基于城軌運營交互式模擬設備培訓考核系統的研究

楊培義 張天彤

摘 要：國內現有的城軌運營模擬設備的核心設備主要是司機操縱臺，培訓考核效率低，人工評判比重大，不能滿足真實運營狀態下的故障處理、非正常處置、標準化作業等業務內容的培訓需要。為解決以上問題，開發出新型的城軌運營模擬培訓考核系統，該系統基于城軌運營交互式模擬設備，應用虛擬現實技術、工業自動化技術、大數據存儲技術和計算機輔助行為評估技術，具備“培訓—練習—考核”的全部功能。該系統對虛擬仿真培訓行業的發展具有較大的推動作用。

關鍵詞：城軌運營;培訓考核;交互式;模擬設備

中圖分類號：G 712 ?文獻標識碼：B

Abstract：The core equipment of the existing simulation equipment for urban rail operation in China is mainly the driver's operating platform，which is inefficient in training and assessment and has a significant ratio of manual evaluation.It cannot meet the training needs of fault handling，abnormal disposal，standardized operation and other business contents in the real operation state.In order to solve the above problems，a new simulation training and assessment system for urban rail operation is developed.Based on interactive simulation equipment for urban rail operation，this system applies virtual reality technology，industrial automation technology，big data storage technology and computer-aided behavior assessment technology，and has all the functions of "training-exercise-assessment".This system can promote the development of virtual simulation training industry.

Key words：Urban rail operation;Training and assessment;Interactive;Simulation equipment

城市軌道交通以其節能、省地、大運量、全天候、少污染和安全等特點，成為緩解我國城市擁堵和空氣污染問題的最佳方案。近年來，我國城市軌道交通快速發展。截至2018年年底，我國內地（不含港澳臺地區，下同）共有24個省份的35個城市開通運營軌道交通，運營線路171條，運營里程5295公里，2018年城市軌道交通客運量約212.8億人次。隨著運營里程和客流的快速增長，城市軌道交通安全穩定運行的壓力日益加大。行車組織作為運營組織的中樞環節，是保障運營安全和運營秩序的重要基礎。出臺城市軌道交通行車組織的管理制度，統一行業行車組織的基本規則，對于嚴守安全底線，進一步夯實運營安全管理基礎，具有重要作用。

城市軌道交通的快速發展對于列車司機的駕駛技能有了更高的要求。面對真車培訓帶來的周期長、費用昂貴、安全性差等問題，傳統的培訓方式已經部分地被新型的模擬駕駛設備所代替。模擬駕駛設備是集成虛擬現實、仿真等多領域技術的產物，廣泛地應用于軌道交通領域的列車司機、職業院校相關專業的培訓和考核，已成為一種科學、先進、高效、安全的技能培訓教學設備[1-2]。

1 存在的問題

目前國內鐵路車輛段上百所，大多教育培訓為固定考題庫的計算機試題形式，并未實現交互式操作評價形式，而且行業內現有的所有考核系統只能夠針對單個題目給出正確與否的評價，并不能對操作流程給出準確的評價。國內現有的城軌運營模擬設備的核心設備主要是司機操縱臺，主要針對列車功能的模擬，這種使用性一邊倒的模擬器已經不能夠滿足反映真實運營狀態下的故障處理、非正常處置、標準化作業等業務內容的培訓需要。此外，傳統的模擬器培訓考核效率低，考核結果人工評判比重大，導致考核結果公正性差、不夠直觀等問題，同時工作人員工作量較大，培訓考核效率不高[3-4]。

2 系統解決方案

為了解決以上問題，設計開發一種新型的城軌運營模擬培訓考核系統。該系統開發基于城軌運營交互式模擬設備培訓考核系統，利用C++、PostgreSQL-9.5及相關技術，在VS2015下進行開發，系統基于 C/S 模式，充分利用軌道交通企業新技術及生產一線數據庫、知識庫為基礎，從而實現現代化模擬設備培訓考核系統。該系統主要模塊可劃分為：學生管理、課程管理、試題編輯、邏輯數據采集、操作記錄查詢、考核數據歸檔。該新型城軌運營模擬培訓考核系統基于城軌運營交互式模擬設備，應用虛擬現實技術、工業自動化技術、大數據存儲技術和計算機輔助行為評估技術，通過對受訓者的操作行為實施數據采集、存儲、分析和量化評估，構建對城軌列車駕駛人員、行調人員工作狀態的分析和考核，最終使模擬設備系統具備“培訓—練習—考核”的全部功能。

2.1 系統具有的特點

該系統的主要特點是模擬系統的行為標定技術和關鍵數據識別技術。行為標定技術是基于行為的隨機性和不確定性，對行為進行監督和量化，通過特征標定使系統可以根據一定的算法對其行為邏輯進行分析判斷。關鍵數據識別技術是設計和制作了用于行為判斷的規則，并以規則為標準對操作行為進行監督。從而優化城軌交通運營模擬操作的全過程，達到完善作業內容、提高培訓考核效率、提高考核結果公平性、減少工作量的目的。此外，系統重視司機操縱系統、虛擬列車終端系統、輔助人員終端系統、監控終端系統之間的聯合模擬，使系統具有極強的可擴展性和適應性。

2.2 系統的關鍵技術

該系統依據《GB50490-2013 城市軌道交通技術規范》、《GB/T 30012-2013 城市軌道交通運營管理規范》等技術規范，完成的關鍵技術主要如下：首先，完成城軌列車司機交互式模擬設備培訓及考核系統的方案設計;其次，在司機操縱系統、虛擬列車終端系統、輔助人員終端系統、監控終端系統之間采用交互化設計，實現各終端系統之間的聯合模擬;然后，根據城軌列車司機的操作技能要求，制定城軌列車司機的培訓目標和考核標準;接著，設置司機應急處理故障庫，通過對大量已知故障的預存和分級，為受訓者提供不同難度等級的故障處置能力訓練。下一步，系統增加對司機操縱平穩性與乘客舒適性兩個方面的評測指標，并能夠真實模擬不同的線路條件（曲線、坡道等）和輪軌狀態（雨雪、霜凍等）對司機操縱的影響;最后，實現系統的可擴展性和適應性，方便后期功能的拓展。

