搗固車(chē)模擬仿真操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究

寧廣慶，晉兵營(yíng)

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460)

搗固車(chē)模擬仿真操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究

寧廣慶，晉兵營(yíng)

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460)

搗固車(chē)是鐵道線路維修的重要設(shè)備，集機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)、激光、計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制技術(shù)于一體，具有生產(chǎn)效率高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等特點(diǎn)。采用模擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)搗固車(chē)培訓(xùn)系統(tǒng)可有效解決工學(xué)矛盾，降低培訓(xùn)費(fèi)用。綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)、多媒體技術(shù)，模擬仿真DCL-32型搗固車(chē)駕駛、施工作業(yè)流程，開(kāi)發(fā)出駕駛訓(xùn)練軟件和仿真作業(yè)平臺(tái)。運(yùn)用虛擬環(huán)境營(yíng)造訓(xùn)練情景，避免了搗固車(chē)學(xué)員操作練習(xí)過(guò)程中對(duì)設(shè)備和線路的損傷，達(dá)到了崗位技術(shù)培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)，提高了教學(xué)水平。

搗固車(chē)；模擬仿真；操作系統(tǒng)；開(kāi)發(fā)與研究

DCL-32型連續(xù)式抄平起撥道搗固車(chē)是鐵路線路大修、維修的主力機(jī)型，其作為國(guó)外引進(jìn)技術(shù)設(shè)備之一，集機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)、激光、計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制技術(shù)于一體，具有生產(chǎn)效率高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等特點(diǎn)，對(duì)操作人員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)要求很高。目前，對(duì)該設(shè)備操作人員和新上崗人員的培訓(xùn)及崗位技能鑒定都是采用封鎖專(zhuān)用線或段管線在作業(yè)中進(jìn)行的，存在較大的問(wèn)題。一是成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)大。DCL-32型搗固車(chē)每作業(yè)1個(gè)小時(shí)，僅柴油消耗就需近600元，據(jù)估算，將1名新操作人員培訓(xùn)成熟練工，僅燃油消耗和機(jī)械損耗人均就達(dá)1.8萬(wàn)元。另外，在專(zhuān)用線、段管線上作業(yè)培訓(xùn)無(wú)法完成正線的作業(yè)內(nèi)容和項(xiàng)目的培訓(xùn)，需封鎖正線邊作業(yè)邊培訓(xùn)，增加了對(duì)運(yùn)輸生產(chǎn)的干擾，新手在營(yíng)運(yùn)線作業(yè)，易造成晚點(diǎn)甚至?xí)茐募扔性O(shè)備。二是師資不足，DCL-32型搗固車(chē)有6個(gè)號(hào)位，需6位操作人員同時(shí)工作，每個(gè)號(hào)位的操作差異較大，現(xiàn)有的培訓(xùn)模式中師資不足的問(wèn)題突出。三是培訓(xùn)周期長(zhǎng)，因操作人員不足，導(dǎo)致施工作業(yè)和培訓(xùn)不能兼顧，工學(xué)矛盾突出。目前培訓(xùn)成熟一組(6位)操作人員需作業(yè)數(shù)百公里線路，培訓(xùn)時(shí)間至少2個(gè)月。隨著搗固車(chē)裝備數(shù)量的增多和工務(wù)職工隊(duì)伍的擴(kuò)大，提高大機(jī)作業(yè)人員綜合素質(zhì)和操作技術(shù)水平已成為發(fā)揮設(shè)備最佳效能的關(guān)鍵，而傳統(tǒng)的集訓(xùn)方式難以滿(mǎn)足當(dāng)前的培訓(xùn)需求。開(kāi)發(fā)研究DCL-32型搗固車(chē)模擬仿真操作系統(tǒng)已成當(dāng)務(wù)之急。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

