劉 輝

中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢，430063

0 引言

我國鐵路運(yùn)營總里程已突破10萬千米，鐵路線路養(yǎng)護(hù)面臨巨大壓力。有效保證客運(yùn)專線龐大而復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)時刻處于健康狀態(tài)對行車安全至關(guān)重要。大型養(yǎng)路機(jī)械[1]包括線路檢測機(jī)械、線路和道岔修理機(jī)械、其他作業(yè)機(jī)械[2]。大型養(yǎng)路機(jī)械的推廣和使用，在極大地提高鐵路線路養(yǎng)護(hù)效率和質(zhì)量的同時，也在維護(hù)、改善我國鐵路主要干線的線路質(zhì)量、提速擴(kuò)能、保證行車安全等方面發(fā)揮著重要作用，獲得了良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益[3]，進(jìn)而也極大地推動了鐵路養(yǎng)護(hù)作業(yè)體制的變革，使得我國鐵路養(yǎng)護(hù)作業(yè)開始進(jìn)入大型機(jī)械化時代。

目前我國鐵路線路非常繁忙，大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)場、施工、撤出的全過程需在線路“天窗”封鎖時間(一般為3 h)內(nèi)完成, 因此，大型養(yǎng)路機(jī)械正常的工作狀態(tài)、故障解除、應(yīng)急搶修是維修工作順利、高效進(jìn)行的重要保證。大型養(yǎng)路機(jī)械在線路上作業(yè)時必然會遇到應(yīng)急搶修事件(如脫線應(yīng)急搶修、工作裝置故障或系統(tǒng)故障應(yīng)急搶修、路外交通事故應(yīng)急搶修等)，如果設(shè)備故障不能馬上排除，則會影響線路按時開通，對運(yùn)輸安全造成較大影響[4]， 因此，為避免造成事故，大型養(yǎng)路機(jī)械的應(yīng)急救援就顯得極為重要。目前，救援技術(shù)還需進(jìn)一步完善，應(yīng)急救援裝置還需要深入研究[5]。

國際上多數(shù)國家運(yùn)行線路較短，且運(yùn)營技術(shù)較為成熟，大型養(yǎng)路機(jī)械檢修過程中出現(xiàn)故障時有足夠的時間進(jìn)行處理。通常采用應(yīng)急救援方法中的拉復(fù)法，將出現(xiàn)故障或掉道的大型養(yǎng)路機(jī)械拉復(fù)到位后撤離現(xiàn)場。國內(nèi)各機(jī)械工務(wù)段針對大型養(yǎng)路機(jī)械的運(yùn)用都有相應(yīng)的應(yīng)急搶修管理辦法，具體應(yīng)急演練設(shè)備以大型養(yǎng)路機(jī)械實物為依托。各大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段每年定期開展大型養(yǎng)路機(jī)械應(yīng)急搶修模擬演練來提高操作人員的熟練程度。

應(yīng)急救援具有突發(fā)、偶發(fā)的特點(diǎn)，只有通過日常的模擬演練才能促進(jìn)流程的優(yōu)化，提高應(yīng)急救援及指揮人員的應(yīng)急處置能力[6]。積累應(yīng)急救援演練的經(jīng)驗，找出應(yīng)急體系中的弱點(diǎn)，是目前應(yīng)急體系建設(shè)中急需解決的一個問題[7]。當(dāng)前大型養(yǎng)路機(jī)械應(yīng)急救援的學(xué)習(xí)模式存在專業(yè)人才極其短缺，利用現(xiàn)有正常作業(yè)的車輛進(jìn)行應(yīng)急演練不經(jīng)濟(jì)，以及應(yīng)急培訓(xùn)內(nèi)容不全面、培訓(xùn)效果較差等問題。

本文構(gòu)建了一種能有效解決當(dāng)前問題的大型養(yǎng)路機(jī)械應(yīng)急搶修模擬演練系統(tǒng)，通過模擬、虛實結(jié)合等方式實現(xiàn)了對救援人員的培訓(xùn)。該模擬演練系統(tǒng)在國內(nèi)外尚無同類產(chǎn)品,國際上許多個大型養(yǎng)路機(jī)械研究公司(如奧地利PLASSER、瑞士MATSA、美國HTT等)也均無類似或相近的大型養(yǎng)路機(jī)械模擬演練產(chǎn)品。該系統(tǒng)是取代現(xiàn)有培訓(xùn)模式的有效途徑，能夠經(jīng)濟(jì)、有效地培養(yǎng)應(yīng)急救援人員，使應(yīng)急救援人員熟練地掌握應(yīng)急救援技術(shù)。

