與DK-2 型制動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)真實(shí)情況一致。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本教學(xué)系統(tǒng)由硬件和軟件2 部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1 系統(tǒng)硬件組成

本教學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件由綜合仿真實(shí)訓(xùn)操作臺(tái)、DK-2 制動(dòng)柜、示教板模塊、控制柜、故障設(shè)置柜、教員機(jī)、學(xué)員機(jī)、投影幕及風(fēng)源組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件布局圖

綜合仿真實(shí)訓(xùn)操縱臺(tái)的硬件位置布置與機(jī)車司機(jī)室內(nèi)司機(jī)臺(tái)布局一致，且對(duì)應(yīng)設(shè)備具有相同的功能與控制邏輯。學(xué)員可以通過操作綜合仿真實(shí)訓(xùn)操縱臺(tái)上的制動(dòng)手柄進(jìn)行制動(dòng)機(jī)控制。可按照標(biāo)準(zhǔn)步驟進(jìn)行操作練習(xí)，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)與實(shí)物操作及操作反饋一致。同時(shí)也可通過操作綜合仿真實(shí)訓(xùn)操縱臺(tái)上的制動(dòng)手柄與示教板聯(lián)動(dòng)，在示教板模塊上通過LED 彩色燈顯示電路、氣路動(dòng)作情況。中繼閥、分配閥等閥體采用局部半剖模型，閥體內(nèi)鞲鞴等部件會(huì)根據(jù)氣路情況進(jìn)行動(dòng)作。

示教板模塊可以直觀地演示DK-2 型電空制動(dòng)機(jī)電路、氣路及閥件的綜合作用原理。模塊上LED 燈光步進(jìn)演示，速度可調(diào)，并配備語音解說。同時(shí)示教板模塊也可單獨(dú)自動(dòng)順序播放或循環(huán)播放各操作動(dòng)作情況，能夠?qū)崿F(xiàn)DK-2 型電空制動(dòng)機(jī)綜合作用各閥類動(dòng)作和電路、氣路動(dòng)作的動(dòng)態(tài)演示。

控制電路上設(shè)有電路通斷開關(guān)，每種管路和風(fēng)缸各引出一個(gè)塞門。開關(guān)和塞門用于故障設(shè)置，方便人為設(shè)置故障進(jìn)行模擬教學(xué)演練（如得失電狀態(tài)、漏風(fēng)或竄風(fēng)等），學(xué)員實(shí)訓(xùn)過程中可根據(jù)所設(shè)置的故障現(xiàn)象，分析問題、查找問題并解決問題，從而提高對(duì)DK-2 型制動(dòng)機(jī)相關(guān)知識(shí)的理解和掌握。

2.2 系統(tǒng)軟件組成

本教學(xué)系統(tǒng)的軟件組成包含8 個(gè)模塊，分別為電氣路原理動(dòng)態(tài)顯示模塊、結(jié)構(gòu)原理仿真模塊、仿真試驗(yàn)?zāi)K、聲音仿真模塊、故障模擬模塊、情景化專家引導(dǎo)模塊、自動(dòng)判分與考試模塊及教員監(jiān)控與管理模塊。

每個(gè)模塊可獨(dú)立運(yùn)行，以方便使用。軟件系統(tǒng)配有加密鎖軟件，為了保密限制和安全，在運(yùn)行各模塊前需先運(yùn)行加密鎖軟件。

2.2.1 電氣路原理動(dòng)態(tài)顯示模塊

學(xué)員在操作仿真平臺(tái)上的制動(dòng)控制器時(shí)，顯示屏上原理圖的動(dòng)作同實(shí)物動(dòng)作一致。由于原理圖復(fù)雜，電氣路原理設(shè)置在同一畫面內(nèi)，便于直觀清晰地觀察電路得電狀態(tài)、開關(guān)等設(shè)備的通斷動(dòng)作情況及氣體在管路和閥體內(nèi)的動(dòng)作過程。

電路原理以紅色標(biāo)示的方式在原理圖畫面上顯示電路的得電情況，以白色標(biāo)示顯示電路的失電情況。管路壓力以顏色深淺表示，同時(shí)配有數(shù)字顯示壓力。畫面采用智能、動(dòng)態(tài)、矢量化顯示技術(shù)，可對(duì)原理圖畫面進(jìn)行任意的放大、縮小和平移操作，不會(huì)出現(xiàn)畫面失真。