DCL-32型搗固車(chē)業(yè)務(wù)分別由駕駛運(yùn)行和施工作業(yè)兩部分構(gòu)成。模擬仿真操作系統(tǒng)完全按照搗固車(chē)現(xiàn)場(chǎng)工作真實(shí)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)。其中，駕駛模擬系統(tǒng)分別由DCL-32型搗固車(chē)前司機(jī)室駕駛操作面板、GYK運(yùn)行監(jiān)控儀、制動(dòng)機(jī)大小手閘、控制按鈕和行車(chē)流程等軟、硬件組成。作業(yè)模擬系統(tǒng)主要以該搗固車(chē)1號(hào)位作業(yè)操作面板、液壓、電控元器件、控制系統(tǒng)操作按鈕等配合作業(yè)流程進(jìn)行軟、硬件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)操作流程的模擬仿真。搗固車(chē)模擬仿真操作系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)為外形尺寸及結(jié)構(gòu)布局與真車(chē)1 ∶1大小相同的模擬仿真操作平臺(tái)，同時(shí)又可運(yùn)用局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成軟件教學(xué)平臺(tái)，既可單獨(dú)操作練習(xí)，又可小組互聯(lián)學(xué)習(xí)，完成作業(yè)模擬或駕駛運(yùn)行模擬操作培訓(xùn)與考核。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路，搗固車(chē)作業(yè)模擬仿真操作臺(tái)需要有硬件和應(yīng)用軟件兩大部分組成。硬件是模擬操作臺(tái)的基礎(chǔ)，通過(guò)硬件(駕駛位、作業(yè)操作臺(tái)、儀器儀表控制面板、計(jì)算機(jī)等)操作人員能夠進(jìn)行人機(jī)對(duì)話和系統(tǒng)操控；系統(tǒng)正確響應(yīng)操作人員的交互信息需要軟件的功能來(lái)完成。由于搗固車(chē)各功能系統(tǒng)的組成相對(duì)比較復(fù)雜，所需控制信息及硬件較多，系統(tǒng)應(yīng)用軟件應(yīng)具備模塊化、層次化、耦合度低、可移植性等特點(diǎn)。DCL-32型搗固車(chē)駕駛、作業(yè)模擬操作臺(tái)應(yīng)用軟件系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)支持層、應(yīng)用展現(xiàn)層等4個(gè)層次，各層級(jí)按照不同的功能和需求又可以劃分為多個(gè)子系統(tǒng)(如圖1)。

圖1 模擬仿真操作系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要由XML、邏輯數(shù)據(jù)模型、物理數(shù)據(jù)模型等組成。所有系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)或歷史記錄數(shù)據(jù)最終進(jìn)入數(shù)據(jù)層，并對(duì)實(shí)訓(xùn)操作臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理、統(tǒng)一存儲(chǔ)。

2.2 服務(wù)層

服務(wù)層為操作臺(tái)系統(tǒng)提供用戶(hù)注冊(cè)、登錄驗(yàn)證、任務(wù)請(qǐng)求、成績(jī)上傳、接受教師機(jī)控制等服務(wù)，保存用戶(hù)的各種狀態(tài)和訓(xùn)練及考試成績(jī)數(shù)據(jù)。

2.3 業(yè)務(wù)支持層

業(yè)務(wù)支持層分為作業(yè)操作系統(tǒng)、輸出控制系統(tǒng)、作業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個(gè)部分。

任務(wù)操作系統(tǒng)：對(duì)發(fā)送任務(wù)的判斷和控制。

輸出控制系統(tǒng)：對(duì)實(shí)訓(xùn)操作臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)的指示燈輸出的控制。

作業(yè)控制系統(tǒng)：通過(guò)操作臺(tái)的輸入情況對(duì)模擬作業(yè)操作過(guò)程進(jìn)行控制。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：對(duì)操作臺(tái)的輸入輸出信號(hào)量進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。

2.4 應(yīng)用展現(xiàn)層

應(yīng)用展現(xiàn)層完成系統(tǒng)與用戶(hù)的信息交互以及各種信息的展現(xiàn)，包括輸入輸出、內(nèi)容呈現(xiàn)、功能呈現(xiàn)。