1 演練平臺描述

大型養(yǎng)路機(jī)械應(yīng)急搶修模擬演練平臺系統(tǒng)能夠適應(yīng)我國鐵路系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展，具有原理教學(xué)、操作訓(xùn)練、考核評估、信息管理等功能,可逐步實現(xiàn)從大型養(yǎng)路機(jī)械起復(fù)及應(yīng)急演練的應(yīng)用到多領(lǐng)域的分布式仿真訓(xùn)練。

1.1 功能特性

1.1.1大型養(yǎng)路機(jī)械裝備知識教學(xué)演示功能

采用教員操作演示及學(xué)員互動學(xué)習(xí)等手段，提高大型養(yǎng)路機(jī)械裝備知識(包括大型養(yǎng)路機(jī)械裝備基礎(chǔ)知識、大型養(yǎng)路機(jī)械裝備電子電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理資料等)的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。

1.1.2模擬訓(xùn)練、演練功能

利用訓(xùn)練操作臺的人機(jī)交互，實現(xiàn)大型養(yǎng)路機(jī)械使用及搶修的互動仿真操作訓(xùn)練，同時采用圖像、聲音等手段，確保學(xué)員按正確步驟進(jìn)行操作。在沒有指導(dǎo)的情況下，學(xué)員也可在系統(tǒng)引導(dǎo)下完成相關(guān)的訓(xùn)練活動。

1.1.3模擬考核功能

利用訓(xùn)練操作臺的人機(jī)交互，模擬真實工作流程，實現(xiàn)應(yīng)急搶修及相關(guān)操作的考核。根據(jù)考核過程中相關(guān)操作數(shù)據(jù)進(jìn)行自動評估，為教員分析評估工作提供數(shù)據(jù)支持，也可以用于崗位練兵及職業(yè)技能評定等方面。

1.1.4理論知識考試功能

本系統(tǒng)可實現(xiàn)在操作臺或訓(xùn)練管理服務(wù)器上編制積累的考試題庫，可人工或自動生成試卷。學(xué)員可在訓(xùn)練操作臺或其他與服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)的終端進(jìn)行在線考試，系統(tǒng)也可實現(xiàn)自動評分、統(tǒng)計考試結(jié)果等輔助管理功能。

1.1.5訓(xùn)練及考核內(nèi)容編制功能

教員可應(yīng)用相關(guān)權(quán)限對訓(xùn)練及考核流程進(jìn)行修改和完善、預(yù)先編制訓(xùn)練計劃或考核計劃(存儲到數(shù)據(jù)庫)，也可在訓(xùn)練考核過程中臨時制訂訓(xùn)練計劃，從而使得系統(tǒng)的內(nèi)容更加完善，教學(xué)訓(xùn)練流程更加科學(xué)。

1.1.6自動記錄功能

本系統(tǒng)具備自動記錄訓(xùn)練考核過程的功能，教練可在訓(xùn)練操作臺終端管理訓(xùn)練考核過程，也可在考核后對相關(guān)信息記錄進(jìn)行查詢分析。系統(tǒng)可隨時調(diào)閱歷史數(shù)據(jù)，且有關(guān)訓(xùn)練考核活動記錄及評估數(shù)據(jù)可集成到大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

1.1.7電子教材及應(yīng)用系統(tǒng)集成功能

將相關(guān)的電子教材及文件進(jìn)行統(tǒng)一管理，也可集成其他相關(guān)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。擁有使用權(quán)限的用戶可查閱電子教材，使用集成的系統(tǒng)。

1.1.8系統(tǒng)管理功能

擁有系統(tǒng)管理權(quán)限的用戶可對系統(tǒng)功能和用戶的使用權(quán)限進(jìn)行配置和管理，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù)，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行及信息安全。

1.2 技術(shù)特性

1.2.1平臺化特性

系統(tǒng)具備平臺化特性：①系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器模式開發(fā)，可以適應(yīng)各類網(wǎng)絡(luò)瀏覽器環(huán)境，客戶端具備桌面應(yīng)用系統(tǒng)客戶端、Web界面客戶端；②系統(tǒng)具備可持續(xù)發(fā)展的能力，在服務(wù)器端對訓(xùn)練內(nèi)容進(jìn)行管理，客戶端通過聯(lián)網(wǎng)更新資源及升級功能，避免客戶端重新部署；③系統(tǒng)具備可集成性，具備集成已有的電子資料、課件等內(nèi)容并通過訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)共享的能力；④系統(tǒng)具備分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫支持，兼容當(dāng)前主流企業(yè)數(shù)據(jù)庫，可集成為企業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的組成部分。

