鐵路重載列車運營仿真培訓系統的設計

趙榮亮，李 波

（1.中國鐵路武漢局集團有限公司 宜昌綜合維修段，宜昌443000；2.武漢鐵路職業技術學院，武漢430000）

鐵路是國民經濟的大動脈，隨著我國經濟的快速發展，普通的運輸方式已不能滿足人們對生產資料和生活資料的需求，在這種時代背景下，重載鐵路具有的運能大、效率高、運輸成本低等優點得以突顯。重載鐵路的快速發展和運能的日益擴張，對運營人員的管理水平、技能水平，以及運營效率提出了更高的要求[1]，合格的重載列車調度員、車站值班員和列車駕駛員對重載列車安全運營起著重要的作用[2]。因此，研究貨運鐵路重載列車的運營仿真，對培訓現場運營人員、促進貨運鐵路的快速發展、保證運輸安全具有重要意義。

傳統的“師傅帶徒弟”培訓方式單一、培訓耗時長，且貨運組織過程中遇到的非正常現象各不相同、不易重現；此外，傳統的教學培訓手段不能批量、高效、全面地對學員進行現場演示，也不能進行模擬操作等技能培訓，難以實現預期培訓目標，無法滿足當前重載鐵路運營人員日益增長的培訓需要。為此，本文結合貨運列車運營實際及現有鐵路綜合仿真培訓系統應用現狀，設計了一套集教學、培訓、演練、實訓為一體的重載列車運營仿真培訓系統（簡稱：仿真培訓系統）[3]。

1 仿真培訓系統設計

1.1 設計目標

仿真培訓系統以實際運營的重載列車車輛特性、運行工況、線路特點等為原型進行功能仿真與運行場景模擬，實現對運營人員的基礎知識培訓、基本操作培訓、仿真操作培訓，能全過程記錄不同工況下的處置過程和作業標準執行情況，并進行綜合考評，達到提高運營人員行車指揮、駕駛技能、故障處置等業務水平的培訓目標。

1.2 系統組成

仿真培訓系統通過模擬貨運鐵路重載列車運行狀況、操作特性、牽引/制動特性、編組、無線重聯、解編，以及故障和非正常操作等不同場景，完成對行車組織人員（調度員、值班員、司機等）的業務操作技能培訓及考核評價。根據貨運列車實際運行信息、運營狀態，搭建由列車駕駛仿真子系統、環境仿真子系統及教員管理子系統組成的仿真培訓系統，其結構如圖1所示。

圖1 仿真培訓系統結構

2 仿真培訓系統主要功能

2.1 列車駕駛仿真子系統功能

（1）機車仿真。包含對車載信號、屏顯控制系統、故障、列車運行的仿真。根據電力機車硬件組成結構及車載信號顯示定義，結合機車真實設備電路控制原理圖對機車所有電氣元件進行硬件替代與軟件模擬，實現仿真機車與鐵路現場實際運行機車的功能特性、電氣特性高度一致。根據列車自身屬性參數及實際運行線路特征，構建不同車型在不同運行線路及不同工況（含故障模擬）下的牽引、制動模型，模擬真實列車實際運行。

（2）場景仿真。包含對視景和聲音的仿真。采用計算機圖像生成技術、數字光學處理技術模擬列車實際運行場景及其周邊景物，構建與現場高度吻合的視景仿真子系統，用于呈現列車實際運行前方及車窗適宜視角的軌道、沿途車站及相關景觀畫面，并能根據列車運行速度、運行方向、過道岔、上下坡段等情況實時調節畫面顯示幀數、視點角度和方向，逼真還原實際運營場景。

根據不同環境、不同工況機車車輛運行過程中發出的鳴笛聲、劈相機聲、壓縮機聲、電弧聲，以及過軌道、道岔、橋、隧道等發出的聲音和列車運行的環境氣動噪聲，創建音源并構建聲音仿真子系統，根據仿真列車在培訓過程中觸發的事件，發出不同的音源對受訓學員進行提示。

2.2 環境仿真子系統功能

根據車站、區間列車運行控制特點及對應線路的基礎數據信息，創建列車運營環境仿真子系統，模擬行車調度指揮、車站作業，實現對行車指揮、實時調整、全程監督、區間閉塞控制及車站聯鎖控制等主要功能的仿真。

（1）行車調度指揮仿真。以運行車站、區間配置圖及基本運行圖為基礎，以臨時限速與階段計劃等調度命令為全線列車實際運行準則，通過行車調度仿真子系統，實現行車指揮自動化功能。

