基于铁路特色运维服务的虚拟仿真训练平台探究★

杨世德， 林凤涛， 杨 洋

（华东交通大学， 江西 南昌 330013）

1 建设背景

伴随着中国高铁运行里程与运行速度迅猛增长，铁路运维行业涉及到的技术手段越来越先进，种类越来越复杂。运维现场使用的设备种类、技术种类、复合型人才需求也越来越多。铁路日常的运维是保证铁路安全运行的重要方式，运维作业的设备也越来越丰富，从大型运维维护车到中小型运维维护车；有自动化设备，也有完全人工操作的设备[1]。

基于铁路特色运维服务的虚拟仿真训练平台是采用数字技术，对轨道运维现场实行1∶1 比例建模，配合运维实施现场要求，建立的综合实践仿真平台，可以缓解以下矛盾：

1）对于轨道交通相关专业无法在短时间内配备和建设完善的训练设备及体系；

2）轨道运维行业要求从业人员具有熟练的操作技能才能上线操作，且对同时上线人数、时间有明确要求[2-3]；

3）轨道运维中测量、测试、调试等工作天窗点申请困难；

4）运维中相关的实践训练与工程作业现场无法密切结合。

系统建立的出发点是使学员更好地在铁路运维行业熟悉并应用先进测试装备与测试技术，该系统是学员重要的实践能力训练和规范操作能力提升的综合实践训练平台。

2 建设目标和思路

利用数字建模技术、远程数据交互技术、虚拟仿真技术，结合多媒体、网络化软硬件系统，基于VR+远程组态技术，采用“虚+实”教学模式，改善运营检修专业的实操方式并提高基础技能，从而提高学生知识能力和综合技能[4-5]。

（2）加快发展新型接续产业是优化产业结构，转变经济增长方式的主要途径。金昌市的发展依托于资源赋存的优势，但要保持其持续、稳定、健康发展，就要立足于现有的资源状况、区位条件、科技实力和投资来源等要素，加快培育和发展新型接续产业，尤其是大力发展非矿产业，使城市的发展取向更加符合市场经济要求和结构调整需要，实现资源的优化配置和战略重组，调整产业结构，改变经济增长方式，由单一资源优势向多功能的综合经济优势转变，进而保证资源优势的延伸与潜力的挖掘，由外延式发展走向内涵式发展。

2.1 具有人机交互的实践训练平台建设思路

2.1.1 构建虚实互补的铁路运维操作规范虚拟仿真教学实践体系

着眼于学员能力、素质的培养，按照新的人才培养目标大纲，结合铁路运维操作规范测量实际需求，创建1∶1 的ITS 虚拟仿真系统，借助融合视觉、听觉及触觉等多种互动方式，使学生掌握专业仿真运维操作规范测量操作手段和数字化运维操作规范测量实验实践方案设计方法，应用虚拟仿真模拟实际运维操作规范问题，可满足铁路相关专业对操作及技能规范培养要求，实现学员进入“沉浸式”现场操作演练，以解决现场准入门槛过高的矛盾。在教学实践互动方面，构建了高还原度仿真现场，实现测量、测试设备数据化。参照现场操作规范，规范设备操作步骤，同时吸取现场设备操作经验，设置失误报警信息，完成学生的经验积累。采用“虚”与“实”有机结合的实践教学模式，依托虚实仿真平台，完成复杂的工程实践训练，构建以课内操作训练为主导，课中数据交互实验为延展，课外远程云数据协作为拓展应用，课内外操作-实践-拓展一体化综合实践虚拟仿真训练平台，以此为教学手段，培养和提高学员学习的连续性、应用性以及理论联系实际的互补性[6]。

2.1.2 虚拟仿真系统的科研平台支撑

虚拟仿真技术属于人工智能相关学科的研究范畴，是教学和科研的辅助手段，也是提升学生能力的教学载体。学员调用虚拟仿真中测试得到的数据，利用相关处理软件，模拟数据处理方法，利用处理得到的调整方案，在虚拟仿真系统中，调整并实现运维操作规范：测量-修复虚拟仿真一体化完成。

2.1.3 铁路运维操作规范之先进仪器设备虚拟实验

扩展装备种类如先进测试装备、大型测试设备、造价高昂设备，解决维护现场设备紧缺的现状；同时利用铁路特色运维服务的虚拟仿真训练平台可以进行一些实验性质的设备规范操作训练，降低操作风险、难度等。

2.1.4 远程云平台数据交互

利用多媒体显现技术以及网络通信交互平台，构建高度还原现场的、能够人机交互的、软硬件数据交互的虚拟仿真实践教学平台，实现虚拟操作与实践训练的相互补充。开放网络端口，实现用户远程访问。现场数据可以远程发送至虚拟仿真实验室运算服务器，利用虚拟仿真实验室设备，仿真模拟现场维护效果，同时通过真实运维操作规范测量的现场经验完善虚拟仿真实验方案、虚拟仿真扩展性操作练习。