1.2.2產(chǎn)品適應(yīng)性

軟件系統(tǒng)能充分發(fā)揮硬件的性能，并對高端和低端的配置具有適應(yīng)性：①3D引擎能充分發(fā)揮顯卡的加速能力，在較高端的顯卡及Windows操作系統(tǒng)能支持DirectX 11，以充分提高視景渲染的效果；②支持主流3D立體投影技術(shù)；③至少支持一種國際公認(rèn)先進(jìn)的沉浸式及體感虛擬現(xiàn)實設(shè)備。

1.2.3技術(shù)先進(jìn)性

目前的建筑信息模型(building information modeling , BIM)系統(tǒng)主要面向設(shè)計和規(guī)劃建設(shè)，所產(chǎn)生的模型數(shù)據(jù)及資源一般只能在設(shè)計軟件平臺內(nèi)使用，本模擬演練系統(tǒng)研發(fā)了環(huán)境、設(shè)備、設(shè)施等BIM模型的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化模塊及其管理模塊，完善了標(biāo)準(zhǔn)BIM模型庫、自適應(yīng)用戶需求的輕量模型庫及關(guān)聯(lián)設(shè)計數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)快速輕量化建模。此外，本系統(tǒng)擺脫平臺間接口束縛，優(yōu)化模型資源及數(shù)據(jù)庫，在最大程度逼近實物及真實環(huán)境的前提下精簡BIM模型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)云端存儲，以更好地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)，并根據(jù)實際生產(chǎn)作業(yè)情況的反饋，來更好地反饋到實際模擬演練教學(xué)中。BIM資源模型轉(zhuǎn)換模塊如圖1所示。

圖1 BIM資源模型轉(zhuǎn)換模塊Fig.1 The module of the BIM resource translation

本系統(tǒng)采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，實現(xiàn)無人機(jī)傾斜攝影模型、地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS) 信息模型、全息掃描模型的快速輕量化；研究 BIM模型與增強(qiáng)現(xiàn)實(augmented reality,AR)/虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR) /混合現(xiàn)實(mixed reality,MR)底層數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)模型之間的無縫轉(zhuǎn)換與對接，構(gòu)建附帶全系統(tǒng)信息的全維度應(yīng)急起復(fù)模擬演練環(huán)境。

1.2.4系統(tǒng)可伸縮性

本系統(tǒng)具有適應(yīng)不同配置成本和部署規(guī)模的能力：①數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器系統(tǒng)具有邏輯獨(dú)立性，可部署到一臺服務(wù)器或在多臺服務(wù)器上分別部署；②在普通或低端配置的客戶端能降低模擬效果并提高運(yùn)行速度；③在32位或64位操作系統(tǒng)均能運(yùn)行；④系統(tǒng)具備虛實結(jié)合的能力，研發(fā)了半實物設(shè)備通用接口協(xié)議，系統(tǒng)不僅可以接入半實物設(shè)備以提高訓(xùn)練效果，同時在半實物設(shè)備不可用的情況下可切換到純軟件來虛擬設(shè)備正常演練。

1.3 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

本系統(tǒng)兼容目前的網(wǎng)絡(luò)，能部署于廣域網(wǎng)或因特網(wǎng)，不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)改造即可實施系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基于TCP/IP，安全通信的數(shù)據(jù)內(nèi)容采用IPSec、安全套接層(secure sockets layer，SSL)或其他允許的協(xié)議進(jìn)行加密傳輸。數(shù)據(jù)庫兼容目前的主流網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，如Microsoft SQL Server、Oracle、Sybase等。

2 演練平臺總體設(shè)計

2.1 演練平臺流程

大型養(yǎng)路機(jī)械仿真模擬演練平臺是一套結(jié)合系統(tǒng)仿真、計算機(jī)圖形學(xué)、多媒體等技術(shù)的大型養(yǎng)路機(jī)械應(yīng)急處置人員培訓(xùn)與考核的系統(tǒng)，通過BIM模型的搭建以及采用人機(jī)交互訓(xùn)練的方式，系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容能夠做到詳實全面，操作標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，流程規(guī)范順暢，職工受訓(xùn)程度高，生產(chǎn)作業(yè)效率得到提升。搭建的數(shù)據(jù)模型如圖2所示。

