基于鐵路特色運維服務的虛擬仿真訓練平臺探究★

楊世德， 林鳳濤， 楊 洋

（華東交通大學， 江西 南昌 330013）

1 建設背景

伴隨著中國高鐵運行里程與運行速度迅猛增長，鐵路運維行業涉及到的技術手段越來越先進，種類越來越復雜。運維現場使用的設備種類、技術種類、復合型人才需求也越來越多。鐵路日常的運維是保證鐵路安全運行的重要方式，運維作業的設備也越來越豐富，從大型運維維護車到中小型運維維護車；有自動化設備，也有完全人工操作的設備[1]。

基于鐵路特色運維服務的虛擬仿真訓練平臺是采用數字技術，對軌道運維現場實行1∶1 比例建模，配合運維實施現場要求，建立的綜合實踐仿真平臺，可以緩解以下矛盾：

1）對于軌道交通相關專業無法在短時間內配備和建設完善的訓練設備及體系；

2）軌道運維行業要求從業人員具有熟練的操作技能才能上線操作，且對同時上線人數、時間有明確要求[2-3]；

3）軌道運維中測量、測試、調試等工作天窗點申請困難；

4）運維中相關的實踐訓練與工程作業現場無法密切結合。

系統建立的出發點是使學員更好地在鐵路運維行業熟悉并應用先進測試裝備與測試技術，該系統是學員重要的實踐能力訓練和規范操作能力提升的綜合實踐訓練平臺。

2 建設目標和思路

利用數字建模技術、遠程數據交互技術、虛擬仿真技術，結合多媒體、網絡化軟硬件系統，基于VR+遠程組態技術，采用“虛+實”教學模式，改善運營檢修專業的實操方式并提高基礎技能，從而提高學生知識能力和綜合技能[4-5]。

（2）加快發展新型接續產業是優化產業結構，轉變經濟增長方式的主要途徑。金昌市的發展依托于資源賦存的優勢，但要保持其持續、穩定、健康發展，就要立足于現有的資源狀況、區位條件、科技實力和投資來源等要素，加快培育和發展新型接續產業，尤其是大力發展非礦產業，使城市的發展取向更加符合市場經濟要求和結構調整需要，實現資源的優化配置和戰略重組，調整產業結構，改變經濟增長方式，由單一資源優勢向多功能的綜合經濟優勢轉變，進而保證資源優勢的延伸與潛力的挖掘，由外延式發展走向內涵式發展。

2.1 具有人機交互的實踐訓練平臺建設思路

2.1.1 構建虛實互補的鐵路運維操作規范虛擬仿真教學實踐體系

著眼于學員能力、素質的培養，按照新的人才培養目標大綱，結合鐵路運維操作規范測量實際需求，創建1∶1 的ITS 虛擬仿真系統，借助融合視覺、聽覺及觸覺等多種互動方式，使學生掌握專業仿真運維操作規范測量操作手段和數字化運維操作規范測量實驗實踐方案設計方法，應用虛擬仿真模擬實際運維操作規范問題，可滿足鐵路相關專業對操作及技能規范培養要求，實現學員進入“沉浸式”現場操作演練，以解決現場準入門檻過高的矛盾。在教學實踐互動方面，構建了高還原度仿真現場，實現測量、測試設備數據化。參照現場操作規范，規范設備操作步驟，同時吸取現場設備操作經驗，設置失誤報警信息，完成學生的經驗積累。采用“虛”與“實”有機結合的實踐教學模式，依托虛實仿真平臺，完成復雜的工程實踐訓練，構建以課內操作訓練為主導，課中數據交互實驗為延展，課外遠程云數據協作為拓展應用，課內外操作-實踐-拓展一體化綜合實踐虛擬仿真訓練平臺，以此為教學手段，培養和提高學員學習的連續性、應用性以及理論聯系實際的互補性[6]。

2.1.2 虛擬仿真系統的科研平臺支撐

虛擬仿真技術屬于人工智能相關學科的研究范疇，是教學和科研的輔助手段，也是提升學生能力的教學載體。學員調用虛擬仿真中測試得到的數據，利用相關處理軟件，模擬數據處理方法，利用處理得到的調整方案，在虛擬仿真系統中，調整并實現運維操作規范：測量-修復虛擬仿真一體化完成。

2.1.3 鐵路運維操作規范之先進儀器設備虛擬實驗

擴展裝備種類如先進測試裝備、大型測試設備、造價高昂設備，解決維護現場設備緊缺的現狀；同時利用鐵路特色運維服務的虛擬仿真訓練平臺可以進行一些實驗性質的設備規范操作訓練，降低操作風險、難度等。

2.1.4 遠程云平臺數據交互

利用多媒體顯現技術以及網絡通信交互平臺，構建高度還原現場的、能夠人機交互的、軟硬件數據交互的虛擬仿真實踐教學平臺，實現虛擬操作與實踐訓練的相互補充。開放網絡端口，實現用戶遠程訪問。現場數據可以遠程發送至虛擬仿真實驗室運算服務器，利用虛擬仿真實驗室設備，仿真模擬現場維護效果，同時通過真實運維操作規范測量的現場經驗完善虛擬仿真實驗方案、虛擬仿真擴展性操作練習。

