调车仿真培训系统的研发与应用

　　摘 要：铁路调车作业是铁路交通正常运营的重要保障。然而，由于铁路调车作业也存在一定的风险，因此营造一个安全的调车培训环境对于铁路交通人才的培养至关重要。基于上述需求，首先对调车作业的定义和调车作业的作用进行了阐述，然后从时间、环境、设备、管控、人员、机制六个方面分别分析了调车作业的安全风险，最后基于VRay渲染技术、3ds MAX素材建模技术、Unity3D引擎技术、数据库技术对VR调车仿真培训系统进行了设计。

　　关键词：调车作业;VR技术;仿真培训系统

　　0 引 言

　　随着我国铁路交通的飞速发展，对铁路交通运营效率的要求越来越高。调车作业是铁路交通运行的一个重要环节，传统的调车作业需要人力调度，整体调车过程难度系数大、复杂程度高，同时缺乏高效且优化的算法程序，只能采用边走边看的调度模式，人员培训的成本也随之增加。本文基于调车仿真培训系统进行研究，并结合笔者自身的工作经验，从根本上对调车作业进行解构，利用信息技术提高调车培训的效率，进而为我国铁路交通发展做出贡献。

　　1 调车作业概述

　　1.1 调车作业的定义

　　铁路交通的调车作业是指针对铁路机车进行的解体、摘挂、转场、编组、调移、取送等一系列有目的的移动作业。调车作业是铁路行车工作的基本内容之一，大体可以分为到达作业(列车进入编组站，相关人员进行检查和确认解编方向)、解体作业(确认解体条件，对列车进行推峰、溜放等解体操作)、集结编组作业(完成预定的编组调车计划，并把机车牵引到出发场)、出发作业(检查车辆状态，通知外勤出车)。一般由调车领导人负责统一编制，指挥人员及相关人员进行具体作业的执行工作。调车作业流程如图1所示。

　　1.2 调车作业的作用

　　调车作业是先将列车解体，然后将相同目的的车辆重新集结，其是铁路系统能否顺利运营的重要保障之一。调车作业可以分为解体调车、摘挂调车、编组调车和取送调车等不同类型，铁路交通的调车作业直接决定了铁路运输部门的运营效率，当前我国针对铁路车站的调车作业从未间断过研究，虽然和以前的调车作业相比效率大有提高，但因为调车作业的作业面广、线路长、室外流动性大等特点，使得调车作业仍存在较大的危险性。

　　2 调车作业风险研究

　　当前对调车作业安全性的影响主要源于以下五个方面的问题。

　　2.1 时间问题

　　调车作业经常需要夜间作业，这使得作业人员可能因偷懒而简化操作流程的违章行为，进而使安全事故风险增加;而接班人员因为夜间精力不集中的缘故，有时会出现无法立刻进入工作状态，这也增加了安全事故风险。

　　2.2 环境问题

　　因为调车作业是室外作业，所以受天气环境因素的影响较大。同时部分地区车站的地形因素也容易对调车作业产生影响，比如道口多、彎道多、瞭望条件差、坡度大等地形都容易阻碍调车作业的顺利进行。

　　2.3 设备问题

　　设备问题主要在于设备老化、技术防控不足等。一方面，调车作业设备如果没有做到及时更换，就会增加调车作业风险，比如“人工手扳道岔”就对作业人员有着非常高的要求;另一方面，在设备完成更换后，也需要相应地优化调车作业流程，杜绝出现设备控制方面的违章行为。

　　2.4 管控问题

　　以往的调车作业管控主要是互相管理和互相监督，这会使得在双方岗位编制不同的情况下容易出现监管不力的情况。同时人力管控的整体效率不高，个人对调车作业重点的认知又有所差异，很容易出现一方妥协的局面，进而使得管控力不足，增加调车作业的安全风险。

　　2.5 人員问题

　　人员因素主要取决于执行调车作业职工自身的素质水平。如果相关人员出现安全意识不强、业务素质不高、敬业精神不足等问题，那么很容易造成调度事故的出现。

　　3 调车仿真培训系统的研发与应用

　　3.1 研发目的

　　对于技术娴熟、经验丰富的老调度作业人员来说尚存在一定的安全风险，而对于尚处在实践学习期的预备役人员来说更可想而知了。所以对这部分人员采取行之有效的培训，最大限度地减少事故发生的风险，成了铁路部门首当其冲的头等大事。基于上述的调车作业安全问题，笔者认为开发一款调车仿真培训系统是帮助培训人员做好安全培训的关键。随着信息技术的不断发展，同时学生也不再受时间和环境的限制，相应的系统开发成本也大大降低，系统开发和应用的成本相较于实际调车作业培训的安全成本和设备成本来说可谓是一目了然。所以本次调车模拟系统主要是从培训人员的安全角度和实际应用的成本角度两个方面来考虑。同时选择了当前较为热门的VR(虚拟仿真系统)来弥补传统调车作业培训的局限性，在增加安全性的同时减少投入成本。

　　3.2 研发内容

　　根据调车作业的实际需求，本次VR培训系统主要实现的目标是人机交互、培训练习、场景漫游和考试等功能，分为教师机、学员机(连接员、调车长、司机、值班员等)、观众端(投放设备)三个系统，系统之间由局域网进行连接。其中HTC Vive将为学员提供视听和振动的反馈效果。系统架构如图2所示。

　　在模拟系统方面，本次系统的具体模块可以分为操作输入模块、碰撞检测模块、数据通信模块、仿真场景模块和输出场景模块，其中仿真场景模块是系统的核心，其他模块都需要基于仿真场景模块得到反馈。

　　3.3 系统关键技术

　　本次系统关键技术包括VRay渲染技术、3ds MAX素材建模技术、Unity3D引擎技术、数据库技术。其中3ds MAX素材建模技术是本次调车系统的基础，负责针对调车组的实际情况完成相应的多边形建模。构建中的车站模型如图3所示。

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