2.2 虚拟仿真实践平台设计理念

依据铁路运维操作规范对运维操作实际的要求，提出了符合运维现场操作规范要求的实验实践规划总体目标，细化了与实践目标相配套的技能规范考核体系、能力训练和素质目标；围绕课程规划，确定了“以还原铁路运维现场规范操作方案设计为主线，规划运维规范性实践教学计划”内容的实践操作课程设计指导思路，设计出能模拟铁路现场的实践操作最大限度还原运维现场工况的课程内容。

2.2.1 行业特色设计

虚拟仿真公共实验室的设计满足学校各学院、各学科的虚拟仿真教学需求，与实验课程教学紧密结合[7]。多种形态的学生虚拟仿真开发实验区，配备高性能图形工作站、三维自动化建模成像设备和激光测量设备，可以灵活地调整区域，搭配设备，满足不同的专业课程要求。通过现场设备端、三维成像设备及激光测量设备等人机接触交互设备可实现不同场景的VR资源内容。

2.2.2 硬件-虚拟仿真交互平台

教学实训设备的扩展性体现为由原来单独的教学设备，转变为1∶1 还原铁路运维现场真实场景。虚拟仿真系统可实现软硬件交互，在虚拟仿真系统中，可以按照操作步骤，发出相关操作指令控制外部连接设备完成相应的动作指令；也可以实现软硬件之间的数据传输，实现虚拟仿真系统-外部测量设备、虚拟仿真系统-外部数据处理计算机、外部测量设备-数据处理计算机之间的数据交换。

2.2.3 综合性设计

实验室具备虚拟仿真教学与开发的双重功能，是以具备智慧实验室为基础的虚拟现实（virtual reality，VR）、增强现实（augmented reality，AR）与 3D 技术的综合应用。建设时充分考虑后期的维护和升级需求，从基础建设开始着手，做到强弱电的分离、预留、可扩展等，形成了专业特色突出、学科交叉融合、软硬件交互的综合性综合训练模式[8]。

3 虚拟仿真系统建设成果

1）突破轨道交通运维检修现场人员限制准入的壁垒，实现“临场+VR 教室”联动和互补的实训机制。建立轨道交通运维检测检修临场实训系统，学生能够更加直观地了解铁路检修测量的相关操作，学习相关知识点，从而开拓思路，解决目前学生难以深入现场进行测试的困难，从而开发出先进的测量技术及测量方法。

2）建立深度沉浸感的教学平台，实现理论与实践教学的有效衔接。研制仿真软件系统，以还原现场操作规范为理念，融合先进测试技术、测试装备、预研实验装备，及造价高昂或者危险系数高的设备，注重数据的交互性、可靠性、指导性和灵活、安全、机动、高效的人机交互性设计，同时以学生为主体开展实验项目的设计、执行及实验结果的分析、实验数据的现场指导与反馈等工作。

3）虚拟设备-现实设备联动实验规划平台。虚拟仿真系统可以根据现场应用设备种类，添加外部设备，更新虚拟仿真模型文件库，安排更新教学实践内容，从而适应不同的实践教学与生产科研活动需求。

4）远程平台预约系统。学员可以根据自己的学习进度安排，远程访问虚拟仿真系统的网络版本，在这个版本中，可以实现虚拟设备的使用、虚拟数据处理、虚拟运维操作规范调整；如学员已经掌握虚拟内容，就可以预约虚拟现实联动模块，将自己的学习、实践计划上报给系统管理员，预约进一步的实践实验活动。

5）构建“多平台多模块”虚拟仿真实验教学系统。实现学生从应用操作能力、工程实践能力到研究创新能力的渐进式培养过程，构建的实践教学体系如下页图1 所示。

图1 实践教学体系

6）以此平台，利用虚拟仿真系统，实现数据建模、数据分析，设计并完成站台运维操作规范测量虚拟仿真系统的搭建，实现对站台、雨棚等建筑的虚拟测量，完成外部站台运维操作规范测量仪与虚拟仿真系统数据交换。

7）以虚拟仿真平台为基础，搭建远程远端数据监控平台，利用移动数据平台、数据通信技术，实现远程采集监控设备的状态、位置等相关信息的收集、处理，统为依托，构建具有高度还原现场，高度参与感、直观性和互动性的虚拟仿真实验教学平台，强化沉浸式体验，并采用多种形式的实验手段，在虚与实结合、转换中的实验教学中实现理论与实践教学的相互融合及转变。并以此为基础判断设备的状态等。

8）虚拟仿真社会服务特性。虚拟仿真系统，除了满足日常专业教学，还需要具备学校行业特色、青少年科普、学生实践培训以及服务科研等功能，更应具有一定的社会效应和时效的先进性。理解基于项目需求，以时效先进性、扩展性、升级延续性，规划具备设计课程、社会服务、科研平台功能的设备与技术思路方法[9-13]。

4 结论

1）创新集成“VR+远程组态”技术，实现在轨道交通运营检修实践与临场实训系统的应用。将立体多视角显示、软硬件数据交互、远端数据远程协作、动作感知技术等新兴的信息技术应用到轨道交通运营检修虚拟仿真实验系统中，使学生通过仿真和数字化手段掌握专业设计方法，满足专业技能培养要求。

2）建立深度沉浸感的教学平台，实现理论教学与实践教学的有效衔接、互补与拓展。以虚拟实训教学系