輸入輸出：包括仿真實(shí)際操作過(guò)程的輸入設(shè)備和簡(jiǎn)單輸出設(shè)備(顯示燈、按鈕等)。

內(nèi)容呈現(xiàn)：系統(tǒng)對(duì)整車(chē)、場(chǎng)景和專(zhuān)家提示的呈現(xiàn)功能。

功能呈現(xiàn)：通過(guò)功能呈現(xiàn)，達(dá)到系統(tǒng)與用戶(hù)的信息交互。

3 系統(tǒng)配置

3.1 硬件設(shè)備與環(huán)境

硬件設(shè)備由計(jì)算機(jī)、車(chē)體、模擬操作臺(tái)、視景顯示系統(tǒng)等組成。搗固車(chē)駕駛、作業(yè)模擬系統(tǒng)均采用與真車(chē)外形一致的駕駛艙、操作臺(tái)和三維建模仿真控制軟件。操作臺(tái)儀表、按鈕、控制鍵盤(pán)等與實(shí)物相同。

(1)計(jì)算機(jī)、服務(wù)器端/客戶(hù)端：CPU，I5-2400(3.1 G，6 M)；主板，Intel H61及以上；擴(kuò)展槽，1個(gè)PCI-E*16，≥2個(gè)PCI-E*1；內(nèi)存，4G DDRIII 1333；顯卡，HD 64501G獨(dú)立顯卡。

(2)車(chē)體：由搗固車(chē)前駕駛室和1號(hào)作業(yè)位組成的模擬駕駛操作臺(tái)車(chē)體。

(3)高流明三通道邊緣融合投影技術(shù)、穹形幕布組成的視景顯示系統(tǒng)。

(4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)(如圖2所示)：系統(tǒng)電源，AC 220/380(±15%)，50 Hz；系統(tǒng)額定總功率，600 W；控制計(jì)算機(jī)額定功率，400 W；操作臺(tái)額定功率，200 W；操作臺(tái)模塊電壓，DC 24 V及DC 5 V；操作臺(tái)額定電流，10A(直流)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 軟件系統(tǒng)特征

(1)基于局域網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建?；诰钟蚓W(wǎng)技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化仿真培訓(xùn)、考核系統(tǒng)，系統(tǒng)的所有功能模塊通過(guò)局域網(wǎng)聯(lián)成動(dòng)態(tài)的、有機(jī)的整體，具備統(tǒng)一的登錄、驗(yàn)證、管理機(jī)制，所有模塊均處于終端顯示器的監(jiān)控與管理之下。

(2)系統(tǒng)控制邏輯仿真原理。系統(tǒng)采用建模技術(shù)、視景融合呈現(xiàn)技術(shù)、VR實(shí)現(xiàn)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、機(jī)械電子技術(shù)、加密技術(shù)等多項(xiàng)新技術(shù)。

搗固車(chē)操縱臺(tái)上的開(kāi)關(guān)、按鈕、控制器是整車(chē)控制系統(tǒng)的參數(shù)輸入端，控制系統(tǒng)中所有電器以I/O接口或?qū)Ь€連接，用以控制系統(tǒng)內(nèi)部之間的得電、失電關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)的工作受駕駛室開(kāi)關(guān)和控制器的控制，并與控制系統(tǒng)內(nèi)部各類(lèi)電器的狀態(tài)及它們的連接關(guān)系相關(guān)。

(3)操作流程模擬仿真。系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確響應(yīng)搗固車(chē)各項(xiàng)控制邏輯關(guān)系的操作，實(shí)時(shí)計(jì)算駕駛、作業(yè)流程中每個(gè)動(dòng)作的相關(guān)條件。運(yùn)動(dòng)方式，動(dòng)作過(guò)程，操作效果，液壓、氣動(dòng)、電氣、機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)關(guān)系及動(dòng)作時(shí)序均根據(jù)實(shí)際形式進(jìn)行一對(duì)一的模擬仿真。操作信息能夠根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)更新并輸出相關(guān)的模擬計(jì)算結(jié)果，完成操作過(guò)程動(dòng)作仿真。

