大型養路機械應急救援模擬演練系統的研制

劉 輝

中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢，430063

0 引言

我國鐵路運營總里程已突破10萬千米，鐵路線路養護面臨巨大壓力。有效保證客運專線龐大而復雜的基礎設施系統時刻處于健康狀態對行車安全至關重要。大型養路機械[1]包括線路檢測機械、線路和道岔修理機械、其他作業機械[2]。大型養路機械的推廣和使用，在極大地提高鐵路線路養護效率和質量的同時，也在維護、改善我國鐵路主要干線的線路質量、提速擴能、保證行車安全等方面發揮著重要作用，獲得了良好的技術、經濟效益[3]，進而也極大地推動了鐵路養護作業體制的變革，使得我國鐵路養護作業開始進入大型機械化時代。

目前我國鐵路線路非常繁忙，大型養路機械進場、施工、撤出的全過程需在線路“天窗”封鎖時間(一般為3 h)內完成, 因此，大型養路機械正常的工作狀態、故障解除、應急搶修是維修工作順利、高效進行的重要保證。大型養路機械在線路上作業時必然會遇到應急搶修事件(如脫線應急搶修、工作裝置故障或系統故障應急搶修、路外交通事故應急搶修等)，如果設備故障不能馬上排除，則會影響線路按時開通，對運輸安全造成較大影響[4]， 因此，為避免造成事故，大型養路機械的應急救援就顯得極為重要。目前，救援技術還需進一步完善，應急救援裝置還需要深入研究[5]。

國際上多數國家運行線路較短，且運營技術較為成熟，大型養路機械檢修過程中出現故障時有足夠的時間進行處理。通常采用應急救援方法中的拉復法，將出現故障或掉道的大型養路機械拉復到位后撤離現場。國內各機械工務段針對大型養路機械的運用都有相應的應急搶修管理辦法，具體應急演練設備以大型養路機械實物為依托。各大型養路機械運用檢修段每年定期開展大型養路機械應急搶修模擬演練來提高操作人員的熟練程度。

應急救援具有突發、偶發的特點，只有通過日常的模擬演練才能促進流程的優化，提高應急救援及指揮人員的應急處置能力[6]。積累應急救援演練的經驗，找出應急體系中的弱點，是目前應急體系建設中急需解決的一個問題[7]。當前大型養路機械應急救援的學習模式存在專業人才極其短缺，利用現有正常作業的車輛進行應急演練不經濟，以及應急培訓內容不全面、培訓效果較差等問題。

本文構建了一種能有效解決當前問題的大型養路機械應急搶修模擬演練系統，通過模擬、虛實結合等方式實現了對救援人員的培訓。該模擬演練系統在國內外尚無同類產品,國際上許多個大型養路機械研究公司(如奧地利PLASSER、瑞士MATSA、美國HTT等)也均無類似或相近的大型養路機械模擬演練產品。該系統是取代現有培訓模式的有效途徑，能夠經濟、有效地培養應急救援人員，使應急救援人員熟練地掌握應急救援技術。

1 演練平臺描述

大型養路機械應急搶修模擬演練平臺系統能夠適應我國鐵路系統現狀及發展，具有原理教學、操作訓練、考核評估、信息管理等功能,可逐步實現從大型養路機械起復及應急演練的應用到多領域的分布式仿真訓練。

1.1 功能特性

1.1.1大型養路機械裝備知識教學演示功能

采用教員操作演示及學員互動學習等手段，提高大型養路機械裝備知識(包括大型養路機械裝備基礎知識、大型養路機械裝備電子電路系統的結構及原理資料等)的教學質量和學習效果。

1.1.2模擬訓練、演練功能

利用訓練操作臺的人機交互，實現大型養路機械使用及搶修的互動仿真操作訓練，同時采用圖像、聲音等手段，確保學員按正確步驟進行操作。在沒有指導的情況下，學員也可在系統引導下完成相關的訓練活動。