2.2.2 結(jié)構(gòu)原理仿真模塊

DK-2 型電空制動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理仿真模塊采用多媒體播放形式，對(duì)綜合動(dòng)作原理及各種工況下電空制動(dòng)控制器、空氣控制閥、中繼閥、分配閥、電空閥、電動(dòng)放風(fēng)閥和緊急閥等結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，旋轉(zhuǎn)、拆分結(jié)構(gòu)動(dòng)畫，各位置工作原理同步語音及文字解說，以及氣體根據(jù)位置變化在閥內(nèi)三維動(dòng)態(tài)流動(dòng)，如圖3所示。

圖3 中繼閥結(jié)構(gòu)原理以及動(dòng)作原理仿真示意圖

2.2.3 仿真試驗(yàn)?zāi)K

學(xué)員在操控硬件的同時(shí)，軟件圖像全過程以動(dòng)畫形式展示DK-2 型制動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)方法和規(guī)則，同步配有語音及文字解說，使得硬件試驗(yàn)過程和軟件顯示過程進(jìn)行同步教學(xué)反饋，如圖4所示。

圖4 制動(dòng)機(jī)五步閘試驗(yàn)仿真示意圖

2.2.4 聲音仿真系統(tǒng)

聲音仿真系統(tǒng)能夠逼真地模擬制動(dòng)過程中的聲音環(huán)境，使學(xué)員從既具有視覺又具有聽覺的環(huán)境中獲得更真實(shí)的效果體驗(yàn)，從而增強(qiáng)沉浸感和交互性。

聲音仿真系統(tǒng)可讓學(xué)員在操作設(shè)備時(shí)聽到的設(shè)備工作聲及各種環(huán)境聲，如：充風(fēng)聲音、排風(fēng)聲音和扳鍵開關(guān)聲音等。

2.2.5 故障模擬系統(tǒng)

由于平常學(xué)習(xí)和技能訓(xùn)練時(shí)模擬故障需扣車，在機(jī)車上模擬操作，同時(shí)有些故障條件因素等影響，無法模擬。

DK-2 型制動(dòng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、性能及操作方法等方面不盡相同，造成故障的原因也較為復(fù)雜，為了能讓學(xué)員模擬操作時(shí)設(shè)置一些DK-2 型制動(dòng)機(jī)的常見故障，甚至可以設(shè)置受特定條件限制才能出現(xiàn)或不常出現(xiàn)的特殊故障。一般可分為控制電路、閥類部件、管路及連接部分和操作不當(dāng)這4 個(gè)方面的故障。

（1）控制電路故障。DK-2 型機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的操縱與轉(zhuǎn)換控制一般采用DC110V 電控方式，因此常出現(xiàn)一些控制電路故障。例如：接線頭、插座、插頭的虛接和電子元件的虛焊會(huì)造成控制功能的錯(cuò)誤，而開關(guān)接點(diǎn)不良，電空閥線圈斷路和控制導(dǎo)線的短路、接地等會(huì)造成執(zhí)行部件不動(dòng)作。對(duì)這些容易發(fā)生的故障，會(huì)針對(duì)教學(xué)部分在電路上增加的故障開關(guān)，3 個(gè)狀態(tài)位置，正常位、故障1 位、故障2 位。正常位是電路在得失電時(shí)的正確狀態(tài)位置；故障1 位是在電路正常得電時(shí)斷開電路，即線圈斷路、開關(guān)接點(diǎn)不良或虛接狀態(tài)；故障2 位是電路在不應(yīng)得電時(shí)，確得電導(dǎo)通。見表1，可以通過不同類型故障現(xiàn)象情況，讓學(xué)員判斷教員進(jìn)行了何種故障設(shè)置，很多故障設(shè)置可以根據(jù)實(shí)際車況給予重點(diǎn)故障現(xiàn)象的模擬教學(xué)，從而具備更加針對(duì)性的強(qiáng)化訓(xùn)練。

