高速鐵路教學培訓虛擬仿真平臺研究與實現

馮 博 王 甜

（石家莊鐵路職業技術學院1) 河北石家莊 050041石家莊軌道交通有限公司運營分公司2) 河北石家莊 050035）

1 引言

隨著我們高速鐵路快速發展、“一帶一路”戰略的實施、現代學徒制的探索與實踐以及大國工匠精神的弘揚，人們對高速鐵路的認知度及國家對鐵路人才的需求量逐步增大，然而通過鐵道博物館等場所普及鐵路知識，以及大中專鐵路院校、鐵路運營施工單位通過傳統的書本教育教學理念，己不能滿足新形勢下對鐵路人才培養的要求。所以，運用計算機輔助設計、VR（虛擬現實）仿真及AR（增強現實）技術全面構建出鐵路接近真實的運輸工程環境，從而建立集科普、教學、培訓、職業技能鑒定于一身的多功能教育培訓系統已迫在眉睫。

因此，我院聯合深圳量子引擎科技有限公司聯合研發了一套全新的高速鐵路綜合教育教學平臺，將傳統科普教育形式與計算機虛擬仿真技術結合，既保障了傳統鐵路電子沙盤的優點，又將互聯網、人工智能技術應用到鐵路教育行業，充分迎合了“互聯網+”公共服務的設計思路。平臺學習資源豐富，可直觀的展示鐵路的運行場景，虛擬仿真鐵路運營單位工種的工作流程，能滿足人們對鐵路的科普認知、鐵路相關課程教學、技術培訓等需求。

2 高速鐵路教學培訓虛擬仿真平臺簡介

高速鐵路教學培訓虛擬仿真平臺包括以下幾部分：電子沙盤主體、牽引供電系統、驅動采集系統、聯鎖控制系統、無線遙控機車系統以及VR虛擬現實和AR增強現實系統。平臺以鐵路電子沙盤實物模擬動態展現，如圖1所示，在基于現場的沙盤縮略模型上，構建鐵路供電、信號、道岔、軌道電路、機車、車輛等實物對象，通過通信系統、信號控制系統、列車控制系統等實現對各對象的動態仿真過程，并運用計算機輔助設計、VR及AR技術將高鐵模擬駕駛、高速特殊工種的檢修的工作進行互動式的虛擬現實仿真。

下面以高速鐵路控制綜合仿真流程實驗為例，說明本平臺系統在高速鐵路列車檢修、模擬駕駛、供電、信號控制等全專業鏈實驗教學中的應用。

3 高速鐵路綜合全流程仿真實驗設計

實驗內容主要包括：高鐵列車檢修仿真；高鐵列車模擬駕駛仿真；牽引供電系統仿真；手動、自動排列進路，開放信號，進路解鎖，道岔操縱，取消進路；兩列列車一前一后同向運行，觀察列車追蹤運行情況。

3.1 高鐵列車檢修仿真

基于VR虛擬現實的地勤機械師培訓系統，主要對動車所地勤機械師檢修高鐵動車組列車的相關流程及注意事項、檢修要點等工作進行詳細介紹。使相關技術人員及相關專業學生對該工種及動車組列車的基本情況有準確的認知，為今后從事相關工作奠定良好的基礎。

具體包括車頂設備檢修、車下地溝檢修和車體兩側檢修三部分。每部分按照動車組地勤機械師工種的檢修內容對相關要點進行設置。如圖2所示。

圖1 平臺沙盤主體實物圖

圖2 VR虛擬現實系統仿真內容

3.2 高鐵列車模擬駕駛仿真

基于AR增強現實的高鐵模擬駕駛系統以在沙盤車輛段等待發車的CRH380A型和諧號動車組為原型，設置掃描點標記。模擬高鐵駕駛員在整個沙盤線路上駕駛高鐵列車的過程，包括開車前的相關準備工作、駕駛過程中的停車、加速、減速、制動等相關作業操作。使高鐵駕駛等相關專業的學生能夠身臨其境的感受并熟悉高鐵列車駕駛的相關操作步驟及注意事項，為今后從事相關方面的工作打下良好的基礎。相關操作界面如圖3所示。