1.1.3模擬考核功能

利用訓練操作臺的人機交互，模擬真實工作流程，實現應急搶修及相關操作的考核。根據考核過程中相關操作數據進行自動評估，為教員分析評估工作提供數據支持，也可以用于崗位練兵及職業技能評定等方面。

1.1.4理論知識考試功能

本系統可實現在操作臺或訓練管理服務器上編制積累的考試題庫，可人工或自動生成試卷。學員可在訓練操作臺或其他與服務器聯網的終端進行在線考試，系統也可實現自動評分、統計考試結果等輔助管理功能。

1.1.5訓練及考核內容編制功能

教員可應用相關權限對訓練及考核流程進行修改和完善、預先編制訓練計劃或考核計劃(存儲到數據庫)，也可在訓練考核過程中臨時制訂訓練計劃，從而使得系統的內容更加完善，教學訓練流程更加科學。

1.1.6自動記錄功能

本系統具備自動記錄訓練考核過程的功能，教練可在訓練操作臺終端管理訓練考核過程，也可在考核后對相關信息記錄進行查詢分析。系統可隨時調閱歷史數據，且有關訓練考核活動記錄及評估數據可集成到大數據系統。

1.1.7電子教材及應用系統集成功能

將相關的電子教材及文件進行統一管理，也可集成其他相關的應用軟件系統。擁有使用權限的用戶可查閱電子教材，使用集成的系統。

1.1.8系統管理功能

擁有系統管理權限的用戶可對系統功能和用戶的使用權限進行配置和管理，對系統數據進行管理和維護，確保系統的正常運行及信息安全。

1.2 技術特性

1.2.1平臺化特性

系統具備平臺化特性：①系統采用瀏覽器/服務器模式開發，可以適應各類網絡瀏覽器環境，客戶端具備桌面應用系統客戶端、Web界面客戶端；②系統具備可持續發展的能力，在服務器端對訓練內容進行管理，客戶端通過聯網更新資源及升級功能，避免客戶端重新部署；③系統具備可集成性，具備集成已有的電子資料、課件等內容并通過訓練網絡共享的能力；④系統具備分布式網絡數據庫支持，兼容當前主流企業數據庫，可集成為企業大數據系統的組成部分。

1.2.2產品適應性

軟件系統能充分發揮硬件的性能，并對高端和低端的配置具有適應性：①3D引擎能充分發揮顯卡的加速能力，在較高端的顯卡及Windows操作系統能支持DirectX 11，以充分提高視景渲染的效果；②支持主流3D立體投影技術；③至少支持一種國際公認先進的沉浸式及體感虛擬現實設備。

1.2.3技術先進性

目前的建筑信息模型(building information modeling , BIM)系統主要面向設計和規劃建設，所產生的模型數據及資源一般只能在設計軟件平臺內使用，本模擬演練系統研發了環境、設備、設施等BIM模型的轉換和優化模塊及其管理模塊，完善了標準BIM模型庫、自適應用戶需求的輕量模型庫及關聯設計數據，從而實現快速輕量化建模。此外，本系統擺脫平臺間接口束縛，優化模型資源及數據庫，在最大程度逼近實物及真實環境的前提下精簡BIM模型結構，實現云端存儲，以更好地進行網絡化服務，并根據實際生產作業情況的反饋，來更好地反饋到實際模擬演練教學中。BIM資源模型轉換模塊如圖1所示。

圖1 BIM資源模型轉換模塊Fig.1 The module of the BIM resource translation

本系統采用深度學習技術，實現無人機傾斜攝影模型、地理信息系統(geographic information system，GIS) 信息模型、全息掃描模型的快速輕量化；研究 BIM模型與增強現實(augmented reality,AR)/虛擬現實(virtual reality，VR) /混合現實(mixed reality,MR)底層數據標準，以實現模型之間的無縫轉換與對接，構建附帶全系統信息的全維度應急起復模擬演練環境。

