城市軌道交通運營仿真實訓系統的建設

吳 畏

(成都地鐵運營有限公司，610031，成都//高級工程師)

城市軌道交通運營線路的激增，導致了行業技術人員的稀釋，尤其是大量學校畢業生成為運營單位的主力軍，在此情況下，傳統模式的課堂式教學或實物設備模擬操作的弊端顯得較為突出，主要體現為教學理論枯燥、實際操作的頻次和深度不足等。隨著工業信息化和計算機技術的發展，三維仿真技術日趨成熟，在各行業中的應用也比較廣泛，采用三維技術建設城市軌道交通運營仿真實訓系統[1-4]。

1 城市軌道交通運營仿真實訓系統的架構設計

在建設城市軌道交通運營仿真實訓系統的過程中，由于建設資金、場地及調研深度等方面的原因，不同單位在建設過程中有不同的需求，或存在較大區別。目前，我國建設的城市軌道交通運營仿真實訓系統主要以實物設備培訓為主，大多為駕駛模擬和調度運營模擬,主要為司機、調度及站務類人員的培訓[3-4]，針對設備專業的仿真培訓較少，但也有一些有益的嘗試，如文獻[2]提出了軌道結構工程施工技術仿真的概念，文獻[1]介紹了通過校企合作建設供用電技術仿真系統的方式。

成都地鐵自2013年開始啟動實訓基地建設，經反復論證且經各專業充分溝通，確定了既要建設典型設備的實物培訓系統，又要建設各專業基于三維仿真的虛擬實訓系統的理念。因此，實訓基地建設應包含實物設備仿真培訓與基于三維的仿真實訓兩大部分，其中實物設備仿真培訓主要包括1節真實的電客車、模擬車站及各專業典型設備等；三維仿真實訓系統包含調度綜合實訓系統、模擬駕駛仿真培訓系統、運營管理及維保設備三維仿真培訓系統及綜合培訓考試系統4個子系統，同時仿真實訓多媒體教室的相關設備亦包含在內。系統功能架構如圖1所示。

三維仿真實訓系統主要通過三維建模技術，創建虛擬地鐵場景；通過整合實物和電子沙盤、模擬駕駛器、模擬車站以及設備仿真軟件，實現互聯互通。該系統具備教學、練習、考核、評價等功能，可實現地鐵運營過程中各環節的聯動模擬操作培訓。

圖1 城市軌道交通運營仿真實訓系統功能架構

2 運營仿真實訓系統的組成

2.1 調度綜合實訓系統

2.1.1 系統特點

調度綜合實訓系統(以下簡為“調度系統”)以某線路相應的CBTC(基于通信的列車控制)系統及相關設備為參考原型，按照“線網指揮中心—控制中心—車站—線路—車輛段—列車”的結構進行構建。該系統具有各個系統獨立運行和聯合演練功能，能充分展示地鐵運營和控制特點，并可以為運營類及各運營保障類的崗位人員提供系統性與綜合性的培訓。控制中心實訓室仿真效果如圖2所示。

圖2 控制中心實訓室

2.1.2 系統功能

調度系統可根據模擬參數進行動態演示；可進行地鐵常規的標準化訓練、故障狀態下的訓練、突發事件處理和非正常行車訓練；可對各種運營方案進行預演；可進行重大故障情況下各種解決方案的訓練與比選；可更改運行條件和參數設置；可對受訓學員的訓練過程及訓練結果進行客觀評價并生成評價結果。調度系統還能打印出學員實訓記錄以及計劃和實際運行圖。

2.1.3 系統配置

調度系統包括線網指揮中心(COCC)仿真系統、調度(綜合監控)仿真系統、電子沙盤系統、實物沙盤系統、視頻監控系統、大屏顯示系統及電源系統(同時可作為整個實訓系統的后備電源)等。該系統由于集成模擬駕駛和沙盤等功能，對于聯動要求較高，需采用兩套獨立服務器才能保證運行。

