浅谈CRH3型动车组全功能模拟驾驶仿真系统及其教学应用

来源:用户上传      作者: 唐凌 汪沁

　　摘要：随着铁路“高铁时代”的到来，高速动车组已经在各条客运专线上风驰电掣,高速铁路后备人才队伍建设工作已显得更为重要。作为培养高速铁路专业人才的高职院校，针对高铁运输行业各个部门的特点，结合CRH3型动车组全功能模拟驾驶仿真系统更好的开展教学，本文通过对动车组全功能模拟驾驶仿真系统及其教学应用的现状分析,有效地解决了当前培养学生中存在的问题,对于高速铁路其他专业人才开发具有一定的借鉴和参考作用。
　　关键词：动车组 仿真模拟 实践教学
　　
　　1、背景
　　武汉铁路职业技术学院于二○○八年七月十八日通过教育部、财政部联合组织专家评审，被确立为“国家示范性高等职业院校建设计划”2008年度立项建设院校。其中高速动车组检修技术等四个重点建设专业正式列入了2008年度“国家示范性高等职业院校建设计划”。
　　武汉铁路职业技术学院动车组仿真培训中心项目是高速动车组检修技术重点建设专业中的一个重要建设项目，是一个依托于CRH3型动车组列车为原型，通过舱体设备、系统硬件、系统软件组成一套动车组仿真培训系统。
　　2、动车组CRH3模拟驾驶装置系统概述
　　CRH3型动车组全功能模拟驾驶仿真系统是用于对CRH3型动车组列车司机、乘务人员、检修人员、调度人员进行层次化和系统化培训的一种多功能综合性仿真培训系统。
　　其中全功能模拟驾驶仿真系统能够真实的模拟CRH3型动车组列车在各类运行环境和工况下的驾驶操纵、运行特性、运行状况和视听环境以及CRH3型动车组列车运行中的各类故障和突发事件，能够有效地对CRH3型动车组列车司机进行列车操纵能力和列车运行中故障与突发事件应急处理能力的培训和考核。调度集中指挥控制仿真系统能够模拟真实的调度集中系统的所有的调度监督功能，能够有效地对中心调度人员与车站值班员进行列车运营控制的培训和考核。
　　2.1 系统所采用操作系统与软件开发平台
　　为确保系统稳定性和合理性，系统采用成熟稳定的操作系统与软件开发平台:
　　(1)操作系统：1)系统主要计算机系统包括视景控制计算机、系统服务器与教员计算机采用Microsoft windows XP操作系统；2)系统工业级平板电脑采用Microsoft Windows XPE操作系统。
　　(2)软件开发平台：1)Embedded Visual C++；2)Microsoft Visual C++ 6.0 (VC6)。
　　(3)视景开发平台：Maya 7.01。
　　(4)数据库平台：Microsoft Sql Server 2005
　　以上操作系统与软件开发平台均在开发公司的模拟驾驶系统中得到过成功的应用和验证。
　　2.2 硬、软件系统架构
　　硬件系统包括以下子系统：CRH3动车组（01号车）实物一比一模型、动车组模拟驾驶室、车载显示操纵屏系统、通信系统、故障/突发事件模拟与排除系统、调度集中控制系统、视景投影系统、计算机系统、移动联挂系统。系统主要用于动态仿真的全过程培训，包括列车司机进行列车操纵能力、列车运行中故障和突发事件处理能力的培训与考核等。
　　系统软件包含以下子系统：DMI（车载设备人机界面）仿真系统、CIR（机车综合无线通信设备）系统仿真系统、GSM-R无线通信单元仿真模块、列车信息控制系统、车载安全计算机仿真模块、轨道信息接收单元、应答器信息接收单元仿真模块、TCU牵引控制单元仿真模块、CCU中央控制单元仿真模块、模拟驾驶教学子系统软件、调度指挥中心子系统、 车站指挥子系统软件、考核子系统软件等。
　　2.3 整个系统基于网络技术构建
　　本系统基于网络技术构建，系统中的各个计算单元网络互联，所有数据信息使用同一基础平台实现信息交换，保证模拟即使系统运行时各个数据传输的及时有效。
　　系统的所有功能模块都通过网络技术联成动态的、有机的整体，并全部处在教师的监控与管理之下。系统配备快速或高速以太网交换机，为系统提供网络通信，网络传输介质具备很强的抗干扰能力。