2.3 工藝問題及方法

該新型城軌運營模擬培訓考核系統存在的工藝問題和對應方法如下：（1）基于模擬駕駛行為的隨機性和不確定性，對行為進行監督和量化，通過特征標定使系統可以根據一定的算法對其行為邏輯進行分析判斷。（2）設計和制作了用于模擬駕駛行為判斷的規則，并以規則為標準對操作行為進行監督。（3）研究并實現基于標識的觸發器技術，設計并制作可以推動仿真劇情發展的觸發器類型、觸發機制、通訊機制和觸發器標識。（4）研究并實現基于關鍵點標識的監督技術，設計并制作可以用于監視操作人員行為的數據采集、精確量化、大數據存儲技術。（5）結合軌道運營規章，對設備狀態、學員行為過程和操作結果進行實時記錄，基于模糊量化算法對所記錄的數據設計和開發合理地考核評估算法。（6）針對應急故障庫中不同故障的難度進行數學量化，將培訓考核系統中考核題目難易程度進行分級處理。

3 系統的技術路線

系統的設計采用先進的數據庫技術和可視化的程序設計方法，前臺采用先進并穩定的VS2015+Qt5.5技術，后臺采用功能強大的PostgreSQL-9.5數據庫，PostgreSQL是一個功能非常強大的、源代碼開放的客戶/服務器關系型數據庫管理系統（RDBMS）。使用VS2015+Qt5.5開發應用系統，有技術先進、穩定性高、功能強大、安全性高等優點。系統開發采用三層架構模式，這為提高系統的健壯性、可靠性、可擴充性、安全性、可維護性提供了可靠的保障。VS2015+Qt5.5平臺采用了界面和代碼分開的理念，界面部分由美工來設計，做到美觀大方靈活易用，大大提高了軟件的靈活性和趣味性。培訓管理系統采用Qt Plugin技術，對于軟件接口的定義在設計過程中嚴格要求，便于系統后期的升級與擴展。職工培訓管理系統采用三層架構的分層方案，即操作用戶直接看到的用戶界面表示層、中間器橋梁作用的業務邏輯層和直接操作訪問數據庫的數據訪問層。

為了解決培訓考試中考生身份驗證的難題，杜絕考試中替考現象的發生，同時也為了提高職工培訓管理的工作效率，降低工作負擔，保障廣大職工學員的利益，在職工考試中使用了身份認證，身份識別的過程中使用了多種技術的有機結合，如人臉識別技術、計算機技術、通信技術、網絡技術、數據庫技術等，所有職工都必須經過身份驗證才能進入考場。通過信息化、網絡化的方式來對各類考試考生身份驗證，大幅縮短了驗證考生身份需要的時間，減少了工作人員，降低了勞動量，提高了工作效率，大大節約了人力和財力，提高了驗證的準確度，使教育的信息化建設更進一步。該系統通過自主研發的規則編輯器、規則執行引擎、規則化數據采集技術、數據分析技術實現對受訓人員行為步驟、結果的監督、分析評估構建對受訓人員的工作狀態評估實訓和考核系統。不僅可以提供傳統的基于原理仿真的設備實訓功能同時還可以對受訓人員的行為合規性進行監督和評估，將對虛擬仿真培訓行業的發展具有較大的推動作用。

4 應用效果

基于城軌運營交互式模擬設備培訓考核系統是一個充分利用現代網絡技術、計算機技術和多媒體技術，以軌道交通企業新技術及生產一線防控數據庫、方法庫和知識庫為基礎，以VS2015+Qt5.5平臺下的消息驅動、插件系統和SQL SERVER為手段，解決了傳統模擬器的問題，實現了現代化的城軌運營交互式模擬設備培訓考核系統。該系統不僅降低了工作人員工作量，提高了公正性和培訓考核效率，而且提高了學習新技術及生產安全防控的積極性，為培訓管理模式的優化和提升提供有力支撐。

5 總結

該模擬設備培訓考核系統具有先進的設計理念和明顯的技術優勢，不僅能夠提供完整的模擬環境和培訓內容，還能夠比較直觀的反映出受訓者的培訓效果，在減少培訓工作量的同時大幅度提高了培訓效率和培訓效果。該系統如若在城市軌道運營單位及相關鐵路院校進行推廣應用，將會產生良好的經濟效益。

參考文獻：

[1]楊嶸.模擬設備在電子電工實驗中的作用[J].電子技術與軟件工程，2017，（11）：105.

[2]李永權，齊爾和.模擬設備在特種設備作業培訓考試中的應用[J].安全，2016，（8）：55-56.

[3]武新杰，邵嘉林，李長生.LKJ2000型列車運行監控記錄裝置模擬設備開發及應用[J].中國科技信息，2011，（17），131-133.

[4]郭峰.基于模擬設備項目開發的三維CAD技術在教學中的應用[J].職業，2011，（8）：170-171.

基金項目：河南省高等學校重點科研項目（18A580007）;鄭州鐵路職業技術學院課題（2018CXY0010）

作者簡介：楊培義（1991—），男，河南睢縣人，碩士，助教，研究方向：城軌車輛技術和職業教育;張天彤（1973—），男，河南滎陽人，鄭州鐵路職業技術學院副教授。