城市軌道交通虛擬三維行車實訓系統構建分析

顏月霞　吳曉華

北京交通運輸職業學院　北京　102618

城市軌道交通虛擬三維行車實訓系統構建分析

顏月霞吳曉華

北京交通運輸職業學院北京102618

從城市軌道交通行業發展的現狀出發，根據大量職業教育的需求，構建一種虛擬三維行車實訓系統，以供培訓行車調度員、行車值班員、車輛段調度員及車場調度員等崗位技能，構建的實訓系統具有逼真、高效、節約等特點和優勢，是一種有推廣價值的實訓系統。

城市軌道交通；虛擬三維；行車實訓系統；構建

城市軌道交通行業有著比較鮮明的特征，在建設階段需較多工程建設人員，在運營階段更多需要精通運營業務的專業技術人員，尤其是高技能技術人才，主要包括：地鐵列車駕駛員、車輛檢修人員、供電系統檢修人員、通信控制系統檢修人員、車站值班員(綜控員)、行車調度人員、供電以及綜合維護調度人員、運營管理設備設施的使用、維護保養和客運服務工作人員等，這些崗位人員上崗之前實施完善的實訓則直接保障影響著城市軌道交通運營的安全性。

北京城市軌道交通運營里程到2016年底將突破600公里，到2020年將達到1 000公里，據預計，全國范圍短期內軌道交通行業技能人才供需比例為1:4，基本處于供不應求的局面，城市軌道交通行業高技術技能型人才比較短缺，出現了供需矛盾。近年來，高職院校紛紛開設城市軌道交通類專業，并且和地鐵公司訂單培養城市軌道交通運營管理人才以及城市軌道交通車輛(列車司機、車輛維修)、城市軌道交通供電、城市軌道交通運營、城市軌道交通控制等專業人才。

大量高職在校學生需要使用城市軌道交通類的實訓系統進行學習，本文即從城市軌道交通運營管理專業出發，綜合考慮培訓行車調度員、行車值班員、車輛段調度員及車場調度員等崗位的需求，構建虛擬三維行車實訓系統。

1　系統設計理念

為了培訓行車調度員、行車值班員、車輛段調度員及車場調度員等崗位基本技能，通過三維建模技術、三維交互技術和三維引擎技術等構建出全三維行車實訓系統。例如，可以包含6個典型車站、1個車輛段以及1個車場，構建出一整條線路(如圖1所示)。虛擬三維行車系統采用三維建模技術和計算機仿真技術，將城市軌道交通運營場景進行高逼真度還原，場景中可包含鐵路軌道、架空線路、軌旁設備、列車、車站、站臺、站廳、地形、植被、橋梁、隧道、涵洞、城市標志性建筑等。該系統可與行車調度系統實時聯動，培訓學員進行列車正常與非正常情況演練等。

通過構建的實訓系統，安全有效地進行正常與非正常行車環境的聯合演練。

圖1　虛擬的實訓系統效果圖

2　虛擬的實訓系統主要功能

虛擬三維行車系統以全三維的形式展示6個典型車站、1個車輛段以及1個車場構建出的一整條線路，其場景顯示由教員終端虛擬控制系統進行控制，并配合行車調度員工作站、行車值班員工作站、車輛段工作站和車場工作站，同步顯示站場設備狀態變化以及列車的運行情況。

2.1查看功能

系統控制機功能—通過控制機可以實現在全三維環境下進行高空路徑漫游(如圖2所示)。局部車站查看，跟隨列車查看，以第一人稱視角進行自主漫游，設置天氣等功能。列車、信號機及道岔等狀態與調度系統實時聯動。

圖2　遠景

車站查看功能—通過系統控制機可以快速切換到每一個車站，并實時查看車站狀態，如列車停到站，屏蔽門的開閉動作等。

2.2跟隨列車觀察

系統可跟隨三維場景中運行列車進行查看，并可在司機視角，前視角，列車左右視角及高空視角進行切換。

2.3自主漫游及設備聯動

系統能以第一人稱視角在三維場景中進行自主漫游(如圖3所示)，并可觀察進路排通或轉換道岔時相應設備的狀態變化。

圖3　自主漫游

2.4天氣設置

系統控制機可以使場景天氣實時改變，如晴、雨、雪、陰天、霧霾等，并可通過高級設置調節雨雪霧的大小。

2.5調度系統

城軌運營調度仿真實訓系統，包含中心級及車站級ATS，車輛段及車場微機聯鎖軟件等(如圖4所示)。能夠使學員掌握ATS及微機聯鎖的基本操作，以及各終端相互配合完成正常情況下的行車組織調度和非正常情況下的故障處理。