　　本系统运用的基于TCP/IP通讯协议的网络通讯技术，已经是现代计算机网络不可缺少的技术，经过近年的飞速发展，该技术应用已经非常普及且技术水平成熟。
　　3、动车组CRH3模拟驾驶装置系统功能描述
　　3.1 系统包含的高铁运输模块和其他模块
　　(1)CRH3型动车组全功能模拟驾驶仿真系统：系统包括列车模拟驾驶室、列车运行仿真系统、视景模拟系统、投影系统、车载显示操纵屏仿真系统、通信系统、声音模拟系统、音响系统、故障/突发事件模拟与排除系统、计算机系统、采集与输出系统、闭路监视系统、移动联挂系统。该系统主要用于动态仿真的全过程培训，包括列车司机进行列车操纵能力、列车运行中故障和突发事件处理能力的培训与考核。
　　(2)调度集中指挥控制仿真系统：调度集中指挥控制仿真系统由一个调度中心子系统和三个车站指挥子系统组成。该系统完全和真实调度集中指挥控制系统的工作原理一致、操作方式及操作习惯，操作界面和功能按钮完全与实际系统相同；该模块能够与模拟驾驶仿真系统组成了一个动态的、综合性的仿真培训系统，从而可以模拟出行车调度、车站值班、司机三方在正常行车、突发事件及非正常行车情况下的实际工作情况。
　　(3)交互式学员演练系统：该系统包含十套交互式学员演练终端，交互式学员演练终端由CRH3司机驾驶台和24寸的向前视景显示屏组成，属于部分功能的模拟驾驶仿真系统。
　　交互式学员演练终端能够在教员控制台监控下联网使用，又可作为独立的训练系统使用。学员在上全功能模拟器之前，通过网络化的交互式学员演练终端系统先进行基本操作、应急故障处理、非正常行车的学习、演练，待学员熟悉了司机操纵台的设备、仪表、显示设备等基本信息、掌握了列车基本操作流程后，再上全功能模拟驾驶仿真系统进行更深入的提高训练。
　　(4)学员观摩系统：观摩学员可通过观摩系统所配备的观摩投影以及音响系统对模拟培训或考核过程进行观摩。观摩投影的画面包括完整的驾驶仿真器的所有子系统显示画面。
　　(5)教员工作站系统：教员系统具有完整的系统控制、评价、监视、管理功能，能够对整套司机驾驶模拟装置系统的培训、考核、记录进行管理、评价和控制。
　　3.2 系统实用功能包括教学、演练、考核三大模块
　　系统能够充分体现教学、演练、考核等实用功能，具体是：
　　3.2.1 教学功能
　　采用多媒体动画形式进行呈现，具备交互式人机界面，可以方便的进行动画的播放控制，如：快进、快退、暂停、声音控制等。多媒体教学的内容包括：动车组运用、维护、检修、应急故障处理等的基础知识。
　　3.2.2 演练功能
　　演练功能以任务形式存在，可由教师提前设置演练任务，内容包括：列车类别、列车牵引重量、运行区段、列车故障发生位置及类型、临时限速位置、非正常情况发生位置及类别、天气变化的位置及类别等参数。在运行过程中还可以由教师实时向操作学员发出列车故障、天气、事故的设置。学员可进行正常情况下的模拟驾驶、应急故障处理、非正常情况下行车的相应的操作与处理。
　　(1)学员可进行正常情况下的模拟驾驶:列车起车作业程序的模拟操作：通过系统可以使培训学员熟悉出勤作业流程及注意事项，如带齐司机证等行车必备物品等，到值班室报道，核对运行报单及记录注意事项，到调度处领取物品，了解车辆停留位置及车辆状态信息。
　　列车正线模拟驾驶：仿真软件能够真实地模拟CRH3列车在各种运行环境与工况下的运行状况、操纵特性、牵引/制动特性以及其它特性，可以提供为学员提供正线运营时各种操作模式下的模拟驾驶运营环境，通过对正线运营线路的全程上下行线路取景，根据线路真实参数进行3D建模，使用先进的投影技术为培训学员提供大角度逼真画面，根据需要可以在上下行线路上任意一段或全程线路上进行模拟驾驶培训，使学员熟练掌握不同线路参数下的各路段的驾驶技巧。

　　(2)非正常行车驾驶演练：系统可模拟CRH3型动车组运行中的各类突发事件，实现学员非正常行车驾驶演练。例如：行人掉道、天气突变、障碍物、火灾、站内停电等突发事件。培训司机对故障及突发事件的处理方法、处理规程及处理步骤，突发事件和非正常状态的处理等；突发事件发生条件，地点、事件等条件可由教员控制台人工设置。