2.2 虛擬仿真實踐平臺設計理念

依據鐵路運維操作規范對運維操作實際的要求，提出了符合運維現場操作規范要求的實驗實踐規劃總體目標，細化了與實踐目標相配套的技能規范考核體系、能力訓練和素質目標；圍繞課程規劃，確定了“以還原鐵路運維現場規范操作方案設計為主線，規劃運維規范性實踐教學計劃”內容的實踐操作課程設計指導思路，設計出能模擬鐵路現場的實踐操作最大限度還原運維現場工況的課程內容。

2.2.1 行業特色設計

虛擬仿真公共實驗室的設計滿足學校各學院、各學科的虛擬仿真教學需求，與實驗課程教學緊密結合[7]。多種形態的學生虛擬仿真開發實驗區，配備高性能圖形工作站、三維自動化建模成像設備和激光測量設備，可以靈活地調整區域，搭配設備，滿足不同的專業課程要求。通過現場設備端、三維成像設備及激光測量設備等人機接觸交互設備可實現不同場景的VR資源內容。

2.2.2 硬件-虛擬仿真交互平臺

教學實訓設備的擴展性體現為由原來單獨的教學設備，轉變為1∶1 還原鐵路運維現場真實場景。虛擬仿真系統可實現軟硬件交互，在虛擬仿真系統中，可以按照操作步驟，發出相關操作指令控制外部連接設備完成相應的動作指令；也可以實現軟硬件之間的數據傳輸，實現虛擬仿真系統-外部測量設備、虛擬仿真系統-外部數據處理計算機、外部測量設備-數據處理計算機之間的數據交換。

2.2.3 綜合性設計

實驗室具備虛擬仿真教學與開發的雙重功能，是以具備智慧實驗室為基礎的虛擬現實（virtual reality，VR）、增強現實（augmented reality，AR）與 3D 技術的綜合應用。建設時充分考慮后期的維護和升級需求，從基礎建設開始著手，做到強弱電的分離、預留、可擴展等，形成了專業特色突出、學科交叉融合、軟硬件交互的綜合性綜合訓練模式[8]。

3 虛擬仿真系統建設成果

1）突破軌道交通運維檢修現場人員限制準入的壁壘，實現“臨場+VR 教室”聯動和互補的實訓機制。建立軌道交通運維檢測檢修臨場實訓系統，學生能夠更加直觀地了解鐵路檢修測量的相關操作，學習相關知識點，從而開拓思路，解決目前學生難以深入現場進行測試的困難，從而開發出先進的測量技術及測量方法。

2）建立深度沉浸感的教學平臺，實現理論與實踐教學的有效銜接。研制仿真軟件系統，以還原現場操作規范為理念，融合先進測試技術、測試裝備、預研實驗裝備，及造價高昂或者危險系數高的設備，注重數據的交互性、可靠性、指導性和靈活、安全、機動、高效的人機交互性設計，同時以學生為主體開展實驗項目的設計、執行及實驗結果的分析、實驗數據的現場指導與反饋等工作。

3）虛擬設備-現實設備聯動實驗規劃平臺。虛擬仿真系統可以根據現場應用設備種類，添加外部設備，更新虛擬仿真模型文件庫，安排更新教學實踐內容，從而適應不同的實踐教學與生產科研活動需求。

4）遠程平臺預約系統。學員可以根據自己的學習進度安排，遠程訪問虛擬仿真系統的網絡版本，在這個版本中，可以實現虛擬設備的使用、虛擬數據處理、虛擬運維操作規范調整；如學員已經掌握虛擬內容，就可以預約虛擬現實聯動模塊，將自己的學習、實踐計劃上報給系統管理員，預約進一步的實踐實驗活動。

5）構建“多平臺多模塊”虛擬仿真實驗教學系統。實現學生從應用操作能力、工程實踐能力到研究創新能力的漸進式培養過程，構建的實踐教學體系如下頁圖1 所示。

圖1 實踐教學體系

6）以此平臺，利用虛擬仿真系統，實現數據建模、數據分析，設計并完成站臺運維操作規范測量虛擬仿真系統的搭建，實現對站臺、雨棚等建筑的虛擬測量，完成外部站臺運維操作規范測量儀與虛擬仿真系統數據交換。

7）以虛擬仿真平臺為基礎，搭建遠程遠端數據監控平臺，利用移動數據平臺、數據通信技術，實現遠程采集監控設備的狀態、位置等相關信息的收集、處理，統為依托，構建具有高度還原現場，高度參與感、直觀性和互動性的虛擬仿真實驗教學平臺，強化沉浸式體驗，并采用多種形式的實驗手段，在虛與實結合、轉換中的實驗教學中實現理論與實踐教學的相互融合及轉變。并以此為基礎判斷設備的狀態等。

8）虛擬仿真社會服務特性。虛擬仿真系統，除了滿足日常專業教學，還需要具備學校行業特色、青少年科普、學生實踐培訓以及服務科研等功能，更應具有一定的社會效應和時效的先進性。理解基于項目需求，以時效先進性、擴展性、升級延續性，規劃具備設計課程、社會服務、科研平臺功能的設備與技術思路方法[9-13]。

4 結論

1）創新集成“VR+遠程組態”技術，實現在軌道交通運營檢修實踐與臨場實訓系統的應用。將立體多視角顯示、軟硬件數據交互、遠端數據遠程協作、動作感知技術等新興的信息技術應用到軌道交通運營檢修虛擬仿真實驗系統中，使學生通過仿真和數字化手段掌握專業設計方法，滿足專業技能培養要求。

2）建立深度沉浸感的教學平臺，實現理論教學與實踐教學的有效銜接、互補與拓展。以虛擬實訓教學系