鐵路重載列車運營仿真培訓系統(tǒng)的設(shè)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(yè)技術(shù)學院，武漢430000）

鐵路是國民經(jīng)濟的大動脈，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，普通的運輸方式已不能滿足人們對生產(chǎn)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(yōu)點得以突顯。重載鐵路的快速發(fā)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(diào)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(xiàn)場運營人員、促進貨運鐵路的快速發(fā)展、保證運輸安全具有重要意義。

傳統(tǒng)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?，F(xiàn)象各不相同、不易重現(xiàn)；此外，傳統(tǒng)的教學培訓手段不能批量、高效、全面地對學員進行現(xiàn)場演示，也不能進行模擬操作等技能培訓，難以實現(xiàn)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(jié)合貨運列車運營實際及現(xiàn)有鐵路綜合仿真培訓系統(tǒng)應用現(xiàn)狀，設(shè)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(tǒng)（簡稱：仿真培訓系統(tǒng)）[3]。

1 仿真培訓系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計目標

仿真培訓系統(tǒng)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(xiàn)對運營人員的基礎(chǔ)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(yè)標準執(zhí)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(yè)務水平的培訓目標。

1.2 系統(tǒng)組成

仿真培訓系統(tǒng)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(lián)、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(diào)度員、值班員、司機等）的業(yè)務操作技能培訓及考核評價。根據(jù)貨運列車實際運行信息、運營狀態(tài)，搭建由列車駕駛仿真子系統(tǒng)、環(huán)境仿真子系統(tǒng)及教員管理子系統(tǒng)組成的仿真培訓系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真培訓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 仿真培訓系統(tǒng)主要功能

2.1 列車駕駛仿真子系統(tǒng)功能

（1）機車仿真。包含對車載信號、屏顯控制系統(tǒng)、故障、列車運行的仿真。根據(jù)電力機車硬件組成結(jié)構(gòu)及車載信號顯示定義，結(jié)合機車真實設(shè)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(xiàn)仿真機車與鐵路現(xiàn)場實際運行機車的功能特性、電氣特性高度一致。根據(jù)列車自身屬性參數(shù)及實際運行線路特征，構(gòu)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(shù)、數(shù)字光學處理技術(shù)模擬列車實際運行場景及其周邊景物，構(gòu)建與現(xiàn)場高度吻合的視景仿真子系統(tǒng)，用于呈現(xiàn)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(guān)景觀畫面，并能根據(jù)列車運行速度、運行方向、過道岔、上下坡段等情況實時調(diào)節(jié)畫面顯示幀數(shù)、視點角度和方向，逼真還原實際運營場景。

根據(jù)不同環(huán)境、不同工況機車車輛運行過程中發(fā)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(fā)出的聲音和列車運行的環(huán)境氣動噪聲，創(chuàng)建音源并構(gòu)建聲音仿真子系統(tǒng)，根據(jù)仿真列車在培訓過程中觸發(fā)的事件，發(fā)出不同的音源對受訓學員進行提示。

2.2 環(huán)境仿真子系統(tǒng)功能

根據(jù)車站、區(qū)間列車運行控制特點及對應線路的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，創(chuàng)建列車運營環(huán)境仿真子系統(tǒng)，模擬行車調(diào)度指揮、車站作業(yè)，實現(xiàn)對行車指揮、實時調(diào)整、全程監(jiān)督、區(qū)間閉塞控制及車站聯(lián)鎖控制等主要功能的仿真。

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

（2）車站作業(yè)仿真。根據(jù)貨運鐵路實際運營控制特點、車站作業(yè)性質(zhì)，結(jié)合地面信號設(shè)備聯(lián)鎖控制邏輯及車站值班員、信號員、助理值班員作業(yè)流程特點，運用軟件編程構(gòu)建車站作業(yè)仿真子系統(tǒng)，通過該子系統(tǒng)，實現(xiàn)站場設(shè)備（線路、信號、車輛等）參數(shù)、屬性參數(shù)的靜態(tài)仿真，以及設(shè)備控制邏輯、操作流程的動態(tài)模擬。