　　(3)应急故障处理演练：故障和突发事件模拟系统在交互性学员演练终端中采用硬件实物和软件相结合的方式进行故障设置和排除的模拟。凡可在操作台上能排除的列车故障则使用硬件实做的方式实现，凡无法在操作台上排除的列车故障，例如部分车底设备故障，采用视景显示屏进行多媒体故障处理模拟。
　　交互性学员演练终端上，视景显示屏在故障处理时自动切换置故障处理画面，能够提供故障部件显示、排除操作部位选择、排除操作方法选择等一系列故障排除培训功能。例如列车某部件发生故障，显示屏显示此部件三维效果图并给出可能进行故障排除操作部位的选择，学员需首先操作鼠标进行部位选择，选取后显示屏的下拉菜单会显示可能进行故障排除操作方法的选择，学员需选择正确的处理方法来完成整个故障排除操作。
　　3.3 考核功能
　　系统具备完整的考核评价体系，学员的每一次训练都作为一个训练记录保存在系统数据库中，包括学员信息和训练记录数据，并按标准对操作过程做出评价，给出最终的得分，并能够将操作记录上报服务器，教员可对学员试卷进行进一步的审阅、评判、管理，最后教员发布成绩。
　　学员参加考核后，考核数据自动上传到教师机，教师机可以自动进行智能评分，也可以由教师进行一次干预，得出学员成绩，系统根据成绩自动排名，结果可以显示或打印。
　　4、动车组CRH3模拟驾驶装置系统先进技术特点
　　4.1 原型开发方法
　　原型法是近年来提出的一种以计算机为基础的系统开发方法，利用原型法开发系统时首先构造一个功能简单的原型系统，然后通过对原型系统逐步求精，不断扩充完善得到最终的软件系统。
　　本系统软件系统开发中，从最初构造一个最简单的系统原型，原型包含：自检系统、驾驶模式模拟，控制电路模拟、动力学计算、终端系统模拟、故障/非正常行车处理模拟、课程管理/发布、教员管理/评价系统。经过实践使用，这套原型构建合理，扩展方便有效，如控制电路模拟，可任意增加控制电路逻辑，课程可根据用户需要，定制、增加，可配置丰富的教学课程。运用这套软件模型能快速满足用户的需求。通过对原型系统逐步求精，不断扩充完善，最终得到了满意的软件系统。
　　4.2 虚拟现实视景技术
　　虚拟现实（简称VR），是综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间。
　　本系统根据高铁线路的实拍图和规划方案构建的3D场景，根据数码相机、摄像机采集的图像，制作相应线路上的各个物件、实景景物3D模型等。根据得到的线路平面数据，线路纵断面数据，制作出真实弯度，坡道线路3D场景，再通过maya进行模型优化。
　　本系统通过虚拟现实技术，成功地实现了虚拟现实3D场景的管理控制，如控制车速、信号灯、道岔，会车等常规控制，并能模拟、和交互式处理非正常行车事件：如行人卧轨，挤岔，落石、小车挡道、火灾、水淹道床等等事件。
　　4.3 多层分级结构设计技术
　　整个系统采用先进的分层式、多级结构，教员机和学员机之间以及相邻学员机之间通过局域网连接，采用C/S即客户/服务器模式，网络通信使用通用的TCP\IP协议，保证数据和命令的正确传输。
　　系统采用分层式结构，教员机做为控制层，完成整个系统的管理以及各类控制命令的下发，例如机车逻辑运算、故障设置与恢复、学员机的监视等工作；司机操控台做为业务逻辑层，执行动车组机车的各类具体操作，例如启动列车、加减速等操作；CAN下位机做为操作表示层，负责司机控制台实际按钮、信号灯、手柄的操作和状态读取等工作。
　　采用这种先进的结构模型，可以使教员机、学员机等各个层面各司其职，不会发生逻辑错误，提高了系统的运行效率；教员机设置数据中心数据库，将数据层和操作层分开，有利于对数据的保护和统一管理。
　　参考文献
　　[1]陈锡龙.高速铁路动车组司机人才开发研究.[硕士学位论文].成都:西南交通大学,2007.

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