基于城轨运营交互式模拟设备培训考核系统的研究

    杨培义 张天彤

    摘 要：国内现有的城轨运营模拟设备的核心设备主要是司机操纵台，培训考核效率低，人工评判比重大，不能满足真实运营状态下的故障处理、非正常处置、标准化作业等业务内容的培训需要。为解决以上问题，开发出新型的城轨运营模拟培训考核系统，该系统基于城轨运营交互式模拟设备，应用虚拟现实技术、工业自动化技术、大数据存储技术和计算机辅助行为评估技术，具备“培训—练习—考核”的全部功能。该系统对虚拟仿真培训行业的发展具有较大的推动作用。

    关键词：城轨运营;培训考核;交互式;模拟设备

    中图分类号：G 712 ?文献标识码：B

    Abstract：The core equipment of the existing simulation equipment for urban rail operation in China is mainly the driver's operating platform，which is inefficient in training and assessment and has a significant ratio of manual evaluation.It cannot meet the training needs of fault handling，abnormal disposal，standardized operation and other business contents in the real operation state.In order to solve the above problems，a new simulation training and assessment system for urban rail operation is developed.Based on interactive simulation equipment for urban rail operation，this system applies virtual reality technology，industrial automation technology，big data storage technology and computer-aided behavior assessment technology，and has all the functions of "training-exercise-assessment".This system can promote the development of virtual simulation training industry.

    Key words：Urban rail operation;Training and assessment;Interactive;Simulation equipment

    城市轨道交通以其节能、省地、大运量、全天候、少污染和安全等特点，成为缓解我国城市拥堵和空气污染问题的最佳方案。近年来，我国城市轨道交通快速发展。截至2018年年底，我国内地（不含港澳台地区，下同）共有24个省份的35个城市开通运营轨道交通，运营线路171条，运营里程5295公里，2018年城市轨道交通客运量约212.8亿人次。随着运营里程和客流的快速增长，城市轨道交通安全稳定运行的压力日益加大。行车组织作为运营组织的中枢环节，是保障运营安全和运营秩序的重要基础。出台城市轨道交通行车组织的管理制度，统一行业行车组织的基本规则，对于严守安全底线，进一步夯实运营安全管理基础，具有重要作用。

    城市轨道交通的快速发展对于列车司机的驾驶技能有了更高的要求。面对真车培训带来的周期长、费用昂贵、安全性差等问题，传统的培训方式已经部分地被新型的模拟驾驶设备所代替。模拟驾驶设备是集成虚拟现实、仿真等多领域技术的产物，广泛地应用于轨道交通领域的列车司机、职业院校相关专业的培训和考核，已成为一种科学、先进、高效、安全的技能培训教学设备[1-2]。

    1 存在的问题

    目前国内铁路车辆段上百所，大多教育培训为固定考题库的计算机试题形式，并未实现交互式操作评价形式，而且行业内现有的所有考核系统只能够针对单个题目给出正确与否的评价，并不能对操作流程给出准确的评价。国内现有的城轨运营模拟设备的核心设备主要是司机操纵台，主要针对列车功能的模拟，这种使用性一边倒的模拟器已经不能够满足反映真实运营状态下的故障处理、非正常处置、标准化作业等业务内容的培训需要。此外，传统的模拟器培训考核效率低，考核结果人工评判比重大，导致考核结果公正性差、不够直观等问题，同時工作人员工作量较大，培训考核效率不高[3-4]。

    2 系统解决方案

    为了解决以上问题，设计开发一种新型的城轨运营模拟培训考核系统。该系统开发基于城轨运营交互式模拟设备培训考核系统，利用C++、PostgreSQL-9.5及相关技术，在VS2015下进行开发，系统基于 C/S 模式，充分利用轨道交通企业新技术及生产一线数据库、知识库为基础，从而实现现代化模拟设备培训考核系统。该系统主要模块可划分为：学生管理、课程管理、试题编辑、逻辑数据采集、操作记录查询、考核数据归档。该新型城轨运营模拟培训考核系统基于城轨运营交互式模拟设备，应用虚拟现实技术、工业自动化技术、大数据存储技术和计算机辅助行为评估技术，通过对受训者的操作行为实施数据采集、存储、分析和量化评估，构建对城轨列车驾驶人员、行调人员工作状态的分析和考核，最终使模拟设备系统具备“培训—练习—考核”的全部功能。

    2.1 系统具有的特点

    该系统的主要特点是模拟系统的行为标定技术和关键数据识别技术。行为标定技术是基于行为的随机性和不确定性，对行为进行监督和量化，通过特征标定使系统可以根据一定的算法对其行为逻辑进行分析判断。关键数据识别技术是设计和制作了用于行为判断的规则，并以规则为标准对操作行为进行监督。从而优化城轨交通运营模拟操作的全过程，达到完善作业内容、提高培训考核效率、提高考核结果公平性、减少工作量的目的。此外，系统重视司机操纵系统、虚拟列车终端系统、辅助人员终端系统、监控终端系统之间的联合模拟，使系统具有极强的可扩展性和适应性。