2.3 教員管理子系統(tǒng)功能

根據(jù)現(xiàn)場培訓需求，設(shè)計教員管理系統(tǒng)，實現(xiàn)教學計劃的制定與實施。教員管理系統(tǒng)包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理模塊、課程設(shè)計與管理模塊、故障信息管理模塊、用于考核操作技能與業(yè)務水平的評價模塊、用于監(jiān)視各模塊運行狀態(tài)及控制命令執(zhí)行狀態(tài)的通信仿真模塊等。

（1）教學計劃制定。教員可根據(jù)貨運鐵路實際運營中作業(yè)人員的技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)、易錯且在實際中不易重現(xiàn)的故障，以及非正常行車作業(yè)/正常行車作業(yè)流程，設(shè)置課程起始及結(jié)束時間，設(shè)置運行圖繪制及調(diào)整信息，設(shè)置故障（機車車輛、線路、供電、信號設(shè)備、系統(tǒng)故障、編組異常、重聯(lián)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(jù)已制定的教學計劃啟動仿真培訓系統(tǒng)，完成課程信息加載、各模塊內(nèi)部參數(shù)設(shè)置與初始化、模塊間數(shù)據(jù)交互和通信連接、核心運算等。系統(tǒng)運行時，仿真列車根據(jù)擬定的教學計劃按照時刻表運行，環(huán)境運算服務器實時接收客戶端的各類操作指令（系統(tǒng)菜單與操作命令），并向客戶端發(fā)送狀態(tài)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(nèi)部自觸發(fā)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(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵流程

3.1 牽引動力計算流程

根據(jù)電力機車與車輛自重、長度等屬性參數(shù)設(shè)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(shù)[4]，結(jié)合實際運行線路數(shù)據(jù)（線路速度、里程、坡度、曲線、分相、橋隧、道口等）、車站數(shù)據(jù)（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(lián)子系統(tǒng)仿真流程

貨運鐵路無線重聯(lián)技術(shù)是實現(xiàn)多機車無線重聯(lián)，開行長、大重載組合列車，滿足重載運輸需求的關(guān)鍵技術(shù)，其核心是基于無線通信控制系統(tǒng)，將多臺機車分布在重載列車的適當位置，從而實現(xiàn)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(xiàn)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(lián)操作命令經(jīng)機車邏輯控制系統(tǒng)，得到最佳動力分配、制動緩解方案，主從機車控制命令經(jīng)數(shù)據(jù)收發(fā)接口模塊進行交互與傳輸。

3.3 行車調(diào)度仿真子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程

根據(jù)貨運鐵路實際運營過程中運行計劃的編制、修改、調(diào)整、下達，以及列車進路控制、調(diào)度監(jiān)督、行車指揮（限速、階段計劃）等調(diào)度命令[8]，結(jié)合車站作業(yè)仿真子系統(tǒng)，構(gòu)建由數(shù)據(jù)管理模塊、邏輯運算與控制模塊、車站運行環(huán)境仿真模塊、人機交互控制模塊組成的行車調(diào)度仿真子系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示。

圖3 行車調(diào)度仿真子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程

4 仿真培訓系統(tǒng)應用

采用SQL數(shù)據(jù)庫、C#語言完成仿真培訓系統(tǒng)軟件開發(fā)。利用該仿真培訓系統(tǒng)，教員可根據(jù)教學培訓需求，設(shè)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(shù)，創(chuàng)建對應培訓計劃，啟動系統(tǒng)。仿真培訓系統(tǒng)運行過程中，完成數(shù)據(jù)生成、無線重聯(lián)、運行圖調(diào)整、階段計劃下達、模擬駕駛、場景再現(xiàn)、故障處置、解/編組等。各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互流程如圖4所示。

圖4 仿真培訓系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互流程

5 結(jié)束語

本文結(jié)合貨運鐵路技術(shù)發(fā)展、運營實際，分析既有培訓系統(tǒng)、培訓模式的局限性，通過對重載列車參數(shù)、線路特點、運營場景交互、關(guān)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(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了重載列車運行的高度仿真、非正常行車與貨運作業(yè)場景的設(shè)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(shù)及裝備的不斷發(fā)展、運能的日益提高，貨運鐵路重載列車運營仿真培訓系統(tǒng)對改變傳統(tǒng)培訓模式、滿足運營人員培訓需求、促進貨運鐵路運營技術(shù)發(fā)展等有著積極的意義。