基于鐵路特色運(yùn)維服務(wù)的虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)探究★

楊世德， 林鳳濤， 楊 洋

（華東交通大學(xué)， 江西 南昌 330013）

1 建設(shè)背景

伴隨著中國(guó)高鐵運(yùn)行里程與運(yùn)行速度迅猛增長(zhǎng)，鐵路運(yùn)維行業(yè)涉及到的技術(shù)手段越來(lái)越先進(jìn)，種類越來(lái)越復(fù)雜。運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備種類、技術(shù)種類、復(fù)合型人才需求也越來(lái)越多。鐵路日常的運(yùn)維是保證鐵路安全運(yùn)行的重要方式，運(yùn)維作業(yè)的設(shè)備也越來(lái)越豐富，從大型運(yùn)維維護(hù)車到中小型運(yùn)維維護(hù)車；有自動(dòng)化設(shè)備，也有完全人工操作的設(shè)備[1]。

基于鐵路特色運(yùn)維服務(wù)的虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)是采用數(shù)字技術(shù)，對(duì)軌道運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)實(shí)行1∶1 比例建模，配合運(yùn)維實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)要求，建立的綜合實(shí)踐仿真平臺(tái)，可以緩解以下矛盾：

1）對(duì)于軌道交通相關(guān)專業(yè)無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)配備和建設(shè)完善的訓(xùn)練設(shè)備及體系；

2）軌道運(yùn)維行業(yè)要求從業(yè)人員具有熟練的操作技能才能上線操作，且對(duì)同時(shí)上線人數(shù)、時(shí)間有明確要求[2-3]；

3）軌道運(yùn)維中測(cè)量、測(cè)試、調(diào)試等工作天窗點(diǎn)申請(qǐng)困難；

4）運(yùn)維中相關(guān)的實(shí)踐訓(xùn)練與工程作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法密切結(jié)合。

系統(tǒng)建立的出發(fā)點(diǎn)是使學(xué)員更好地在鐵路運(yùn)維行業(yè)熟悉并應(yīng)用先進(jìn)測(cè)試裝備與測(cè)試技術(shù)，該系統(tǒng)是學(xué)員重要的實(shí)踐能力訓(xùn)練和規(guī)范操作能力提升的綜合實(shí)踐訓(xùn)練平臺(tái)。

2 建設(shè)目標(biāo)和思路

利用數(shù)字建模技術(shù)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)，結(jié)合多媒體、網(wǎng)絡(luò)化軟硬件系統(tǒng)，基于VR+遠(yuǎn)程組態(tài)技術(shù)，采用“虛+實(shí)”教學(xué)模式，改善運(yùn)營(yíng)檢修專業(yè)的實(shí)操方式并提高基礎(chǔ)技能，從而提高學(xué)生知識(shí)能力和綜合技能[4-5]。

（2）加快發(fā)展新型接續(xù)產(chǎn)業(yè)是優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的主要途徑。金昌市的發(fā)展依托于資源賦存的優(yōu)勢(shì)，但要保持其持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展，就要立足于現(xiàn)有的資源狀況、區(qū)位條件、科技實(shí)力和投資來(lái)源等要素，加快培育和發(fā)展新型接續(xù)產(chǎn)業(yè)，尤其是大力發(fā)展非礦產(chǎn)業(yè)，使城市的發(fā)展取向更加符合市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)要求和結(jié)構(gòu)調(diào)整需要，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和戰(zhàn)略重組，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，改變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，由單一資源優(yōu)勢(shì)向多功能的綜合經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變，進(jìn)而保證資源優(yōu)勢(shì)的延伸與潛力的挖掘，由外延式發(fā)展走向內(nèi)涵式發(fā)展。

2.1 具有人機(jī)交互的實(shí)踐訓(xùn)練平臺(tái)建設(shè)思路

2.1.1 構(gòu)建虛實(shí)互補(bǔ)的鐵路運(yùn)維操作規(guī)范虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐體系