2.1.4 系統建設的創新點及難點

調度系統首次進行了COCC的模擬仿真，將實物和電子沙盤結合，并在大屏中投影，是該系統的創新點。同時由于招標時COCC的建設尚未完成，該系統的模擬仿真只能根據設計圖紙同步開展，這也成為該系統的建設難點之一。

2.2 模擬駕駛仿真培訓系統

2.2.1 系統特點

模擬駕駛仿真培訓系統(以下簡為“駕駛系統”)能夠實現地鐵列車的性能模擬與運行環境模擬，能夠真實地模擬地鐵列車在各種運行環境與工況下的運行狀況、操縱特性、牽引/制動特性以及其它特性。該系統可與調度綜合實訓系統實現互聯。

2.2.2 系統功能

駕駛系統應能夠模擬某線列車駕駛臺、操作設備與其基本功能保持一致，以滿足乘務人員、車輛檢修維護人員對于列車基本運行相關的操作方法、操作規程與操作步驟，以及列車運行中出現的故障及突發事件的處理方法、處理規程及處理步驟等培訓功能。

所有駕駛系統均可以獨立運行，亦可以聯合運行，還可以與調度系統、模擬車站進行聯動，實現聯合演練功能。

2.2.3 系統配置

駕駛系統由操縱設備、列車運行仿真系統、視景仿真系統、聲音仿真系統、通訊仿真系統、虛擬列車設備系統及故障/突發事件的模擬系統等組成。模擬駕駛系統應包括1套車內模擬駕駛培訓設備、1套教員設備及多套簡易型模擬駕駛培訓設備，如圖3所示。

2.2.4 系統建設的創新點

駕駛系統的視景采用了全線實景模擬，正向和側向均設置模擬顯示屏，并且創新性地安裝在真實的電客車駕駛室內;同時可以聯動電子、實物沙盤及模擬車站，并首次將調度系統、駕駛系統與模擬車站進行了聯動，這是該系統的創新點，同時系統間的可靠聯動，亦是該系統的建設難點。

圖3 列車模擬駕駛實訓室

2.3 運營管理及維保設備三維仿真培訓系統

2.3.1 系統特點

運營管理及維保設備三維仿真培訓系統(以下簡為“三維系統”)，采用三維仿真技術，基于某線路的真實場景(見圖4)，構建虛擬的COCC、OCC(運營控制中心)、車輛段、車站、隧道及相關設備三維模型，并能以全景展示、透明剖視、自由漫游及交互操作等形式呈現。三維系統基于地鐵應用場景的全景3D模擬，實現設定任務的動畫介紹、模擬操作和考試。該系統主要運用于運營和維保專業的業務流程標準、設備原理、設備結構、維修工藝、故障處置及應急演練等任務，并可根據任務的大小和參培人員的數量選擇適當的綜合仿真實訓室來開展相應的培訓工作。

圖4 某線路仿真場景

2.3.2 系統功能

三維系統基于運營管理操作流程和專業設備檢修(操作)管理,從操作流程、設備結構介紹、檢修(操作)標準化等方面全面實現了場景全貌模擬，以及實現了檢修(操作)流程、檢修工藝、故障處理及聯動演練等模擬培訓、訓練和考試任務。通過三維交互式仿真系統，直觀地反映地鐵運營作業流程、設備結構及檢修(操作)過程。

該系統的主要功能包括：實現對運營管理流程、主要設備結構及性能的介紹；實現典型標準化作業流程的模擬及考核；實現關鍵設備結構的三維模擬檢修仿真；實現多專業聯動演練功能，同時系統中的動畫配備文字介紹及動畫配音等功能。

三維仿真可逼真地模擬實際場景、設備的外觀形狀、顯示界面、幾何結構、機械閉鎖、操作機構的外形顯示方式及操作方式，使虛擬設備在正常運行和事故情況下的動作現象(如動作行為、聲響、燈光、表計顯示等)與實際設備保持一致。

