城市轨道交通运营仿真实训系统的建设

吴 畏

(成都地铁运营有限公司，610031，成都//高级工程师)

城市轨道交通运营线路的激增，导致了行业技术人员的稀释，尤其是大量学校毕业生成为运营单位的主力军，在此情况下，传统模式的课堂式教学或实物设备模拟操作的弊端显得较为突出，主要体现为教学理论枯燥、实际操作的频次和深度不足等。随着工业信息化和计算机技术的发展，三维仿真技术日趋成熟，在各行业中的应用也比较广泛，采用三维技术建设城市轨道交通运营仿真实训系统[1-4]。

1 城市轨道交通运营仿真实训系统的架构设计

在建设城市轨道交通运营仿真实训系统的过程中，由于建设资金、场地及调研深度等方面的原因，不同单位在建设过程中有不同的需求，或存在较大区别。目前，我国建设的城市轨道交通运营仿真实训系统主要以实物设备培训为主，大多为驾驶模拟和调度运营模拟,主要为司机、调度及站务类人员的培训[3-4]，针对设备专业的仿真培训较少，但也有一些有益的尝试，如文献[2]提出了轨道结构工程施工技术仿真的概念，文献[1]介绍了通过校企合作建设供用电技术仿真系统的方式。

成都地铁自2013年开始启动实训基地建设，经反复论证且经各专业充分沟通，确定了既要建设典型设备的实物培训系统，又要建设各专业基于三维仿真的虚拟实训系统的理念。因此，实训基地建设应包含实物设备仿真培训与基于三维的仿真实训两大部分，其中实物设备仿真培训主要包括1节真实的电客车、模拟车站及各专业典型设备等；三维仿真实训系统包含调度综合实训系统、模拟驾驶仿真培训系统、运营管理及维保设备三维仿真培训系统及综合培训考试系统4个子系统，同时仿真实训多媒体教室的相关设备亦包含在内。系统功能架构如图1所示。

三维仿真实训系统主要通过三维建模技术，创建虚拟地铁场景；通过整合实物和电子沙盘、模拟驾驶器、模拟车站以及设备仿真软件，实现互联互通。该系统具备教学、练习、考核、评价等功能，可实现地铁运营过程中各环节的联动模拟操作培训。

图1 城市轨道交通运营仿真实训系统功能架构

2 运营仿真实训系统的组成

2.1 调度综合实训系统

2.1.1 系统特点

调度综合实训系统(以下简为“调度系统”)以某线路相应的CBTC(基于通信的列车控制)系统及相关设备为参考原型，按照“线网指挥中心—控制中心—车站—线路—车辆段—列车”的结构进行构建。该系统具有各个系统独立运行和联合演练功能，能充分展示地铁运营和控制特点，并可以为运营类及各运营保障类的岗位人员提供系统性与综合性的培训。控制中心实训室仿真效果如图2所示。

图2 控制中心实训室

2.1.2 系统功能

调度系统可根据模拟参数进行动态演示；可进行地铁常规的标准化训练、故障状态下的训练、突发事件处理和非正常行车训练；可对各种运营方案进行预演；可进行重大故障情况下各种解决方案的训练与比选；可更改运行条件和参数设置；可对受训学员的训练过程及训练结果进行客观评价并生成评价结果。调度系统还能打印出学员实训记录以及计划和实际运行图。

2.1.3 系统配置

调度系统包括线网指挥中心(COCC)仿真系统、调度(综合监控)仿真系统、电子沙盘系统、实物沙盘系统、视频监控系统、大屏显示系统及电源系统(同时可作为整个实训系统的后备电源)等。该系统由于集成模拟驾驶和沙盘等功能，对于联动要求较高，需采用两套独立服务器才能保证运行。

2.1.4 系统建设的创新点及难点

调度系统首次进行了COCC的模拟仿真，将实物和电子沙盘结合，并在大屏中投影，是该系统的创新点。同时由于招标时COCC的建设尚未完成，该系统的模拟仿真只能根据设计图纸同步开展，这也成为该系统的建设难点之一。

2.2 模拟驾驶仿真培训系统

2.2.1 系统特点

模拟驾驶仿真培训系统(以下简为“驾驶系统”)能够实现地铁列车的性能模拟与运行环境模拟，能够真实地模拟地铁列车在各种运行环境与工况下的运行状况、操纵特性、牵引/制动特性以及其它特性。该系统可与调度综合实训系统实现互联。

2.2.2 系统功能

驾驶系统应能够模拟某线列车驾驶台、操作设备与其基本功能保持一致，以满足乘务人员、车辆检修维护人员对于列车基本运行相关的操作方法、操作规程与操作步骤，以及列车运行中出现的故障及突发事件的处理方法、处理规程及处理步骤等培训功能。

所有驾驶系统均可以独立运行，亦可以联合运行，还可以与调度系统、模拟车站进行联动，实现联合演练功能。

2.2.3 系统配置

驾驶系统由操纵设备、列车运行仿真系统、视景仿真系统、声音仿真系统、通讯仿真系统、虚拟列车设备系统及故障/突发事件的模拟系统等组成。模拟驾驶系统应包括1套车内模拟驾驶培训设备、1套教员设备及多套简易型模拟驾驶培训设备，如图3所示。

2.2.4 系统建设的创新点

驾驶系统的视景采用了全线实景模拟，正向和侧向均设置模拟显示屏，并且创新性地安装在真实的电客车驾驶室内;同时可以联动电子、实物沙盘及模拟车站，并首次将调度系统、驾驶系统与模拟车站进行了联动，这是该系统的创新点，同时系统间的可靠联动，亦是该系统的建设难点。