（2）閥類部件故障。閥類部件故障在DK-2 型機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)中，也比較常見，大多體現(xiàn)在閥類部件的滑動(dòng)件上。比如：閥體內(nèi)缺少潤滑油脂，分配閥上的各種鞲鞴、滑閥和節(jié)制閥會(huì)出現(xiàn)卡滯，導(dǎo)致氣路不暢；還有諸如彈簧件因動(dòng)作頻繁而失效的問題、橡膠件老化出現(xiàn)龜裂導(dǎo)致漏風(fēng)問題等都是閥類部件的主要故障。這類故障在教學(xué)模擬中一般會(huì)采用故障閥類替換下正產(chǎn)的閥件，從而讓學(xué)員去分辨問題閥件。

（3）管路及連接部分故障。這類故障現(xiàn)象一般易于發(fā)現(xiàn)，主要表現(xiàn)在堵塞和泄漏，也有部分現(xiàn)象屬于閥座內(nèi)部暗孔內(nèi)泄引起的竄風(fēng)故障。例如：管道內(nèi)部混合的機(jī)械雜質(zhì)會(huì)在管道彎曲部分或變徑處造成堵塞，而管接頭和部件安裝面由于橡膠件的老化問題，則常會(huì)發(fā)生泄漏現(xiàn)象。這類泄露的故障一般情況會(huì)比較好辨識(shí)，通過聽聲音、抹泡沫水的形式一般可以查詢到泄露點(diǎn)，而堵塞的故障一般會(huì)通過氣路現(xiàn)象分析和更換相關(guān)部件來確認(rèn)故障點(diǎn)的方法。

（4）操縱不當(dāng)造成的故障。DK-2 型制動(dòng)機(jī)涉及到的閥類部件比較復(fù)雜，且種類繁多，如果違反了操作規(guī)程或操作不當(dāng)，極易造成故障。例如：塞門開閉不對(duì)，重聯(lián)位置沒有復(fù)位，非操作端大小閘的手柄位置措置，后備制動(dòng)塞門位置錯(cuò)誤等，都將會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)無法正常工作。像表1中提及的B01—B03 故障均是對(duì)塞門的開斷進(jìn)行了故障設(shè)置，從而加深學(xué)員對(duì)塞門開斷故障的理解。

表1 故障設(shè)置列表

學(xué)員在實(shí)訓(xùn)過程中，同時(shí)打開故障開關(guān)后，會(huì)觸發(fā)電路或氣路發(fā)生變化，制動(dòng)柜上壓力變送器檢測到的信息上傳到制動(dòng)顯示屏，并報(bào)故障碼，以便當(dāng)學(xué)員無法處理故障時(shí)，可以提供在線幫助。在線幫助會(huì)給出故障原因的多種可能性和相應(yīng)處理方法。故障模擬系統(tǒng)可高效地提升學(xué)員處理故障的能力，同時(shí)積累豐富的故障應(yīng)急處理經(jīng)驗(yàn)。

故障模擬系統(tǒng)有3 種模式：教學(xué)模式、練習(xí)模式和考試模式。針對(duì)不同需求可以選擇相應(yīng)的模式。

教學(xué)模式可以讓學(xué)員對(duì)各類故障進(jìn)行學(xué)習(xí)熟悉；練習(xí)模式可讓學(xué)員對(duì)知識(shí)掌握情況進(jìn)行測試；考試模式可讓教員預(yù)先設(shè)置故障情景條件，讓學(xué)員在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)排除故障點(diǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并進(jìn)行自動(dòng)智能評(píng)分。

2.2.6 情景化專家引導(dǎo)系統(tǒng)

情景化專家引導(dǎo)系統(tǒng)采用“專家引導(dǎo)，學(xué)員跟隨”的方式進(jìn)行情景化實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

一般情況下，當(dāng)進(jìn)入預(yù)設(shè)的實(shí)訓(xùn)情景后，系統(tǒng)會(huì)以引導(dǎo)的方式給出每一步的操作提示，主要包括設(shè)備具體位置、操作方法及應(yīng)產(chǎn)生的現(xiàn)象和結(jié)果等。學(xué)員根據(jù)提示進(jìn)行演練，當(dāng)前操作步驟完成后，自動(dòng)給出操作結(jié)果信息提示：已完成或執(zhí)行錯(cuò)誤。