2.3.3 系統配置

三維系統應包含線網指揮、調度指揮、車站客運及車場乘務等4個運營管理模塊內容,以及供電、自動化、信號、AFC(自動售檢票)系統、車站設備、車輛及車輛段設備仿真培訓系統等6個專業設備模塊。此外，三維系統需單獨配置1臺服務器。

2.3.4 系統建設的創新點

三維系統創新性地提出了城市軌道交通運營全專業的交互式虛擬仿真，真實地還原了生產現場、設備狀態和操作步驟，并且具備多角色演練功能，但由于模型及流程數據量極大，涉及的專業較多，需要業主、供應商等密切配合，這也是該系統的建設難點。

2.4 綜合培訓考試系統

綜合培訓考試系統主要由管理員端、教員端、學員端3大系統模塊組成。該系統可以利用多媒體教室進行當地培訓；同時學員也可以通過信息化網絡平臺，隨時登陸系統通過IE瀏覽器或APP等形式進行學習。綜合培訓考試系統需建設基于網絡的學員學習培訓考試平臺，培訓內容如課件、考卷等可支持用戶自行添加。

培訓考核需要外部網絡支持，應單獨配置1臺服務器，同時考慮網絡安全問題，需配置防火墻。

3 運營仿真實訓各系統之間的聯動關系

1)調度系統應考慮與模擬車站進行聯動，以及與模擬駕駛系統在實體和電子沙盤均能實現聯動，該系統主要用于調度、乘務、站務專業實操與聯動演練，以及電客車司機的模擬駕駛培訓。

2)三維仿真培訓系統作為高度集成化的純虛擬的仿真軟件模塊，其專業和設備配置比較全面，可考慮獨立運行。該系統主要運用于運營和維保專業的業務流程標準、設備原理、維修工藝、故障處置及應急演練等任務。

3)綜合培訓考試系統，主要是建設基于網絡的學員學習培訓考試平臺，培訓內容如課件、考卷等可由用戶自行添加，同時可采用瀏覽器和手機APP的方式進行在線學習，以解決集中培訓較為困難的日常培訓及考核問題。該系統與其他系統不聯動，但其他系統的培訓考核數據需接入該系統。

各系統間的聯動關系及網絡如圖5所示。

圖5 各系統間的聯動關系示意圖

4 教學管理設置

系統教學管理分為管理員、教員、學員3個權限級別。其中，管理員擁有最高權限，能夠統一監控管理系統平臺，并制定教員及學員權限；教員通過管理員權限設定，能實現課程的設計和管理、培訓模式的控制、訓練過程的監控，以及指導及干預學員的操作過程等任務，并能以觀察者模式選擇、跟蹤及觀察學員的操作過程和多人聯動任務執行狀態；學員能夠按照教師發布的任務和指令，進行相關課程的學習、練習及考核。

培訓系統應具備統一的登錄界面，不同類型的用戶登錄后可進入相應的場景。教員賬號登錄后可閱覽全部仿真場景的大地圖畫面，同時可執行自由漫游瀏覽、培訓模式選擇、實施故障設置、教學跟蹤等任務；學員賬號登陸后，以第三人稱角度進入工班或工作崗位等待完成教員分配的培訓模式及任務。

5 結語

城市軌道交通運營仿真實訓系統，基于虛擬線路級的三維仿真環境，具有占地面積小、不磨損設備、不占用運營時間和設施、無任何安全風險、可培訓的設施多及培訓精細化程度高等優點，是一個能提供深度培訓和多專業聯動培訓的平臺，為從業人員的培訓、企業的大型演練和運營方案選型提供了新手段，能夠有效提高城市軌道交通運營管理和檢修、操作過程的標準化功率，縮短員工培訓周期，降低運營成本。該系統將成為信息化時代的學生和員工培訓、技能鑒定及企業運營決策咨詢的重要環節之一。

成都地鐵運營仿真實訓系統項目目前已經完成招標，正在積極開展建設工作，通過該項目的實踐探索，希望能為實訓基地建設提供有益的啟發和思路。