图3 列车模拟驾驶实训室

2.3 运营管理及维保设备三维仿真培训系统

2.3.1 系统特点

运营管理及维保设备三维仿真培训系统(以下简为“三维系统”)，采用三维仿真技术，基于某线路的真实场景(见图4)，构建虚拟的COCC、OCC(运营控制中心)、车辆段、车站、隧道及相关设备三维模型，并能以全景展示、透明剖视、自由漫游及交互操作等形式呈现。三维系统基于地铁应用场景的全景3D模拟，实现设定任务的动画介绍、模拟操作和考试。该系统主要运用于运营和维保专业的业务流程标准、设备原理、设备结构、维修工艺、故障处置及应急演练等任务，并可根据任务的大小和参培人员的数量选择适当的综合仿真实训室来开展相应的培训工作。

图4 某线路仿真场景

2.3.2 系统功能

三维系统基于运营管理操作流程和专业设备检修(操作)管理,从操作流程、设备结构介绍、检修(操作)标准化等方面全面实现了场景全貌模拟，以及实现了检修(操作)流程、检修工艺、故障处理及联动演练等模拟培训、训练和考试任务。通过三维交互式仿真系统，直观地反映地铁运营作业流程、设备结构及检修(操作)过程。

该系统的主要功能包括：实现对运营管理流程、主要设备结构及性能的介绍；实现典型标准化作业流程的模拟及考核；实现关键设备结构的三维模拟检修仿真；实现多专业联动演练功能，同时系统中的动画配备文字介绍及动画配音等功能。

三维仿真可逼真地模拟实际场景、设备的外观形状、显示界面、几何结构、机械闭锁、操作机构的外形显示方式及操作方式，使虚拟设备在正常运行和事故情况下的动作现象(如动作行为、声响、灯光、表计显示等)与实际设备保持一致。

2.3.3 系统配置

三维系统应包含线网指挥、调度指挥、车站客运及车场乘务等4个运营管理模块内容,以及供电、自动化、信号、AFC(自动售检票)系统、车站设备、车辆及车辆段设备仿真培训系统等6个专业设备模块。此外，三维系统需单独配置1台服务器。

2.3.4 系统建设的创新点

三维系统创新性地提出了城市轨道交通运营全专业的交互式虚拟仿真，真实地还原了生产现场、设备状态和操作步骤，并且具备多角色演练功能，但由于模型及流程数据量极大，涉及的专业较多，需要业主、供应商等密切配合，这也是该系统的建设难点。

2.4 综合培训考试系统

综合培训考试系统主要由管理员端、教员端、学员端3大系统模块组成。该系统可以利用多媒体教室进行当地培训；同时学员也可以通过信息化网络平台，随时登陆系统通过IE浏览器或APP等形式进行学习。综合培训考试系统需建设基于网络的学员学习培训考试平台，培训内容如课件、考卷等可支持用户自行添加。

培训考核需要外部网络支持，应单独配置1台服务器，同时考虑网络安全问题，需配置防火墙。

3 运营仿真实训各系统之间的联动关系

1)调度系统应考虑与模拟车站进行联动，以及与模拟驾驶系统在实体和电子沙盘均能实现联动，该系统主要用于调度、乘务、站务专业实操与联动演练，以及电客车司机的模拟驾驶培训。

2)三维仿真培训系统作为高度集成化的纯虚拟的仿真软件模块，其专业和设备配置比较全面，可考虑独立运行。该系统主要运用于运营和维保专业的业务流程标准、设备原理、维修工艺、故障处置及应急演练等任务。

3)综合培训考试系统，主要是建设基于网络的学员学习培训考试平台，培训内容如课件、考卷等可由用户自行添加，同时可采用浏览器和手机APP的方式进行在线学习，以解决集中培训较为困难的日常培训及考核问题。该系统与其他系统不联动，但其他系统的培训考核数据需接入该系统。

各系统间的联动关系及网络如图5所示。

图5 各系统间的联动关系示意图

4 教学管理设置

系统教学管理分为管理员、教员、学员3个权限级别。其中，管理员拥有最高权限，能够统一监控管理系统平台，并制定教员及学员权限；教员通过管理员权限设定，能实现课程的设计和管理、培训模式的控制、训练过程的监控，以及指导及干预学员的操作过程等任务，并能以观察者模式选择、跟踪及观察学员的操作过程和多人联动任务执行状态；学员能够按照教师发布的任务和指令，进行相关课程的学习、练习及考核。

培训系统应具备统一的登录界面，不同类型的用户登录后可进入相应的场景。教员账号登录后可阅览全部仿真场景的大地图画面，同时可执行自由漫游浏览、培训模式选择、实施故障设置、教学跟踪等任务；学员账号登陆后，以第三人称角度进入工班或工作岗位等待完成教员分配的培训模式及任务。

5 结语

城市轨道交通运营仿真实训系统，基于虚拟线路级的三维仿真环境，具有占地面积小、不磨损设备、不占用运营时间和设施、无任何安全风险、可培训的设施多及培训精细化程度高等优点，是一个能提供深度培训和多专业联动培训的平台，为从业人员的培训、企业的大型演练和运营方案选型提供了新手段，能够有效提高城市轨道交通运营管理和检修、操作过程的标准化功率，缩短员工培训周期，降低运营成本。该系统将成为信息化时代的学生和员工培训、技能鉴定及企业运营决策咨询的重要环节之一。

成都地铁运营仿真实训系统项目目前已经完成招标，正在积极开展建设工作，通过该项目的实践探索，希望能为实训基地建设提供有益的启发和思路。