（2）車站作業仿真。根據貨運鐵路實際運營控制特點、車站作業性質，結合地面信號設備聯鎖控制邏輯及車站值班員、信號員、助理值班員作業流程特點，運用軟件編程構建車站作業仿真子系統，通過該子系統，實現站場設備（線路、信號、車輛等）參數、屬性參數的靜態仿真，以及設備控制邏輯、操作流程的動態模擬。

2.3 教員管理子系統功能

根據現場培訓需求，設計教員管理系統，實現教學計劃的制定與實施。教員管理系統包括系統數據庫管理模塊、課程設計與管理模塊、故障信息管理模塊、用于考核操作技能與業務水平的評價模塊、用于監視各模塊運行狀態及控制命令執行狀態的通信仿真模塊等。

（1）教學計劃制定。教員可根據貨運鐵路實際運營中作業人員的技術薄弱環節、易錯且在實際中不易重現的故障，以及非正常行車作業/正常行車作業流程，設置課程起始及結束時間，設置運行圖繪制及調整信息，設置故障（機車車輛、線路、供電、信號設備、系統故障、編組異常、重聯故障等）及非正常行車場景，擬定教學計劃。

（2）教學計劃實施。教員根據已制定的教學計劃啟動仿真培訓系統，完成課程信息加載、各模塊內部參數設置與初始化、模塊間數據交互和通信連接、核心運算等。系統運行時，仿真列車根據擬定的教學計劃按照時刻表運行，環境運算服務器實時接收客戶端的各類操作指令（系統菜單與操作命令），并向客戶端發送狀態更新信息，生成操作日志，儲存操作記錄。所有操作指令及服務器內部自觸發條件信息均按時戳順序保存并傳送到評價模塊，與正常操控流程評價準則進行比對，給出相應的考核測評。

3 仿真培訓系統實現的關鍵流程

3.1 牽引動力計算流程

根據電力機車與車輛自重、長度等屬性參數設置不同車型、不同運行線路、不同工況下的牽引力、制動力、阻力、能耗等特性參數[4]，結合實際運行線路數據（線路速度、里程、坡度、曲線、分相、橋隧、道口等）、車站數據（站名、道岔、股道、站臺等），計算在不同線路、不同工況下的列車速度、列車加速度、列車制動力、相對位移與絕對位移等。計算流程如圖2所示。

圖2 牽引動力計算流程

3.2 無線重聯子系統仿真流程

貨運鐵路無線重聯技術是實現多機車無線重聯，開行長、大重載組合列車，滿足重載運輸需求的關鍵技術，其核心是基于無線通信控制系統，將多臺機車分布在重載列車的適當位置，從而實現整列列車的同步運行[5-7]。通過模擬機車無線通信控制，實現主控機車對從控機車的動力牽引和制動控制，主控、從控機車重聯操作命令經機車邏輯控制系統，得到最佳動力分配、制動緩解方案，主從機車控制命令經數據收發接口模塊進行交互與傳輸。

3.3 行車調度仿真子系統數據傳輸流程

根據貨運鐵路實際運營過程中運行計劃的編制、修改、調整、下達，以及列車進路控制、調度監督、行車指揮（限速、階段計劃）等調度命令[8]，結合車站作業仿真子系統，構建由數據管理模塊、邏輯運算與控制模塊、車站運行環境仿真模塊、人機交互控制模塊組成的行車調度仿真子系統，其數據傳輸流程如圖3所示。

圖3 行車調度仿真子系統數據傳輸流程

4 仿真培訓系統應用

采用SQL數據庫、C#語言完成仿真培訓系統軟件開發。利用該仿真培訓系統，教員可根據教學培訓需求，設置仿真機車類型（SS4B型電力機車、神華號電力機車等）、編組信息（“1+1”“2+0”“4+1”等）、列車長度、自身重量及載重量等基本參數，創建對應培訓計劃，啟動系統。仿真培訓系統運行過程中，完成數據生成、無線重聯、運行圖調整、階段計劃下達、模擬駕駛、場景再現、故障處置、解/編組等。各子系統間數據交互流程如圖4所示。

圖4 仿真培訓系統中各子系統間數據交互流程

5 結束語

本文結合貨運鐵路技術發展、運營實際，分析既有培訓系統、培訓模式的局限性，通過對重載列車參數、線路特點、運營場景交互、關鍵流程的分析，搭建了一套集教學、培訓為一體的貨運鐵路重載列車運營仿真培訓系統。系統實現了重載列車運行的高度仿真、非正常行車與貨運作業場景的設定、人機交互、運營人員培訓與考評等功能，具有逼真、易操作、易維護、實用性高等特點。隨著我國重載鐵路運輸技術及裝備的不斷發展、運能的日益提高，貨運鐵路重載列車運營仿真培訓系統對改變傳統培訓模式、滿足運營人員培訓需求、促進貨運鐵路運營技術發展等有著積極的意義。