(4)駕駛、作業(yè)情景模擬仿真。按照DCL-32型搗固車(chē)實(shí)際作業(yè)工位分布設(shè)計(jì)操作平臺(tái)，駕駛室、作業(yè)操作臺(tái)上的各種操作手柄、顯示設(shè)備、開(kāi)關(guān)、發(fā)音、發(fā)光、報(bào)警系統(tǒng)按照實(shí)際情況進(jìn)行控制和響應(yīng)，所有的顯示系統(tǒng)具有與真實(shí)系統(tǒng)相同的接口、菜單結(jié)構(gòu)、按鈕及功能。情景再現(xiàn)搗固車(chē)運(yùn)行前方線路、站、車(chē)、信號(hào)及特殊天氣變化，使虛擬操作環(huán)境與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情景高度統(tǒng)一。

(5)軟件運(yùn)行要求。操作系統(tǒng)，window7 64位或windows Server2008 64位；數(shù)據(jù)庫(kù)，SQLServer2008；運(yùn)行環(huán)境，.net framework 4.0；Web服務(wù)，IIS6.0或以上版本。

系統(tǒng)所需的所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)的同步管理由服務(wù)器及軟件對(duì)應(yīng)開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足模擬仿真需要。

(6)系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用加密技術(shù)來(lái)保證數(shù)據(jù)的安全，分別采用配置文件加密、中間件加密和應(yīng)用系統(tǒng)加密。配置文件加密是對(duì)配置文件內(nèi)存儲(chǔ)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)(如流程、輸入輸出信號(hào)表等)進(jìn)行加密處理后再存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)；中間件加密是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有調(diào)用的外部文件(如FLASH、視頻、模型、配置文件等)進(jìn)行加密；應(yīng)用系統(tǒng)加密是對(duì)整個(gè)軟件系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行加密處理，采用加密狗的方式。

4 系統(tǒng)整合

通過(guò)三維建模、視景融合技術(shù)、VR實(shí)現(xiàn)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等多項(xiàng)功能融合，將數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)支持層、應(yīng)用展現(xiàn)層整合為模擬仿真應(yīng)用系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)搗固車(chē)駕駛、作業(yè)操作仿真演練與考核功能。

(1)全三維化實(shí)現(xiàn)虛擬仿真車(chē)輛再現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)模擬仿真操作軟件運(yùn)用三維數(shù)字化技術(shù)全部虛擬仿真車(chē)輛主體、司機(jī)室及內(nèi)飾，電氣設(shè)備，作業(yè)裝置等。駕駛臺(tái)上的GYK設(shè)備及其他顯示設(shè)備，能夠隨著學(xué)員的演練，實(shí)時(shí)發(fā)生相對(duì)應(yīng)的改變，顯示內(nèi)容、操作方式、內(nèi)部邏輯與功能與實(shí)際車(chē)輛一致。

(2)作業(yè)仿真操作平臺(tái)。作業(yè)仿真操作平臺(tái)內(nèi)的設(shè)備尺寸、外觀、顏色、材質(zhì)質(zhì)感、功能與實(shí)際車(chē)輛一致，且與實(shí)際車(chē)輛上的對(duì)應(yīng)設(shè)備具有相同的功能與控制邏輯。通過(guò)電、氣路數(shù)字邏輯模擬實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)接收，邏輯運(yùn)算，控制輸出，學(xué)員在虛擬條件下操控車(chē)輛上可操控的設(shè)備時(shí)，電氣、儀表、顯示、報(bào)警設(shè)備能夠按照實(shí)際的邏輯關(guān)系觸發(fā)或響應(yīng)，響應(yīng)的結(jié)果、現(xiàn)象與實(shí)際車(chē)輛一致。