圖2 搭建完成的數(shù)據(jù)模型Fig.2 Completion of construction for the data model

本系統(tǒng)將大型養(yǎng)路機(jī)械工作裝置應(yīng)急處置相關(guān)的日常培訓(xùn)與考核和實操演練相結(jié)合，有效地提高了職工的應(yīng)急處置能力，并使職工熟悉應(yīng)急搶修的處置過程與方法。通過工程協(xié)作平臺搭建BIM模型系統(tǒng)，受訓(xùn)職工可在計算機(jī)生成的虛擬場景中，采用人機(jī)交互的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，采用半實物操作的方式進(jìn)行培訓(xùn)，并可利用該系統(tǒng)完成部分應(yīng)急處置技能的考核任務(wù)。軟件流程設(shè)計見圖3。

圖3 軟件流程設(shè)計Fig.3 The diagram of the software

2.2 演練平臺結(jié)構(gòu)及功能

演練平臺具備組織機(jī)構(gòu)管理、預(yù)案統(tǒng)計分析和資源管理等功能。整個業(yè)務(wù)流程圍繞大型養(yǎng)路機(jī)械應(yīng)急預(yù)案的編制、審批、修訂、發(fā)布、評價、查詢和模擬演練進(jìn)行。根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用目的，系統(tǒng)主要包括5大子系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 演練平臺結(jié)構(gòu)及功能Fig.4 The training platform and function

2.3 演練平臺硬件架構(gòu)

模擬演練平臺是構(gòu)建在一個高速以太網(wǎng)上，由工作站、計算機(jī)、實物設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)及其他外圍設(shè)備、系統(tǒng)軟件等構(gòu)成的分布式仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。演練平臺的硬件架構(gòu)如圖5所示。系統(tǒng)訓(xùn)練布局如圖6所示。

圖5 演練平臺硬件架構(gòu)Fig.5 The hardware of the platform

圖6 系統(tǒng)訓(xùn)練布局圖Fig.6 The layout of the training platform

培訓(xùn)工作站上搭載有工程協(xié)作平臺，并安裝有大型養(yǎng)路機(jī)械應(yīng)急搶修仿真培訓(xùn)軟件，工程協(xié)作平臺主要用于系統(tǒng)BIM模型的搭建、轉(zhuǎn)換、反饋修正；仿真培訓(xùn)軟件主要用于應(yīng)急處置相關(guān)基礎(chǔ)知識的培訓(xùn)。同時，建立有VR 互動終端、AR/MR 互動終端以及投影或大屏設(shè)備等。

數(shù)據(jù)庫安裝在服務(wù)器上，用于存儲應(yīng)急搶修中的相關(guān)素材、學(xué)員信息、訓(xùn)練記錄、考評記錄等數(shù)據(jù)。教員機(jī)及教員軟件用于對系統(tǒng)、訓(xùn)練及考核過程進(jìn)行管理。

半實物操作設(shè)備和救援設(shè)備用于應(yīng)急搶修模擬演練。這些設(shè)備可采用實物機(jī)具進(jìn)行數(shù)字化改造，或定制具有IO接口的設(shè)備。改造后的設(shè)備配備有IO接口，可通過仿真工作站、數(shù)據(jù)采集模塊聯(lián)入系統(tǒng)中。學(xué)員對設(shè)備、機(jī)具的操作動作序列、設(shè)備狀態(tài)及工作過程將被系統(tǒng)采集、記錄下來，通過這些數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)實物設(shè)備與虛擬救援場景的被救援大型養(yǎng)路機(jī)械或其他虛擬設(shè)備的實時交互，并可用于評判和考核學(xué)員的操作。半實物操作設(shè)備的配備根據(jù)需求來決定。使用方不需要或無法配備機(jī)具實物時，可采用計算機(jī)模擬的方式進(jìn)行應(yīng)急搶修模擬演練仿真。

系統(tǒng)中配備一套視景顯示子系統(tǒng)，使學(xué)員能夠掌握救援過程的整體態(tài)勢。視景顯示子系統(tǒng)由視景工作站和視景顯示設(shè)備構(gòu)成。視景工作站根據(jù)系統(tǒng)計算出的被救援大型養(yǎng)路機(jī)械的姿態(tài)、線路情況、學(xué)員操作救援設(shè)備的情況實時渲染出救援現(xiàn)場的整體態(tài)勢及局部細(xì)節(jié)的視圖。視景工作站生成的畫面通過投影機(jī)顯示在大屏幕上，供所有人了解、掌握救援過程。視景顯示設(shè)備的選配視情況來定。