著眼于學(xué)員能力、素質(zhì)的培養(yǎng)，按照新的人才培養(yǎng)目標(biāo)大綱，結(jié)合鐵路運(yùn)維操作規(guī)范測(cè)量實(shí)際需求，創(chuàng)建1∶1 的ITS 虛擬仿真系統(tǒng)，借助融合視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及觸覺(jué)等多種互動(dòng)方式，使學(xué)生掌握專業(yè)仿真運(yùn)維操作規(guī)范測(cè)量操作手段和數(shù)字化運(yùn)維操作規(guī)范測(cè)量實(shí)驗(yàn)實(shí)踐方案設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用虛擬仿真模擬實(shí)際運(yùn)維操作規(guī)范問(wèn)題，可滿足鐵路相關(guān)專業(yè)對(duì)操作及技能規(guī)范培養(yǎng)要求，實(shí)現(xiàn)學(xué)員進(jìn)入“沉浸式”現(xiàn)場(chǎng)操作演練，以解決現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)入門(mén)檻過(guò)高的矛盾。在教學(xué)實(shí)踐互動(dòng)方面，構(gòu)建了高還原度仿真現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)化。參照現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)范，規(guī)范設(shè)備操作步驟，同時(shí)吸取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備操作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置失誤報(bào)警信息，完成學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)積累。采用“虛”與“實(shí)”有機(jī)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式，依托虛實(shí)仿真平臺(tái)，完成復(fù)雜的工程實(shí)踐訓(xùn)練，構(gòu)建以課內(nèi)操作訓(xùn)練為主導(dǎo)，課中數(shù)據(jù)交互實(shí)驗(yàn)為延展，課外遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)協(xié)作為拓展應(yīng)用，課內(nèi)外操作-實(shí)踐-拓展一體化綜合實(shí)踐虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)，以此為教學(xué)手段，培養(yǎng)和提高學(xué)員學(xué)習(xí)的連續(xù)性、應(yīng)用性以及理論聯(lián)系實(shí)際的互補(bǔ)性[6]。

2.1.2 虛擬仿真系統(tǒng)的科研平臺(tái)支撐

虛擬仿真技術(shù)屬于人工智能相關(guān)學(xué)科的研究范疇，是教學(xué)和科研的輔助手段，也是提升學(xué)生能力的教學(xué)載體。學(xué)員調(diào)用虛擬仿真中測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，利用相關(guān)處理軟件，模擬數(shù)據(jù)處理方法，利用處理得到的調(diào)整方案，在虛擬仿真系統(tǒng)中，調(diào)整并實(shí)現(xiàn)運(yùn)維操作規(guī)范：測(cè)量-修復(fù)虛擬仿真一體化完成。

2.1.3 鐵路運(yùn)維操作規(guī)范之先進(jìn)儀器設(shè)備虛擬實(shí)驗(yàn)

擴(kuò)展裝備種類如先進(jìn)測(cè)試裝備、大型測(cè)試設(shè)備、造價(jià)高昂設(shè)備，解決維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備緊缺的現(xiàn)狀；同時(shí)利用鐵路特色運(yùn)維服務(wù)的虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)可以進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的設(shè)備規(guī)范操作訓(xùn)練，降低操作風(fēng)險(xiǎn)、難度等。

2.1.4 遠(yuǎn)程云平臺(tái)數(shù)據(jù)交互

利用多媒體顯現(xiàn)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信交互平臺(tái)，構(gòu)建高度還原現(xiàn)場(chǎng)的、能夠人機(jī)交互的、軟硬件數(shù)據(jù)交互的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)虛擬操作與實(shí)踐訓(xùn)練的相互補(bǔ)充。開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)端口，實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)程發(fā)送至虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室運(yùn)算服務(wù)器，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，仿真模擬現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)效果，同時(shí)通過(guò)真實(shí)運(yùn)維操作規(guī)范測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方案、虛擬仿真擴(kuò)展性操作練習(xí)。