1.2.4系統可伸縮性

本系統具有適應不同配置成本和部署規模的能力：①數據庫服務器、應用服務器系統具有邏輯獨立性，可部署到一臺服務器或在多臺服務器上分別部署；②在普通或低端配置的客戶端能降低模擬效果并提高運行速度；③在32位或64位操作系統均能運行；④系統具備虛實結合的能力，研發了半實物設備通用接口協議，系統不僅可以接入半實物設備以提高訓練效果，同時在半實物設備不可用的情況下可切換到純軟件來虛擬設備正常演練。

1.3 網絡環境

本系統兼容目前的網絡，能部署于廣域網或因特網，不需要進行網絡改造即可實施系統，網絡協議基于TCP/IP，安全通信的數據內容采用IPSec、安全套接層(secure sockets layer，SSL)或其他允許的協議進行加密傳輸。數據庫兼容目前的主流網數據庫，如Microsoft SQL Server、Oracle、Sybase等。

2 演練平臺總體設計

2.1 演練平臺流程

大型養路機械仿真模擬演練平臺是一套結合系統仿真、計算機圖形學、多媒體等技術的大型養路機械應急處置人員培訓與考核的系統，通過BIM模型的搭建以及采用人機交互訓練的方式，系統教學內容能夠做到詳實全面，操作標準統一，流程規范順暢，職工受訓程度高，生產作業效率得到提升。搭建的數據模型如圖2所示。

圖2 搭建完成的數據模型Fig.2 Completion of construction for the data model

本系統將大型養路機械工作裝置應急處置相關的日常培訓與考核和實操演練相結合，有效地提高了職工的應急處置能力，并使職工熟悉應急搶修的處置過程與方法。通過工程協作平臺搭建BIM模型系統，受訓職工可在計算機生成的虛擬場景中，采用人機交互的方式進行學習，采用半實物操作的方式進行培訓，并可利用該系統完成部分應急處置技能的考核任務。軟件流程設計見圖3。

圖3 軟件流程設計Fig.3 The diagram of the software

2.2 演練平臺結構及功能

演練平臺具備組織機構管理、預案統計分析和資源管理等功能。整個業務流程圍繞大型養路機械應急預案的編制、審批、修訂、發布、評價、查詢和模擬演練進行。根據系統的應用目的，系統主要包括5大子系統，如圖4所示。

圖4 演練平臺結構及功能Fig.4 The training platform and function

2.3 演練平臺硬件架構

模擬演練平臺是構建在一個高速以太網上，由工作站、計算機、實物設備、網絡及其他外圍設備、系統軟件等構成的分布式仿真訓練系統。演練平臺的硬件架構如圖5所示。系統訓練布局如圖6所示。

圖5 演練平臺硬件架構Fig.5 The hardware of the platform

圖6 系統訓練布局圖Fig.6 The layout of the training platform

培訓工作站上搭載有工程協作平臺，并安裝有大型養路機械應急搶修仿真培訓軟件，工程協作平臺主要用于系統BIM模型的搭建、轉換、反饋修正；仿真培訓軟件主要用于應急處置相關基礎知識的培訓。同時，建立有VR 互動終端、AR/MR 互動終端以及投影或大屏設備等。

數據庫安裝在服務器上，用于存儲應急搶修中的相關素材、學員信息、訓練記錄、考評記錄等數據。教員機及教員軟件用于對系統、訓練及考核過程進行管理。

半實物操作設備和救援設備用于應急搶修模擬演練。這些設備可采用實物機具進行數字化改造，或定制具有IO接口的設備。改造后的設備配備有IO接口，可通過仿真工作站、數據采集模塊聯入系統中。學員對設備、機具的操作動作序列、設備狀態及工作過程將被系統采集、記錄下來，通過這些數據可以實現實物設備與虛擬救援場景的被救援大型養路機械或其他虛擬設備的實時交互，并可用于評判和考核學員的操作。半實物操作設備的配備根據需求來決定。使用方不需要或無法配備機具實物時，可采用計算機模擬的方式進行應急搶修模擬演練仿真。

