鐵路運維服務(wù)的虛擬仿真訓(xùn)練平臺探究

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摘要：結(jié)合建設(shè)具有鐵路特色運維服務(wù)的虛擬仿真實驗教學(xué)資源，基于鐵路行業(yè)運維服務(wù)實踐現(xiàn)場對人員技術(shù)素養(yǎng)要求高、準(zhǔn)入門檻高的現(xiàn)狀，突出服務(wù)鐵路的辦學(xué)特色，探索建設(shè)具有鐵路行業(yè)特色的虛擬仿真訓(xùn)練平臺。實踐平臺采用還原現(xiàn)場、對接先進(jìn)理念的設(shè)計思路與技術(shù)路線，充分體現(xiàn)了專業(yè)特色突出、學(xué)科交叉融合、軟硬件交互的綜合訓(xùn)練模式。將該虛擬仿真訓(xùn)練平臺在全校推廣，取得一定的效果。

關(guān)鍵詞：實踐平臺;虛擬仿真;鐵路特色;準(zhǔn)入門檻

1建設(shè)背景

伴隨著中國高鐵運行里程與運行速度迅猛增長，鐵路運維行業(yè)涉及到的技術(shù)手段越來越先進(jìn)，種類越來越復(fù)雜。運維現(xiàn)場使用的設(shè)備種類、技術(shù)種類、復(fù)合型人才需求也越來越多。鐵路日常的運維是保證鐵路安全運行的重要方式，運維作業(yè)的設(shè)備也越來越豐富，從大型運維維護(hù)車到中小型運維維護(hù)車；有自動化設(shè)備，也有完全人工操作的設(shè)備[1]。目前，我國軌道交通大規(guī)模運營，軌道交通檢測檢修要求和標(biāo)準(zhǔn)都大幅度提高，對相關(guān)人員配套技能要求日益提高。受限于場地及經(jīng)費等影響，軌道交通相關(guān)機構(gòu)無法在短時間內(nèi)配備完善的配套訓(xùn)練設(shè)備及建設(shè)體系。同時，因為鐵路行業(yè)的特殊性，鐵路運維現(xiàn)場有著嚴(yán)格的行業(yè)規(guī)定及人員準(zhǔn)入制度，使得相關(guān)的實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)與工程作業(yè)現(xiàn)場有錯位，對于提高學(xué)生認(rèn)知及檢修檢測等專業(yè)技能有比較大的困難。基于鐵路特色運維服務(wù)的虛擬仿真訓(xùn)練平臺是采用數(shù)字技術(shù)，對軌道運維現(xiàn)場實行1∶1比例建模，配合運維實施現(xiàn)場要求，建立的綜合實踐仿真平臺，可以緩解以下矛盾：對于軌道交通相關(guān)專業(yè)無法在短時間內(nèi)配備和建設(shè)完善的訓(xùn)練設(shè)備及體系；軌道運維行業(yè)要求從業(yè)人員具有熟練的操作技能才能上線操作，且對同時上線人數(shù)、時間有明確要求[2-3]；軌道運維中測量、測試、調(diào)試等工作天窗點申請困難；運維中相關(guān)的實踐訓(xùn)練與工程作業(yè)現(xiàn)場無法密切結(jié)合。系統(tǒng)建立的出發(fā)點是使學(xué)員更好地在鐵路運維行業(yè)熟悉并應(yīng)用先進(jìn)測試裝備與測試技術(shù)，該系統(tǒng)是學(xué)員重要的實踐能力訓(xùn)練和規(guī)范操作能力提升的綜合實踐訓(xùn)練平臺。

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”教學(xué)模式，改善運營檢修專業(yè)的實操方式并提高基礎(chǔ)技能，從而提高學(xué)生知識能力和綜合技能[4-5]。