2.2 虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)設(shè)計(jì)理念

依據(jù)鐵路運(yùn)維操作規(guī)范對(duì)運(yùn)維操作實(shí)際的要求，提出了符合運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)范要求的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐規(guī)劃總體目標(biāo)，細(xì)化了與實(shí)踐目標(biāo)相配套的技能規(guī)范考核體系、能力訓(xùn)練和素質(zhì)目標(biāo)；圍繞課程規(guī)劃，確定了“以還原鐵路運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)規(guī)范操作方案設(shè)計(jì)為主線，規(guī)劃運(yùn)維規(guī)范性實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃”內(nèi)容的實(shí)踐操作課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)思路，設(shè)計(jì)出能模擬鐵路現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐操作最大限度還原運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)工況的課程內(nèi)容。

2.2.1 行業(yè)特色設(shè)計(jì)

虛擬仿真公共實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)滿足學(xué)校各學(xué)院、各學(xué)科的虛擬仿真教學(xué)需求，與實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)緊密結(jié)合[7]。多種形態(tài)的學(xué)生虛擬仿真開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)區(qū)，配備高性能圖形工作站、三維自動(dòng)化建模成像設(shè)備和激光測(cè)量設(shè)備，可以靈活地調(diào)整區(qū)域，搭配設(shè)備，滿足不同的專業(yè)課程要求。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端、三維成像設(shè)備及激光測(cè)量設(shè)備等人機(jī)接觸交互設(shè)備可實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景的VR資源內(nèi)容。

2.2.2 硬件-虛擬仿真交互平臺(tái)

教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的擴(kuò)展性體現(xiàn)為由原來(lái)單獨(dú)的教學(xué)設(shè)備，轉(zhuǎn)變?yōu)?∶1 還原鐵路運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)場(chǎng)景。虛擬仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)軟硬件交互，在虛擬仿真系統(tǒng)中，可以按照操作步驟，發(fā)出相關(guān)操作指令控制外部連接設(shè)備完成相應(yīng)的動(dòng)作指令；也可以實(shí)現(xiàn)軟硬件之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)-外部測(cè)量設(shè)備、虛擬仿真系統(tǒng)-外部數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、外部測(cè)量設(shè)備-數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。

2.2.3 綜合性設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室具備虛擬仿真教學(xué)與開(kāi)發(fā)的雙重功能，是以具備智慧實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)的虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）與 3D 技術(shù)的綜合應(yīng)用。建設(shè)時(shí)充分考慮后期的維護(hù)和升級(jí)需求，從基礎(chǔ)建設(shè)開(kāi)始著手，做到強(qiáng)弱電的分離、預(yù)留、可擴(kuò)展等，形成了專業(yè)特色突出、學(xué)科交叉融合、軟硬件交互的綜合性綜合訓(xùn)練模式[8]。

3 虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)成果

1）突破軌道交通運(yùn)維檢修現(xiàn)場(chǎng)人員限制準(zhǔn)入的壁壘，實(shí)現(xiàn)“臨場(chǎng)+VR 教室”聯(lián)動(dòng)和互補(bǔ)的實(shí)訓(xùn)機(jī)制。建立軌道交通運(yùn)維檢測(cè)檢修臨場(chǎng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，學(xué)生能夠更加直觀地了解鐵路檢修測(cè)量的相關(guān)操作，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，從而開(kāi)拓思路，解決目前學(xué)生難以深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試的困難，從而開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)及測(cè)量方法。

2）建立深度沉浸感的教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐教學(xué)的有效銜接。研制仿真軟件系統(tǒng)，以還原現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)范為理念，融合先進(jìn)測(cè)試技術(shù)、測(cè)試裝備、預(yù)研實(shí)驗(yàn)裝備，及造價(jià)高昂或者危險(xiǎn)系數(shù)高的設(shè)備，注重?cái)?shù)據(jù)的交互性、可靠性、指導(dǎo)性和靈活、安全、機(jī)動(dòng)、高效的人機(jī)交互性設(shè)計(jì)，同時(shí)以學(xué)生為主體開(kāi)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、執(zhí)行及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)與反饋等工作。

