接触网作业仿真教学系统的研究与实现

刘小勇

摘要：接触网是铁路架设的一条供电线路，由于电压等级高等现实条件，在真实接触网上进行作业训练操作是不可能的。在虚拟现实背景下，仿真接触网作业具有重要意义。接触网作业仿真教学系统既使传统教学形象化，又将作业规范化，有利于职业素质的培养。文章对接触网作业仿真系统需求进行了分析，提出了具体的实现方法。典型教学任务包括接触网漫游与图纸教学等具体的基本知识的讲解，典型教学任务的教学主要通过视频播放的形式实现。典型作业任务演练的目的是规范接触网作业流程和提升学生的技术技能，主要通过事件管理等方法实现。文章最后展示了接触网作业仿真教学系统仿真效果。

关键词：仿真；教学与演练；视频播放；事件管理

中图分类号：TP311.1  文献标志码：A

0 引言

接触网是在电气化铁道中，沿钢轨上空“之”字形架设的、向电力机车供电的特殊形式的输电线路［1］。接触网是铁路电气化工程的主构架，它对机车的运行起着重要作用［2］。

接触网电压等级高，额定电压为27.5 kV，长期处于运行状态，停电用于教学演练或参观，那是根本不可能的。接触网作为机车提供动力的专属设备，结构复杂，零部件多，價格昂贵，建立一段完整的真实接触网用于学习培训，往往是不现实的。因此开发一套接触网作业虚拟仿真教学系统，可以解决一系列现实条件下无法解决的问题。同时高职院校采用仿真教学系统，有利于规范学生的操作流程与行为习惯，对相关专业学生的技术技能的提升将具有重要意义。

1 接触网仿真教学系统具体需求分析

接触网作业仿真教学系统旨在实现接触网作业过程的仿真教学。（1）应该对接触网现场作业内容进行归纳总结，以便更好地对教学内容进行仿真。（2）为了达到与接触网现场教学相同的效果，接触网作业仿真教学系统应对某一段真实接触网进行三维虚拟仿真。（3）为更方便地实现教学内容的教学，系统应具有教师工作站与学生工作站。

教师工作站主要功能列表应有培训任务的分配、学员注册管理与学员成绩管理功能、实训考核管理、考核任务配置管理、考试成绩管理、接触网试题库管理、接触网部件配置管理、接触网零件信息管理、接触网检修任务演练管理、接触网部件组装演练管理、接触网多场景加载管理、反馈意见管理、数据库备份、日志管理、权限管理、系统帮助、授权管理等内容。

学员工作站则具体完成3D仿真教学系统的实现。当学员工作站接收到教师工作站发过来的教学任务后，在本地教学工作站系统中进行具体教学任务的加载，即加载具体的教学演练操作任务。

同时，教师工作站与学员工作站通过通信软件将仿真平台中各个仿真系统连接起来，形成既相对独立又相互联系的有机整体。

2 接触网作业仿真教学系统功能框架设计

在接触网相关课程的分析研究后，本仿真系统设计为15个实训任务。学员须花费总时长至少为48学时。在每一个实训任务中，在掌握相应知识后，开展对应知识部分的演练和考核实训。根据具体教学内容的需要，教学系统分教学模式与演练模式进行，具体教学与演练内容在学生端功能界面下完成。教学模式下主要完成接触网图纸教学、接触网典型线路漫游、接触网作业流程教学等；演练模型下主要完成接触网部件认知和部件打散、接触网工具认知与使用、接触网常见检修演练、接触网常见部件组装、接触网故障与抢修、接触网理论知识考核等。整个接触网仿真教学功能框架设计如图1所示。在教学模式下，主要内容有接触网仿真漫游、接触网图纸教学、接触网作业流程、接触网常见故障，采用视频教学的形式进行。演练模式下，可以进行相应的模拟操作，整个系统功能框架如图1所示。

3 接触网仿真教学系统的实现

3.1 教师端的实现

系统软件主要由仿真表现、数据设备单元和逻辑计算机单元组成，教师端充当逻辑计算机单元，负责软件的启动、运行和系统退出逻辑管理。软件启动时，将完成学生端初始化系统环境、初始化3D运行环境。用户管理主要负责教师与学生的账号密码的添加、修改、删除与确认。用户信息管理通过Acess数据库进行管理。任务分配通过网络向学生进行发送，也可采用代理服务器（ClientServer）方式，实现教员系统与学员之间通信，教师能监视与控制学生机，对教学任务进行布置，学生机能呼叫教师机。

3.2 学生端教学模式的实现

学生端教学模式主要通过视觉系统、三维仿真效果来实现，学生端教学模式的实现相对来说比较容易，可以通过数学视频技术，将视频数据以数字数据的文件进行存储，当学生进行点击时，通过事件响应函数，对数据文件通过数字视频播放器进行播放。该技术视频效果相对较为清晰，视频教学模式开发的主要工作集中在视频的录制、主要课程的规划和教学内容的提取。