(3)虛擬與仿真融合。系統(tǒng)采用全三維的虛擬仿真技術(shù)融合，再現(xiàn)搗固車(chē)駕駛、作業(yè)環(huán)境，并通過(guò)鼠標(biāo)按照實(shí)際操作步驟進(jìn)行操作流程演練。停車(chē)后，操作者可以在車(chē)輛內(nèi)漫游，操作各種設(shè)備。

(4)教師端與學(xué)員端。系統(tǒng)設(shè)計(jì)單獨(dú)操作的學(xué)員端和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理的教師端兩種運(yùn)用模式。系統(tǒng)能夠通過(guò)教員控制臺(tái)完成對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)、用戶(hù)管理、成績(jī)?cè)u(píng)判、成績(jī)管理、任務(wù)設(shè)置、故障設(shè)置、非正常行車(chē)設(shè)置、編制考核任務(wù)、通知學(xué)員考試、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。學(xué)員端能夠接收教師端下達(dá)的任務(wù)，并對(duì)下達(dá)的任務(wù)進(jìn)行練習(xí)、操作。

(5)網(wǎng)絡(luò)化交互演練系統(tǒng)。配備快速以太網(wǎng)交換機(jī)，為系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)通信，網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)具備一定的抗干擾能力。多個(gè)子系統(tǒng)如制動(dòng)系統(tǒng)、行車(chē)前整車(chē)檢驗(yàn)、特殊天氣運(yùn)行設(shè)置及緊急情況處置等能逼真地進(jìn)行控制邏輯及功能仿真。

模擬駕駛、模擬作業(yè)操作系統(tǒng)均能將操作者練習(xí)過(guò)程中的步驟即時(shí)記載，并在演練后反饋成績(jī)。通過(guò)這兩大系統(tǒng)滿(mǎn)足學(xué)員對(duì)DCL-32型搗固車(chē)操作練習(xí)的培訓(xùn)需求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真進(jìn)行鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械操作培訓(xùn)是一種安全、高效率、低成本替代真車(chē)實(shí)物培訓(xùn)的絕佳選擇。DCL-32型搗固車(chē)模擬仿真操作系統(tǒng)良好地實(shí)現(xiàn)了駕駛運(yùn)行、施工作業(yè)操作演練培訓(xùn)功能，開(kāi)創(chuàng)了大型養(yǎng)路機(jī)械培訓(xùn)教學(xué)新模式。

[1]任杉，韓青.D09-32型搗固車(chē)結(jié)構(gòu)、工作原理及電氣控制系統(tǒng)分析[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2009,37(9):41-43.

[2]霍立偉.大型養(yǎng)路機(jī)械D09-32型搗固車(chē)常見(jiàn)故障防治措施[J].中國(guó)機(jī)械，2014(9):140-140.

[3]傅文智，毛必顯.抄平起撥道搗固車(chē)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[4]韓志青.搗固裝置的振動(dòng)分析[J].鐵道建筑，2001(4):13-16.

TheDevelopmentandResearchofSimulationOperatingSystemforTampingWagon

NING Guangqing ,JIN Bingying

(Zhengzhou Railway Vocationnal and Technical College , Zhengzhou 451460, China)

Tamping wagon plays an important role for rail maintenance, it combines mechanical, electrical, hydraulic, pneumatic, laser, computer and automation, it is efficient but costly and has complex structure;With the simulation technology ,developing the tramping wagon training system can efficiently solve the contradiction between work and study, reduce the training costs. This project takes the advantages of computer and multimedia; simulates the procedures of driving and operation of DCL-32, which are realized by software. It helps us to avoid the damage to the railway during the training with the virtualization. The training results fulfill the requirement for manipulator and enhance the quality of teaching.

tamping wagon; simulation; operation system; development and research

2016 - 12- 10

河南省科學(xué)技術(shù)廳重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目(122102210257)

寧廣慶(1960—)，男，河南鄭州人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)備與維修。晉兵營(yíng)(1972—)，男，河南偃師人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，博士研究生，研究方向?yàn)楣こ虣C(jī)械控制技術(shù)及運(yùn)用。

TB24

B

1008-6811(2017)03-0010-04

趙 偉]