3.3 牽引供電系統仿真

平臺打破傳統商業化鐵路沙盤簡易供電方式的壁壘，創新采用架空接觸網給高速動車組列車供電，架空接觸網的結構采用半補償懸掛裝置與全補償懸掛裝置，車站采用軟、硬橫跨結合,車輛段采用軟橫跨，線路上設有分段絕緣器、錨段關節、中心錨節、饋電線、電連接器、回流線等設備及各種線路、信號標志齊全，與真實運營情況完全相同。既保證了列車的運行速度，也能夠真實還原鐵路供電系統的基本原理及工作運營場景，以滿足鐵路及軌道交通相關院校、相關專業對學生的教育教學目的，又能夠滿足軌道交通及鐵路施工、運營單位培訓員工的目的。架空接觸網如圖4所示。

圖3 AR增強現實高鐵模擬駕駛仿真

圖4 沙盤架空接觸網供電系統實物圖

該供電系統作為整個平臺系統的電力來源，包括軌道供電單元、道岔供電單元、信號機供電單元、盤體控制器供電單元、上位機供電單元五大部分。沙盤從牽引變電所向接觸網輸送+24V電壓，經受電弓取電為車載板提供工作電壓，最后軌道回流線流向牽引變電所，從而構成完整的牽引供電回路。

3.4 信號聯鎖控制系統仿真

信號聯鎖控制系統是整個平臺系統的核心，直接影響到整個平臺主體沙盤的信號采集系統、車機聯控系統、數據通信系統的優劣。系統硬件平臺主要分為中央處理單元、軌道電路單元、道岔操作單元、信號機控制單元、感應點采集單元五大部分，均具有邏輯處理與通信功能。

其中，軌道可以提供運行線路，放置道岔、信號機與感應點等部件，還通過軌道絕緣節將整個軌道劃分為若干段軌道電路，為更好的與上位機通信做準備；道岔位于軌道之上，通過道岔線纜與道岔控制器相連，受控于道岔操作單元，上位機可根據需要通過道岔操作單元將道岔搬動到定位位置或反位位置，為列車進、出站等聯鎖功能提供通路。

信號機放置于軌道旁，根據擺放位置分為上行進站信號機、上行出站信號機、下行進站信號機、下行出站信號機，根據顯示可分為兩顯示信號機和三顯示信號機，所有信號機通過信號機線纜與信號機控制單元相連，受控于信號機控制單元，上位機可根據需要對各信號機顯示進行控制，為列車的運行提供信號顯示，反應列車真實的運行情況；

感應點放置于軌道下方，采用電磁原理的干簧管與射頻原理的射頻卡共同作為感應點的具體實現器件，通過定位線纜與感應點采集單元相連，將列車的定位信息通過感應點采集單元傳送至上位機，為確定列車的位置提供依據。模擬軌旁設備單元實物如圖5所示。

圖5 模擬軌旁設備單元實物圖

圖6 上位機聯鎖控制界面及車控界面圖

此外，整個系統通過上位機對整個平臺車機聯 控、信號聯鎖系統進行控制，上位機控制軟件運行于PC機之上，根據需求，共設置四個上位機界面，兩個車站站場界面、一個車輛段站場界面、一個CTC的全局界面。操作人員既可通過車站操作界面 對站內聯鎖設備進行相關操作，如控制機車運行、排列進路、開放信號、進路解鎖、道岔操縱、取消進路等；也可通過CTC操作界面對整條線路內的所有設備進行相關操作，實現全線調度集中的功能。平臺系統中模擬石家莊站、正定站和車輛段的上位機聯鎖控制界面及車控界面如圖6所示。

4 結語

本文分析了高速鐵路及軌道交通控制相關專業教學中存在的問題，提出了利用高速鐵路綜合虛擬真平臺進行實驗、實踐教學的解決方法，以高速鐵路綜合全流程仿真實驗設計為例來說明該仿真平臺系統的組成及應用，分別介紹了高鐵列車檢修仿真；高鐵列車模擬駕駛仿真；牽引供電系統仿真；手動、自動排列進路，開放信號，進路解鎖，道岔操縱，取消進路；兩列列車一前一后同向運行，觀察列車追蹤運行情況等原理及操作方法。通過該平臺，有利于學生及相關工作人員直觀的掌握高速鐵路系統的組成、工作過程等，能有效滿足電氣化鐵路相關課程教學、技術培訓等需求。