2.1具有人機交互的實踐訓(xùn)練平臺建設(shè)思路

2.1.1構(gòu)建虛實互補的鐵路運維操作規(guī)范虛擬仿真教學(xué)實踐體系著眼于學(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)合鐵路運維操作規(guī)范測量實際需求，創(chuàng)建1∶1的ITS虛擬仿真系統(tǒng)，借助融合視覺、聽覺及觸覺等多種互動方式，使學(xué)生掌握專業(yè)仿真運維操作規(guī)范測量操作手段和數(shù)字化運維操作規(guī)范測量實驗實踐方案設(shè)計方法，應(yīng)用虛擬仿真模擬實際運維操作規(guī)范問題，可滿足鐵路相關(guān)專業(yè)對操作及技能規(guī)范培養(yǎng)要求，實現(xiàn)學(xué)員進(jìn)入“沉浸式”現(xiàn)場操作演練，以解決現(xiàn)場準(zhǔn)入門檻過高的矛盾。在教學(xué)實踐互動方面，構(gòu)建了高還原度仿真現(xiàn)場，實現(xiàn)測量、測試設(shè)備數(shù)據(jù)化。參照現(xiàn)場操作規(guī)范，規(guī)范設(shè)備操作步驟，同時吸取現(xiàn)場設(shè)備操作經(jīng)驗，設(shè)置失誤報警信息，完成學(xué)生的經(jīng)驗積累。采用“虛”與“實”有機結(jié)合的實踐教學(xué)模式，依托虛實仿真平臺，完成復(fù)雜的工程實踐訓(xùn)練，構(gòu)建以課內(nèi)操作訓(xùn)練為主導(dǎo)，課中數(shù)據(jù)交互實驗為延展，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-實踐-拓展一體化綜合實踐虛擬仿真訓(xùn)練平臺，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)系實際的互補性[6]。2.1.2虛擬仿真系統(tǒng)的科研平臺支撐虛擬仿真技術(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)整并實現(xiàn)運維操作規(guī)范：測量-修復(fù)虛擬仿真一體化完成。2.1.3鐵路運維操作規(guī)范之先進(jìn)儀器設(shè)備虛擬實驗擴展裝備種類如先進(jìn)測試裝備、大型測試設(shè)備、造價高昂設(shè)備，解決維護(hù)現(xiàn)場設(shè)備緊缺的現(xiàn)狀；同時利用鐵路特色運維服務(wù)的虛擬仿真訓(xùn)練平臺可以進(jìn)行一些實驗性質(zhì)的設(shè)備規(guī)范操作訓(xùn)練，降低操作風(fēng)險、難度等。2.1.4遠(yuǎn)程云平臺數(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，構(gòu)建高度還原現(xiàn)場的、能夠人機交互的、軟硬件數(shù)據(jù)交互的虛擬仿真實踐教學(xué)平臺，實現(xiàn)虛擬操作與實踐訓(xùn)練的相互補充。開放網(wǎng)絡(luò)端口，實現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程訪問。現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)程發(fā)送至虛擬仿真實驗室運算服務(wù)器，利用虛擬仿真實驗室設(shè)備，仿真模擬現(xiàn)場維護(hù)效果，同時通過真實運維操作規(guī)范測量的現(xiàn)場經(jīng)驗完善虛擬仿真實驗方案、虛擬仿真擴展性操作練習(xí)。

2.2虛擬仿真實踐平臺設(shè)計理念

依據(jù)鐵路運維操作規(guī)范對運維操作實際的要求，提出了符合運維現(xiàn)場操作規(guī)范要求的實驗實踐規(guī)劃總體目標(biāo)，細(xì)化了與實踐目標(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“以還原鐵路運維現(xiàn)場規(guī)范操作方案設(shè)計為主線，規(guī)劃運維規(guī)范性實踐教學(xué)計劃”內(nèi)容的實踐操作課程設(shè)計指導(dǎo)思路，設(shè)計出能模擬鐵路現(xiàn)場的實踐操作最大限度還原運維現(xiàn)場工況的課程內(nèi)容。2.2.1行業(yè)特色設(shè)計虛擬仿真公共實驗室的設(shè)計滿足學(xué)校各學(xué)院、各學(xué)科的虛擬仿真教學(xué)需求，與實驗課程教學(xué)緊密結(jié)合[7]。多種形態(tài)的學(xué)生虛擬仿真開發(fā)實驗區(qū)，配備高性能圖形工作站、三維自動化建模成像設(shè)備和激光測量設(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。通過現(xiàn)場設(shè)備端、三維成像設(shè)備及激光測量設(shè)備等人機接觸交互設(shè)備可實現(xiàn)不同場景的VR資源內(nèi)容。2.2.2硬件-虛擬仿真交互平臺教學(xué)實訓(xùn)設(shè)備的擴展性體現(xiàn)為由原來單獨的教學(xué)設(shè)備，轉(zhuǎn)變?yōu)?∶1還原鐵路運維現(xiàn)場真實場景。虛擬仿真系統(tǒng)可實現(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)的動作指令；也可以實現(xiàn)軟硬件之間的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)-外部測量設(shè)備、虛擬仿真系統(tǒng)-外部數(shù)據(jù)處理計算機、外部測量設(shè)備-數(shù)據(jù)處理計算機之間的數(shù)據(jù)交換。2.2.3綜合性設(shè)計實驗室具備虛擬仿真教學(xué)與開發(fā)的雙重功能，是以具備智慧實驗室為基礎(chǔ)的虛擬現(xiàn)實（virtualreality，VR）、增強現(xiàn)實（augmentedreality，AR）與3D技術(shù)的綜合應(yīng)用。建設(shè)時充分考慮后期的維護(hù)和升級需求，從基礎(chǔ)建設(shè)開始著手，做到強弱電的分離、預(yù)留、可擴展等，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