情景化專家引導(dǎo)系統(tǒng)提供練習(xí)和考核2 種模式，在考核模式下，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)員操作自動(dòng)評(píng)分。

2.2.7 自動(dòng)判分系統(tǒng)及出題考試系統(tǒng)

考試系統(tǒng)的出題可分為真實(shí)故障假設(shè)和模擬故障假設(shè)2 種方式，當(dāng)學(xué)員開始進(jìn)入考試時(shí)，計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄并進(jìn)行自動(dòng)智能判分。學(xué)員每完成一次任務(wù)，自動(dòng)判分系統(tǒng)會(huì)形成成績記錄單，教員和學(xué)員可以即時(shí)看到成績，同時(shí)能通過查詢，非常清楚地判斷學(xué)員存在的具體問題，并對(duì)學(xué)員進(jìn)行指導(dǎo)，強(qiáng)化學(xué)員的記憶，提高學(xué)員的知識(shí)效率。

系統(tǒng)同時(shí)配有實(shí)時(shí)攝像功能、學(xué)員考試題庫，可以對(duì)考試學(xué)員進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)可以在教師培訓(xùn)完畢之后對(duì)學(xué)員進(jìn)行局域網(wǎng)絡(luò)模擬考試及評(píng)分。

2.2.8 教員監(jiān)控與管理系統(tǒng)

教員終端設(shè)備由一臺(tái)計(jì)算機(jī)、多臺(tái)顯示器組成。教員可通過此對(duì)所有受訓(xùn)學(xué)員進(jìn)行統(tǒng)一管理，監(jiān)控學(xué)員終端狀態(tài)，同時(shí)也可對(duì)學(xué)員檔案信息和成績進(jìn)行管理。

3 系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)

通過對(duì)制動(dòng)手柄在各位置時(shí)的微動(dòng)開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集，采集信號(hào)通過數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)分析，輸出信號(hào)指令，從而驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)播放對(duì)應(yīng)的動(dòng)畫。電路和氣路動(dòng)作原理按照實(shí)際的情況實(shí)時(shí)改變，并標(biāo)以不同顏色，表示不同的管路、閥的動(dòng)作及電路導(dǎo)通狀態(tài)。

通過故障設(shè)置，各管路的壓力信號(hào)或者控制電路信號(hào)可以傳送到操作臺(tái)上的制動(dòng)顯示屏上，從而可以實(shí)時(shí)顯示各種故障的故障代碼。

模擬操作五步閘或八步閘試驗(yàn)時(shí)，可以對(duì)失誤或不正確的操作進(jìn)行語音提示。

由于機(jī)車實(shí)際管路長度和教學(xué)系統(tǒng)管路長度不一致，需在教學(xué)系統(tǒng)管路上配制具有一定容積的風(fēng)缸以達(dá)到與實(shí)際管路同樣的效果。風(fēng)缸的容積通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理獲得，并通過多次反復(fù)測試，使仿真效果與實(shí)際運(yùn)用情景保持一致。

4 結(jié)束語

機(jī)車制動(dòng)機(jī)作為機(jī)車安全行駛的紅線，近幾年得到各鐵路院校和鐵路局越來越多的重視，而對(duì)于國產(chǎn)化領(lǐng)軍的DK-2 型制動(dòng)機(jī)技術(shù)機(jī)車裝車率逐步提高，越來越多的客戶希望得到更加立體直觀的教學(xué)內(nèi)容用于培訓(xùn)學(xué)員，因此，結(jié)合2017年在朔黃鐵路實(shí)施的DK-1G 型和DK-2 型制動(dòng)機(jī)實(shí)物教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過深入客戶調(diào)研，針對(duì)于DK-2 型制動(dòng)機(jī)仿真教學(xué)進(jìn)行了大量的優(yōu)化升級(jí)，并成功應(yīng)用于鐵路院校及機(jī)務(wù)段的制動(dòng)教學(xué)。

本教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用大幅提升了學(xué)員的積極性，受訓(xùn)人員的技能水平有了明顯提高，達(dá)到本教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用的預(yù)期效果，同時(shí)也有效地助力了機(jī)車行車安全。