2.4 演練平臺軟件架構(gòu)

在本系統(tǒng)中，軟件系統(tǒng)使用當(dāng)前最新的3D圖形技術(shù)和多媒體技術(shù)實現(xiàn)。通過構(gòu)建培訓(xùn)所涉及的人員、裝備、大型養(yǎng)路機(jī)械、線路環(huán)境的3D場景模型，利用3D圖形引擎進(jìn)行渲染，根據(jù)受訓(xùn)學(xué)員的輸入實現(xiàn)實時交互。演練平臺軟件邏輯框架見圖7。

圖7 演練平臺軟件邏輯框架Fig.7 The logic frame of the platform

由圖7可以看出，系統(tǒng)中的主要程序模塊包括仿真培訓(xùn)模塊、人機(jī)界面、多媒體模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、3D圖形引擎等。仿真培訓(xùn)模塊為核心模塊，主要負(fù)責(zé)完成業(yè)務(wù)邏輯實現(xiàn)、過程仿真、課程管理及運(yùn)行、學(xué)員及成績管理，提供與人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體和3D圖形引擎的接口。多媒體模塊提供在仿真培訓(xùn)模塊控制下的配音和視頻素材的管理、播放。3D圖形引擎用于實時渲染、管理3D模型， 渲染的結(jié)果通過調(diào)用系統(tǒng)的底層圖形應(yīng)用程序編程接口(application programming interface，API)輸出到屏幕上。人機(jī)界面為受訓(xùn)學(xué)員提供一個操作界面，該界面的設(shè)計結(jié)合考核特點(diǎn)，便于學(xué)員操作與理解。在聯(lián)網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行中，網(wǎng)絡(luò)通信模塊通過socket進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)協(xié)同仿真訓(xùn)練。人機(jī)交互界面如圖8所示。

圖8 人機(jī)交互界面Fig.8 The human-computer interfaces of the platform

同時，本系統(tǒng)也可通過VR和 MR設(shè)備，利用動捕、體感技術(shù)，來實現(xiàn)受訓(xùn)職工與仿真環(huán)境和仿真裝備的自然交互。虛擬交互系統(tǒng)集成如圖9所示。

圖9 虛擬交互系統(tǒng)集成Fig.9 Virtual interactive system integration

演練平臺系統(tǒng)中的主要數(shù)據(jù)包括：課程數(shù)據(jù)、多媒體素材、3D模型數(shù)據(jù)、學(xué)員及成績數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)存放在本地數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件中。數(shù)據(jù)庫提供修改、維護(hù)的接口，教員、系統(tǒng)維護(hù)人員可根據(jù)需要增加、修改、編輯、刪除和發(fā)布這些培訓(xùn)素材數(shù)據(jù)。

2.5 系統(tǒng)集成

系統(tǒng)通過服務(wù)總線接口實現(xiàn)知識系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用指揮平臺和作業(yè)調(diào)度平臺等系統(tǒng)的交互,如圖10所示。系統(tǒng)集成層的組成如圖11所示。

圖10 平臺系統(tǒng)交互Fig.10 The constructions of the integration layer

圖11 集成層組成Fig.11 Composition of integration layer

3 演練平臺硬件配置方案

本軟件系統(tǒng)為BIM模型及多媒體應(yīng)用軟件，對硬件平臺有一定要求。為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，建議主要的硬件配置如下:①培訓(xùn)、仿真工作站和教員機(jī)(獨(dú)立顯卡商用計算機(jī))；②數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；③視景工作站(圖形工作站)；④服務(wù)器(數(shù)據(jù)服務(wù)器)；⑤數(shù)據(jù)采集及輸出控制系統(tǒng)(與實物仿真硬件接口)。

4 結(jié)語

大型養(yǎng)路機(jī)械應(yīng)急搶修模擬演練平臺系統(tǒng)利用系統(tǒng)仿真、虛擬現(xiàn)實、分布式網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)盡可能達(dá)到模擬實裝訓(xùn)練的效果，并彌補(bǔ)實裝訓(xùn)練資源不足的情況(實裝訓(xùn)練資源有限、巨大難以拆卸的部分無法進(jìn)行操作、破壞性的操作、危險操作、特殊環(huán)境等)，通過演練場景的仿真獲得真實訓(xùn)練環(huán)境的體驗，經(jīng)濟(jì)有效地培養(yǎng)應(yīng)變能力快、素質(zhì)高的專業(yè)應(yīng)急救援人才，目前該系統(tǒng)已經(jīng)研制完成并成功得到運(yùn)用。