突破軌道交通運維檢修現(xiàn)場人員限制準(zhǔn)入的壁壘，實現(xiàn)“臨場+VR教室”聯(lián)動和互補的實訓(xùn)機制。建立軌道交通運維檢測檢修臨場實訓(xùn)系統(tǒng)，學(xué)生能夠更加直觀地了解鐵路檢修測量的相關(guān)操作，學(xué)習(xí)相關(guān)知識點，從而開拓思路，解決目前學(xué)生難以深入現(xiàn)場進(jìn)行測試的困難，從而開發(fā)出先進(jìn)的測量技術(shù)及測量方法。建立深度沉浸感的教學(xué)平臺，實現(xiàn)理論與實踐教學(xué)的有效銜接。研制仿真軟件系統(tǒng)，以還原現(xiàn)場操作規(guī)范為理念，融合先進(jìn)測試技術(shù)、測試裝備、預(yù)研實驗裝備，及造價高昂或者危險系數(shù)高的設(shè)備，注重數(shù)據(jù)的交互性、可靠性、指導(dǎo)性和靈活、安全、機動、高效的人機交互性設(shè)計，同時以學(xué)生為主體開展實驗項目的設(shè)計、執(zhí)行及實驗結(jié)果的分析、實驗數(shù)據(jù)的現(xiàn)場指導(dǎo)與反饋等工作。虛擬設(shè)備-現(xiàn)實設(shè)備聯(lián)動實驗規(guī)劃平臺。虛擬仿真系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場應(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，安排更新教學(xué)實踐內(nèi)容，從而適應(yīng)不同的實踐教學(xué)與生產(chǎn)科研活動需求。遠(yuǎn)程平臺預(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)程訪問虛擬仿真系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)版本，在這個版本中，可以實現(xiàn)虛擬設(shè)備的使用、虛擬數(shù)據(jù)處理、虛擬運維操作規(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)實聯(lián)動模塊，將自己的學(xué)習(xí)、實踐計劃上報給系統(tǒng)管理員，預(yù)約進(jìn)一步的實踐實驗活動。構(gòu)建“多平臺多模塊”虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)。實現(xiàn)學(xué)生從應(yīng)用操作能力、工程實踐能力到研究創(chuàng)新能力的漸進(jìn)式培養(yǎng)過程，構(gòu)建的實踐教學(xué)體系如下頁圖1所示。以此平臺，利用虛擬仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)分析，設(shè)計并完成站臺運維操作規(guī)范測量虛擬仿真系統(tǒng)的搭建，實現(xiàn)對站臺、雨棚等建筑的虛擬測量，完成外部站臺運維操作規(guī)范測量儀與虛擬仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。以虛擬仿真平臺為基礎(chǔ)，搭建遠(yuǎn)程遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺，利用移動數(shù)據(jù)平臺、數(shù)據(jù)通信技術(shù)，實現(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，并以此為基礎(chǔ)判斷設(shè)備的狀態(tài)等。虛擬仿真社會服務(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)生實踐培訓(xùn)以及服務(wù)科研等功能，更應(yīng)具有一定的社會效應(yīng)和時效的先進(jìn)性。理解基于項目需求，以時效先進(jìn)性、擴展性、升級延續(xù)性，規(guī)劃具備設(shè)計課程、社會服務(wù)、科研平臺功能的設(shè)備與技術(shù)思路方法[9-13]。

4結(jié)論

創(chuàng)新集成“VR+遠(yuǎn)程組態(tài)”技術(shù)，實現(xiàn)在軌道交通運營檢修實踐與臨場實訓(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、動作感知技術(shù)等新興的信息技術(shù)應(yīng)用到軌道交通運營檢修虛擬仿真實驗系統(tǒng)中，使學(xué)生通過仿真和數(shù)字化手段掌握專業(yè)設(shè)計方法，滿足專業(yè)技能培養(yǎng)要求。建立深度沉浸感的教學(xué)平臺，實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐教學(xué)的有效銜接、互補與拓展。以虛擬實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)為依托，構(gòu)建具有高度還原現(xiàn)場，高度參與感、直觀性和互動性的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，強化沉浸式體驗，并采用多種形式的實驗手段，在虛與實結(jié)合、轉(zhuǎn)換中的實驗教學(xué)中實現(xiàn)理論與實踐教學(xué)的相互融合及轉(zhuǎn)變。

作者:楊世德 林鳳濤 楊洋 單位:華東交通大學(xué)