3.3 演练模式的实现

高速铁路接触网作业仿真专家系统演练模式的实现，首先通过采用3D软件对接触网设备建立各设备的模型、依据接触网的结构，采用Visual Studio（以下简称VS）的opengl对3D模型进行导入显示。然后在VS下编写事件响应程序，实现仿真作业的功能。实现典型任务与工具库、设备模型库相关联，当点击典型任务时，弹出模型库、工具库，通过用户选择，完成典型工作任务。在任务中，遇到错误或问题，能进行提示和纠正。同时对任务的完成情况、工具、模型进行3D动画效果展示，让学员能感受与现场一样的真实场景效果。

3.4 仿真场景的建立

虚拟现实场景的呈现是三维仿真视景技术建立，数据基础由三维仿真视景技术建立，同时将地形网格数据生成，其结构表示为：

Struct Terrain

float x，y，z；

float s，t；

float norx，nory，norz；

x，y，z 为模型顶点在三维空间直角坐标。X，Y分别表示水平的两坐标轴，Z表示垂直的坐标轴，以X、Y轴形成的水平面表示地形横断面，Z轴表示地形的纵向深度或者高度［2］。地形数据以二维数组m_Terrain进行表示，数值为250×250，然后应用柏林噪声方法由水平坐标（x，y）对应自動生成垂直坐标的z值［3］。

3.5 视频教学的播放

视频教学内容主要采用视频播放的形式进行，当单击各类普铁接触网常见故障时，进入到各类普铁接触网常见故障视频播放界面。视频教学的播放，主要采用Windows Media Player控件来实现，Windows Media Player控件的主要属性函数的使用方法如表1所示。

视频播放的函数部分代码如下：

void PlayDlg：：OnPlay（）

CFileDialog fDlg（TRUE，""，""，OFN_HIDEREADONLVOFN_OVERWRITEPROMPT，"AVI*.avi"，this）;

if（fDlg.DoModal（）==IDOK）

{CString path=fDlg.GetPathName（）;

m_MediaPlay.Open（path）;  //m_MediaPLay为windows media pLayer的实例化对象

}

接触网作业仿真教学系统在教师端能监视与控制学生机，对教学任务进行布置，学生机能呼叫教师机。学生端可实现全景漫游、故障巡检、工区漫游、互动教学、成绩查看等多项功能。因此，本系统开发须基于网络模式，可实现多学员同时进行虚拟仿真实训教学活动。同时平台突出教学课件和三维系统交互，让接触网的每个设备、故障巡检模式、检修规程等学习变得生动形象，充分发挥教师制作课件的灵活性和学员学习的积极性。

4 图像效果展示

建立的3D接触网零部件模型，可以直观地向学生展示接触网结构，其效果如图2所示。

进入组装演练界面。部分组装演练界面如图3所示。

5 结语

本文针对接触网作业仿真教学系统需要实现的主要功能，探讨了具体实现方法。其实现后能解决接触网学习者不能在现场接触接触网现场设备的难题。同时也为学校与学生提供一个廉价的接触网学习平台。同时使用接触网作业仿真专家系统，有利于规范接触网学习者的操作流程，养成良好的职业素养。本文设计方案最主要的优点是教学形象具体。高速铁路接触网作业仿真专家系统的研究与实现将建设一个与高速铁路真实接触网一样、接触网学习者能够身临其境感受的虚拟场景。在此场景下，教学将形象化、具体化，脱离了枯燥乏味的传统学习方式。

因此在虚拟现实技术的大背景下，对高速接触网作业进行虚拟仿真，可以解决一系列现状条件下难以解决的问题，具有重要意义。

参考文献

［1］刘炜，李群湛，陈民武.城市轨道交通交直流统一的牵引供电计算电力系统保护与控制［J］.电力系统保护与控制，2010（8）：128-133.

［2］艾媒研究院.2016-2020年中国铁路运输行业深度调研与投资战略规划分析报告［D］.北京：前瞻产业研究院，2021.

［3］王先兵，张学东，何涛，等.面向管理的三维模型多重段结构转换算法研究［J］.武汉大学学报，2012（1）：128-131.

［4］NAGATA T， NAKAYAMA H， UTATANI M，et al. A multi-agent approach to power system normal state operations［J］.IEEEE Transactions on Power Delivery，2002（10）：1582-1586.

（编辑 李春燕）

Research and implementation of catenary operation simulation teaching system

Liu  Xiaoyong

（Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou 412001， China）

Abstract： The catenary is a power supply line erected along the railway. Due to the high voltage level， it is impossible to be used for operation training on the real catenary. Under the background of the virtual reality， the simulation of catenary operation is of great significance. The catenary operation simulation teaching system not only visualizes the traditional teaching， but also standardizes the operating regulation， which is advantaged to the cultivation of professional quality. In this paper， after analyzing the requirements of catenary operation simulation system， specific implementation methods are proposed. The main typical teaching tasks mainly include the explanation of specific basic knowledge such as catenary roaming and drawing teaching. The teaching of typical teaching tasks is mainly realized through video playing. The purpose of typical operation task drill is to standardize the operation process of catenary and improve students’ technologies and skills. The typical operation task training is mainly achieved through event management and other methods. At the end of this paper， the simulate effection of catenary operation simulation system is shown.

Key words： simulation; teaching and exercise; video broadcast; event management