基于虚拟仿真技术的HXD1C机车仿真模拟 培训考评系统的开发与应用

彭 毅 甄 昱 魏志勇

（1.甘肃省建设监理有限责任公司，兰州 730070；2.中国铁路兰州局集团有限公司职工培训中心天水机务培训基地， 天水 741020；3.中国铁路兰州局集团有限公司迎水桥机务段，中卫 755000）

1 技术背景

目前，机车乘务员的非正常行车应急处置培训工作以理论培训为主，结合实训场地，运用车间整备线扣车进行培训。由于发生非正常行车应急处置事件的原因和条件复杂[1]，且这种培训形式受场地、气候以及其他安全因素等影响，不能达到高质量的培训效果，且频繁扣车会影响运输生产任务的完成。

虚拟仿真技术是多学科结合的成果，其中包括计算机相关技术、多媒体技术、计算机图像图形技术以及人机交互技术等，利用计算机模拟三维虚拟空间以及视觉、听觉等感官，实现了具有交互感和沉浸感的用户体验[2]。本文运用虚拟仿真技术弥补了传统非正常行车培训的不足，提高了培训效率，减少了培训费用，且不影响正常的运输生产任务。

2 系统需求分析

本文以HXD1C型机车为研究对象，针对HXD1C型机车的技术特点和使用要求，开发了一种虚拟培训考评系统。系统采用交互式体验的三维动态仿真模拟操作，提供直观、清晰和简捷的培训环境，使机车乘务员能够熟练掌握HXD1C型机车在运行过程中遇到非正常行车情况时的处置流程，并通过对中国铁路兰州局集团有限公司机务部门的实际需求调研，确定了如弓网故障时的应急处置等20种非正常行车应急处置类型。

3 系统架构

3.1 系统设计思想

HXD1C机车仿真模拟培训考评系统根据功能需求采用客户机/服务器（Client/Server，C/S）架构。系统设计完成后采用.exe可执行文件发布[3]，安装完成后单机运行。本系统选用Unity3D作为开发平台，使用3ds Max等建模工具构建模型进行优化处理。

3.2 系统架构设计

HXD1C机车仿真模拟培训考评系统由系统门户、核心功能模块和数据管理3部分构成[4]。系统门户集成了系统门户、用户注册和用户登录3个功能，是系统的展现层。核心功能包括教学、考试和成绩存储3个功能，执行20种教学和考评非正常行车应急处置虚拟仿真模块与成绩查询功能，是系统的逻辑层。数据管理是用户信息、核心功能模块和成绩查询及存储的桥梁，是系统的数据链路层。

4 系统功能实现

4.1 构建模型

系统需要对HXD1C机车、车辆、车站、区间线路和地面设备等构建模型。其中，车站规模为2台4线，具体构建了站房、站场、轨道、站台和地面设备。利用3ds Max软件构建模型，构建模型的资源是现场实地拍摄及相关的技术资料。模型按照真实环境中的实物进行建模，能够反映现场的运行环境[5]。

4.2 非正常行车处置流程设计

本系统依据《行规》《技规》及其他相关规范，对20种非正常行车处置流程进行设计，并按照规范设置非正常现象。以单机在自动闭塞区间紧急停车的应急处置为例，单机在自动闭塞区间紧急停车的应急处置流程设计如表1所示。

表1 单机在自动闭塞区间紧急停车的应急处置流程设计

4.3 系统模式选择

针对系统培训的要求，系统中设置了考试、教学和成绩查询3种功能模式。在考试模式中，根据需要自行选择相应的考试模块。在该模式中，系统能够自动完成考评功能。测评时，系统中只要考评过程中有一项操作不合格，最终的考评结果即为不合格。在教学模式，它可根据需要自行选择相应的教学模块。该模式提供引导性操作，使得机车乘务员能够快速掌握非正常行车处置流程。在成绩查询模式中，系统提供成绩查询功能。

4.4 系统交互实现

系统中以第一人称视角进行操作，实现虚拟漫游。系统交互有使用鼠标点击操作设备和使用鼠标点击UI界面上的按键两种方式实现。相应的操作可进入对应的场景，如图5所示。

图5 系统交互操作截图

5 结语

运用虚拟仿真技术，针对HXD1C型机车运行过程中遇到非正常行车应急处置情况，开发了培训考评系统，可将理论规范转化为虚拟场景仿真。目前，该系统已在中国铁路兰州局集团有限公司3个机务段使用，能够使机务乘务员在仿真环境中演练非正常行车应急处置流程，并进行考核分析。该系统为机务非正常行车应急处置提供了新的培训模式，改变了传统的培训形式，具有极强的推广价值。