3）虛擬設(shè)備-現(xiàn)實(shí)設(shè)備聯(lián)動(dòng)實(shí)驗(yàn)規(guī)劃平臺(tái)。虛擬仿真系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用設(shè)備種類，添加外部設(shè)備，更新虛擬仿真模型文件庫(kù)，安排更新教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容，從而適應(yīng)不同的實(shí)踐教學(xué)與生產(chǎn)科研活動(dòng)需求。

4）遠(yuǎn)程平臺(tái)預(yù)約系統(tǒng)。學(xué)員可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度安排，遠(yuǎn)程訪問(wèn)虛擬仿真系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)版本，在這個(gè)版本中，可以實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的使用、虛擬數(shù)據(jù)處理、虛擬運(yùn)維操作規(guī)范調(diào)整；如學(xué)員已經(jīng)掌握虛擬內(nèi)容，就可以預(yù)約虛擬現(xiàn)實(shí)聯(lián)動(dòng)模塊，將自己的學(xué)習(xí)、實(shí)踐計(jì)劃上報(bào)給系統(tǒng)管理員，預(yù)約進(jìn)一步的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

5）構(gòu)建“多平臺(tái)多模塊”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)學(xué)生從應(yīng)用操作能力、工程實(shí)踐能力到研究創(chuàng)新能力的漸進(jìn)式培養(yǎng)過(guò)程，構(gòu)建的實(shí)踐教學(xué)體系如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 實(shí)踐教學(xué)體系

6）以此平臺(tái)，利用虛擬仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)分析，設(shè)計(jì)并完成站臺(tái)運(yùn)維操作規(guī)范測(cè)量虛擬仿真系統(tǒng)的搭建，實(shí)現(xiàn)對(duì)站臺(tái)、雨棚等建筑的虛擬測(cè)量，完成外部站臺(tái)運(yùn)維操作規(guī)范測(cè)量?jī)x與虛擬仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。

7）以虛擬仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，搭建遠(yuǎn)程遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)，利用移動(dòng)數(shù)據(jù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)、位置等相關(guān)信息的收集、處理，統(tǒng)為依托，構(gòu)建具有高度還原現(xiàn)場(chǎng)，高度參與感、直觀性和互動(dòng)性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，強(qiáng)化沉浸式體驗(yàn)，并采用多種形式的實(shí)驗(yàn)手段，在虛與實(shí)結(jié)合、轉(zhuǎn)換中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐教學(xué)的相互融合及轉(zhuǎn)變。并以此為基礎(chǔ)判斷設(shè)備的狀態(tài)等。

8）虛擬仿真社會(huì)服務(wù)特性。虛擬仿真系統(tǒng)，除了滿足日常專業(yè)教學(xué)，還需要具備學(xué)校行業(yè)特色、青少年科普、學(xué)生實(shí)踐培訓(xùn)以及服務(wù)科研等功能，更應(yīng)具有一定的社會(huì)效應(yīng)和時(shí)效的先進(jìn)性。理解基于項(xiàng)目需求，以時(shí)效先進(jìn)性、擴(kuò)展性、升級(jí)延續(xù)性，規(guī)劃具備設(shè)計(jì)課程、社會(huì)服務(wù)、科研平臺(tái)功能的設(shè)備與技術(shù)思路方法[9-13]。

4 結(jié)論

1）創(chuàng)新集成“VR+遠(yuǎn)程組態(tài)”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在軌道交通運(yùn)營(yíng)檢修實(shí)踐與臨場(chǎng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用。將立體多視角顯示、軟硬件數(shù)據(jù)交互、遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程協(xié)作、動(dòng)作感知技術(shù)等新興的信息技術(shù)應(yīng)用到軌道交通運(yùn)營(yíng)檢修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，使學(xué)生通過(guò)仿真和數(shù)字化手段掌握專業(yè)設(shè)計(jì)方法，滿足專業(yè)技能培養(yǎng)要求。

2）建立深度沉浸感的教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有效銜接、互補(bǔ)與拓展。以虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)系