系統中配備一套視景顯示子系統，使學員能夠掌握救援過程的整體態勢。視景顯示子系統由視景工作站和視景顯示設備構成。視景工作站根據系統計算出的被救援大型養路機械的姿態、線路情況、學員操作救援設備的情況實時渲染出救援現場的整體態勢及局部細節的視圖。視景工作站生成的畫面通過投影機顯示在大屏幕上，供所有人了解、掌握救援過程。視景顯示設備的選配視情況來定。

2.4 演練平臺軟件架構

在本系統中，軟件系統使用當前最新的3D圖形技術和多媒體技術實現。通過構建培訓所涉及的人員、裝備、大型養路機械、線路環境的3D場景模型，利用3D圖形引擎進行渲染，根據受訓學員的輸入實現實時交互。演練平臺軟件邏輯框架見圖7。

圖7 演練平臺軟件邏輯框架Fig.7 The logic frame of the platform

由圖7可以看出，系統中的主要程序模塊包括仿真培訓模塊、人機界面、多媒體模塊、網絡通信模塊、3D圖形引擎等。仿真培訓模塊為核心模塊，主要負責完成業務邏輯實現、過程仿真、課程管理及運行、學員及成績管理，提供與人機界面、網絡通信、多媒體和3D圖形引擎的接口。多媒體模塊提供在仿真培訓模塊控制下的配音和視頻素材的管理、播放。3D圖形引擎用于實時渲染、管理3D模型， 渲染的結果通過調用系統的底層圖形應用程序編程接口(application programming interface，API)輸出到屏幕上。人機界面為受訓學員提供一個操作界面，該界面的設計結合考核特點，便于學員操作與理解。在聯網協同運行中，網絡通信模塊通過socket進行數據交互，實現協同仿真訓練。人機交互界面如圖8所示。

圖8 人機交互界面Fig.8 The human-computer interfaces of the platform

同時，本系統也可通過VR和 MR設備，利用動捕、體感技術，來實現受訓職工與仿真環境和仿真裝備的自然交互。虛擬交互系統集成如圖9所示。

圖9 虛擬交互系統集成Fig.9 Virtual interactive system integration

演練平臺系統中的主要數據包括：課程數據、多媒體素材、3D模型數據、學員及成績數據等。數據存放在本地數據庫或數據文件中。數據庫提供修改、維護的接口，教員、系統維護人員可根據需要增加、修改、編輯、刪除和發布這些培訓素材數據。

2.5 系統集成

系統通過服務總線接口實現知識系統、大數據分析、應用指揮平臺和作業調度平臺等系統的交互,如圖10所示。系統集成層的組成如圖11所示。

圖10 平臺系統交互Fig.10 The constructions of the integration layer

圖11 集成層組成Fig.11 Composition of integration layer

3 演練平臺硬件配置方案

本軟件系統為BIM模型及多媒體應用軟件，對硬件平臺有一定要求。為保證系統正常運行，建議主要的硬件配置如下:①培訓、仿真工作站和教員機(獨立顯卡商用計算機)；②數據采集系統；③視景工作站(圖形工作站)；④服務器(數據服務器)；⑤數據采集及輸出控制系統(與實物仿真硬件接口)。

4 結語

大型養路機械應急搶修模擬演練平臺系統利用系統仿真、虛擬現實、分布式網絡等技術盡可能達到模擬實裝訓練的效果，并彌補實裝訓練資源不足的情況(實裝訓練資源有限、巨大難以拆卸的部分無法進行操作、破壞性的操作、危險操作、特殊環境等)，通過演練場景的仿真獲得真實訓練環境的體驗，經濟有效地培養應變能力快、素質高的專業應急救援人才，目前該系統已經研制完成并成功得到運用。