    2.2 系统的关键技术

    该系统依据《GB50490-2013 城市轨道交通技术规范》、《GB/T 30012-2013 城市轨道交通运营管理规范》等技术规范，完成的关键技术主要如下：首先，完成城轨列车司机交互式模拟设备培训及考核系统的方案设计;其次，在司机操纵系统、虚拟列车终端系统、辅助人员终端系统、监控终端系统之间采用交互化设计，实现各终端系统之间的联合模拟;然后，根据城轨列车司机的操作技能要求，制定城轨列车司机的培训目标和考核标准;接着，设置司机应急处理故障库，通过对大量已知故障的预存和分级，为受训者提供不同难度等级的故障处置能力训练。下一步，系统增加对司机操纵平稳性与乘客舒适性两个方面的评测指标，并能够真实模拟不同的线路条件（曲线、坡道等）和轮轨状态（雨雪、霜冻等）对司机操纵的影响;最后，实现系统的可扩展性和适应性，方便后期功能的拓展。

    2.3 工艺问题及方法

    该新型城轨运营模拟培训考核系统存在的工艺问题和对应方法如下：（1）基于模拟驾驶行为的随机性和不确定性，对行为进行监督和量化，通过特征标定使系统可以根据一定的算法对其行为逻辑进行分析判断。（2）设计和制作了用于模拟驾驶行为判断的规则，并以规则为标准对操作行为进行监督。（3）研究并实现基于标识的触发器技术，设计并制作可以推动仿真剧情发展的触发器类型、触发机制、通讯机制和触发器标识。（4）研究并实现基于关键点标识的监督技术，设计并制作可以用于监视操作人员行为的数据采集、精确量化、大数据存储技术。（5）结合轨道运营规章，对设备状态、学员行为过程和操作结果进行实时记录，基于模糊量化算法对所记录的数据设计和开发合理地考核评估算法。（6）针对应急故障库中不同故障的难度进行数学量化，将培训考核系统中考核题目难易程度进行分级处理。

    3 系统的技术路线

    系统的设计采用先进的数据库技术和可视化的程序设计方法，前台采用先进并稳定的VS2015+Qt5.5技术，后台采用功能强大的PostgreSQL-9.5数据库，PostgreSQL是一个功能非常强大的、源代码开放的客户/服务器关系型数据库管理系统（RDBMS）。使用VS2015+Qt5.5开发应用系统，有技術先进、稳定性高、功能强大、安全性高等优点。系统开发采用三层架构模式，这为提高系统的健壮性、可靠性、可扩充性、安全性、可维护性提供了可靠的保障。VS2015+Qt5.5平台采用了界面和代码分开的理念，界面部分由美工来设计，做到美观大方灵活易用，大大提高了软件的灵活性和趣味性。培训管理系统采用Qt Plugin技术，对于软件接口的定义在设计过程中严格要求，便于系统后期的升级与扩展。职工培训管理系统采用三层架构的分层方案，即操作用户直接看到的用户界面表示层、中间器桥梁作用的业务逻辑层和直接操作访问数据库的数据访问层。

    为了解决培训考试中考生身份验证的难题，杜绝考试中替考现象的发生，同时也为了提高职工培训管理的工作效率，降低工作负担，保障广大职工学员的利益，在职工考试中使用了身份认证，身份识别的过程中使用了多种技术的有机结合，如人脸识别技术、计算机技术、通信技术、网络技术、数据库技术等，所有职工都必须经过身份验证才能进入考场。通过信息化、网络化的方式来对各类考试考生身份验证，大幅缩短了验证考生身份需要的时间，减少了工作人员，降低了劳动量，提高了工作效率，大大节约了人力和财力，提高了验证的准确度，使教育的信息化建设更进一步。该系统通过自主研发的规则编辑器、规则执行引擎、规则化数据采集技术、数据分析技术实现对受训人员行为步骤、结果的监督、分析评估构建对受训人员的工作状态评估实训和考核系统。不仅可以提供传统的基于原理仿真的设备实训功能同时还可以对受训人员的行为合规性进行监督和评估，将对虚拟仿真培训行业的发展具有较大的推动作用。

    4 应用效果

    基于城轨运营交互式模拟设备培训考核系统是一个充分利用现代网络技术、计算机技术和多媒体技术，以轨道交通企业新技术及生产一线防控数据库、方法库和知识库为基础，以VS2015+Qt5.5平台下的消息驱动、插件系统和SQL SERVER为手段，解决了传统模拟器的问题，实现了现代化的城轨运营交互式模拟设备培训考核系统。该系统不仅降低了工作人员工作量，提高了公正性和培训考核效率，而且提高了学习新技术及生产安全防控的积极性，为培训管理模式的优化和提升提供有力支撑。

    5 总结

    该模拟设备培训考核系统具有先进的设计理念和明显的技术优势，不仅能够提供完整的模拟环境和培训内容，还能够比较直观的反映出受训者的培训效果，在减少培训工作量的同时大幅度提高了培训效率和培训效果。该系统如若在城市轨道运营单位及相关铁路院校进行推广应用，将会产生良好的经济效益。

    参考文献：

    [1]杨嵘.模拟设备在电子电工实验中的作用[J].电子技术与软件工程，2017，（11）：105.

    [2]李永权，齐尔和.模拟设备在特种设备作业培训考试中的应用[J].安全，2016，（8）：55-56.

    [3]武新杰，邵嘉林，李长生.LKJ2000型列车运行监控记录装置模拟设备开发及应用[J].中国科技信息，2011，（17），131-133.

    [4]郭峰.基于模拟设备项目开发的三维CAD技术在教学中的应用[J].职业，2011，（8）：170-171.

    基金项目：河南省高等学校重点科研项目（18A580007）;郑州铁路职业技术学院课题（2018CXY0010）

    作者简介：杨培义（1991—），男，河南睢县人，硕士，助教，研究方向：城轨车辆技术和职业教育;张天彤（1973—），男，河南荥阳人，郑州铁路职业技术学院副教授。