圖4　ATS界面

3　虛擬實訓系統使用流程和特點

3.1正常行車演練培訓流程

正常情況下，利用所構建的虛擬實訓系統可以遵循如圖5所示的流程。

圖5　正常行車演練培訓流程

3.2非正常行車演練培訓流程

圖6　非正常行車演練培訓

3.3 虛擬行車系統特點

利用計算機和三維仿真技術構建出一整條線路，為學員提供了逼真的環境沉浸感，從而提高實訓效率，各行車調度終端可聯合進行演練，能夠提高學員實際動手能力、故障處理能力以及突發事件應對能力，可以增強學員對列車運行安全正點嚴肅認真的態度，提高學員的職業素養。

4　系統構建設備分析

4.1硬件組成以包含6個典型車站、1個車輛段以及1個車場，構建出一整條線路為例說明，硬件設備主要包括各種工作站和教員、學員終端等(詳見表1)。

表1　主要硬件設備一覽

4.2軟件功能

軟件系統包括軟件平臺、虛擬三維行車系統、行調監控大屏終端系統、車站級ATS系統、中心級ATS系統、車輛段、車場微機聯鎖系統、故障處理、教員管理軟件、服務器管理軟件等部分。

4.2.1軟件平臺

軟件平臺包括：虛擬仿真引擎模塊、站場管理模塊、數據存取模塊、網絡通訊模塊等部分，支持三維圖像實時渲染、物理碰撞檢測和物理效果模擬、三維音效模擬、三維沉浸人機交互；具備對站場結構及站場設備狀態進行同步、存儲及顯示等管理功能；能夠對數據庫服務器內數據進行讀寫；支持系統分布式部署、多角色并發任務執行；易于系統功能擴展。

4.2.2虛擬三維行車系統

虛擬三維行車系統包括三維視景模塊、三維物理模塊、地形仿真模塊、環境仿真模塊、場景視圖控制模塊、場景漫游模塊、軌道及軌旁設備仿真模塊、運營力學仿真模塊、列車動力仿真模塊、列車控制仿真模塊、運營/調度仿真模塊、非正常仿真模塊、應用拓展模塊等部分。功能見表2。

表2　虛擬三維行車系統各模塊功能描述

4.2.3行調監控大屏終端系統

該系統主要提供全線詳細軌道圖數據，顯示出整個線路軌道圖：顯示全線列車位置、顯示全線信號設備狀態、顯示全線屏蔽門狀態、顯示列車停車時間、顯示全線列車車次號、顯示全線軌道圖。

4.2.4車站級ATS系統、中心級ATS系統、車輛段、車場微機聯鎖系統

這些系統能夠聯合實現：對車站的監視、對車站的操作、對信號機的操作、對道岔的操作、對區段的操作、對聯鎖的操作、對岔心的操作、對進路的操作、報警、互聯、軌道概觀、系統概觀、聯鎖、車次號操作、自動列車調度、站控、時刻表編輯、列車運行圖、列車信息、錄放功能、進路辦理實訓、信號操作實訓、道岔操作實訓、設備狀態查看、其他操作實訓等。

4.2.5故障處理

包括處理正線故障、車輛段、車場故障等功能。

4.2.6教員管理軟件、服務器管理軟件

包括控制管理系統、系統管理系統、故障設置系統、虛擬場景控制系統、電源集中管理系統、服務器存儲學員賬號、操作記錄、故障條目等信息。

5　結束語

通過三維建模技術、三維交互技術和三維引擎技術等構建出全三維行車實訓系統，對于大量新上城市軌道交通類專業的學校而言是一種短平快的技術手段，能夠在很短的時間內針對行車有關崗位建立一套有效的實訓系統，經濟上節約、技術上可行，推而廣之，還可以用三維建模技術構建維修類的大量崗位的實訓系統。總之，這是一種行之有效前景應用廣闊的實訓系統。

Construction and Analysis of Virtual 3D Urban Rail Train-operation Training System

Yan Yuexia, Wu Xiaohua
Beijing Vocational College of Transportation, Beijing, 102618, China

This article starts from the status quo of the development of urban rail transit industry, according to a large number of occupation education needs, constructs a virtual train-operation training system, training for the traffc dispatcher, traffc attendant, depot dispatcher and yard dispatcher and other job skills, training system constructed has the characteristics of vivid, effcient and economical advantages, etc. it is a kind of training system valuable to spread.

urban rail transit; virtual three-dimensional; driving training system; construction

2016-08-20

顏月霞，碩士，副教授。