CN104537909A - 一种基于虚拟现实的铁路供电训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种基于虚拟现实的铁路供电训练系统，包括：基础层，用于提供基于虚拟现实的网络环境和硬件设备；数据层，用于提供铁路供电训练系统运行所需的数据；平台层，用于为功能层提供基础服务的引擎；功能层，用于构成所述铁路供电训练系统的各功能模块，且使各功能模块通过调用平台层提供的引擎和数据层提供的数据，实现相应的功能；以及应用层，用于基于虚拟现实技术和所述铁路供电训练系统的各功能模块进行虚拟训练。本发明所述的铁路供电训练系统的建立和投入使用，可切实保证铁路系统供电作业组织训练的常态化开展，确保铁路运输生产安全运行。

Description

一种基于虚拟现实的铁路供电训练系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术及重载铁路综合训练领域，具体地，涉及一种基于虚拟现实的铁路供电训练系统。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)，又译为临境，灵境等。从应用上看它是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术及仿真技术等多种科学技术综合发展起来的计算机领域的最新技术，也是力学、数学、光学、机构运动学等各种学科的综合应用。虚拟现实的特点在于以模仿的方式为用户创造一种虚拟的环境，通过视、听、触等感知行为使得用户产生一种沉浸于虚拟环境的感觉，并与虚拟环境相互作用从而引起虚拟环境的实时变化。现在与虚拟现实有关的内容已经扩大到与之相关的许多方面，如“人工现实”、“遥在”、“虚拟环境”、“赛博空间(Cyberspace)”等等。

在我国，虚拟现实技术的研究和一些发达国家相比还有很大的一段距离，随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展，虚拟现实技术已经得到了相当的重视，引起我国各界人士的兴趣和关注，研究与应用VR，建立虚拟环境、虚拟场景模型以及分布式VR系统的开发正朝着深度和广度发展。

供电接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路，由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成，其是电气化铁路综合自动化系统中牵引供电部分，具有极其重要的地位。接触网担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重要任务。因此接触网的质量和工作状态将直接影响着电气化铁道的运输能力。由于接触网是露天设置，没有备用，线路上的负荷又是随着电力机车的运行而沿接触线移动和变化的，要求接触网无论在任何条件下，都能保证良好地供给电力机车电能，保证电力机车在线路上安全，高速运行。

接触网是电气化铁路综合自动化系统中最容易出现问题的环节。电气化列车从铁路上方架设的接触网上取得高压电流，从而获得持续充足的动力。柔性的接触网，最易受到外力的影响发生位移，在遭到雷击后发生短路时，列车断电停车可能性很大。2011年7月10日京沪高铁发生供电设备故障，接下来的三天内，高铁列车又连续“抛锚”途中。高密度的事故让京沪高铁一时间陷入质疑声中。供电系统作为高铁停车的故障主因更是成为众矢之的。经调查，主要故障原因是：接触网附加导线不直接与动车组受电弓接触，为非张力安装悬挂，在重力作用下允许有一定驰度，遇大风会发生摇摆。而供电接触网的分类较多、设备组成较复杂，故障原因较多，维护运行和应急处理涉及到技术和规则较多，往往常常需要大量工程经验作为支撑，而真实系统是无法进行大量的操作和应急训练的，模拟实物训练场造价高、训练能力低，因此需要一个借助计算机虚拟现实技术的供电触网训练系统来完成供电接触网维护人员的训练工作。

因此，针对接触网的特点，结合虚拟现实技术的明显优势，本发明提出了一种基于虚拟现实的铁路供电训练系统，以满足铁路公司日益艰巨的培训任务的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于虚拟现实的铁路供电训练系统，用于实现铁路系统各种供电作业的培训，具体的目的在于增强供电系统工作人员对各类设备、系统的全面深化理解、提高工作人员的业务素质。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于虚拟现实的铁路供电训练系统，包括：基础层，用于提供基于虚拟现实的网络环境和硬件设备；数据层，用于提供铁路供电训练系统运行所需的数据；平台层，用于为功能层提供基础服务的引擎；功能层，用于构成所述铁路供电训练系统的各功能模块，且使各功能模块通过调用平台层提供的引擎和数据层提供的数据，实现相应的功能；以及应用层，用于基于虚拟现实技术和所述铁路供电训练系统的各功能模块进行虚拟训练。

优选地，所述基础层提供的网络环境是分布式的基于并行仿真的虚拟现实的网络环境。

优选地，所述基础层提供的硬件设备包括图形服务器、数据库服务器、模型库服务器、应用服务器、大屏控制台、投影大屏、训练想定工作台和/或人机交互训练工作站。

优选地，所述数据层包括基础数据库、历史案例库、预案库、模型库以及资源库。

优选地，所述平台层为功能层提供基础服务的引擎包括交互控制引擎、三维图形引擎、并行仿真引擎以及辅助决策引擎。

优选地，各功能模块实现的功能包括模拟仿真功能、场景脚本控制功能、效果评判评估功能、过程回访功能、三维场景展示功能、过程数字化功能、过程控制展示功能以及知识规则管理功能。

优选地，所述铁路供电训练系统的功能模块包括电子沙盘模块、基础知识学习模块、模拟仿真训练模块、在线考试模块和退出模块。

优选地，所述电子沙盘模块包括电子沙盘加载模块、建筑查询模块、全屏显示模块、快速查询模块、电子沙盘退出模块、特定路线浏览模块、行走模式模块、飞行模式模块、背景音乐控制模块、浏览速度控制模块、立体显示模块和天气系统模块。

优选地，所述基础知识学习模块包括安全工作标准学习模块、牵引供电及保护原理学习模块和/或变电所工作流程学习模块。

优选地，所述模拟仿真训练模块包括供电网断线仿真模拟模块和/或综合模拟训练模块；所述综合训练模块是基于多工种联合训练的模块，且该综合训练模块包括以下中的一者或多者：计算机联锁红光带训练模块、计算机联锁停电模块、道岔故障训练模块、信号不开放训练模块、鱼尾板折断训练模块、线路水灾训练模块、线路塌方训练模块、列车分离训练模块、列车脱线训练模块和接触网断线训练模块。

本发明的有益效果是：本发明采用先进的计算机虚拟现实技术和信息数字化技术，对电气化铁路综合自动化系统中牵引供电部分—供电接触网的构成与设备组成、运行原理与维护操作、故障原理及现象与应急抢修作业过程等进行三维模拟展示，训练学员通过人机交互的方式在三维场景中进行直观、形象的学习，同时系统配置训练考核、评价子系统，具备丰富的训练考核场景题库，训练学员通过人机交互对三维场景中对设备进行操作维护，对故障进行辨别、处置，系统通过模拟仿真对学员的操作维护、应急处置结果进行判定和评估。该系统通过反复的自沉浸学习、训练、考核可有效提高学员对供电触网的相关知识掌握程度，对供电触网的相关设备的操作技能，对突发故障的发现判别和应急处置的能力。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明所述的基于虚拟现实的铁路供电训练系统的结构示意图。

图2是本发明所述铁路供电训练系统的功能结构示意图。

图3是本发明实施方式中供电网断线的抢修流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本实施方式提供了一种基于虚拟现实的铁路供电训练系统，如图1所示，包括：基础层，用于提供基于虚拟现实的网络环境和硬件设备；数据层，用于提供铁路供电训练系统运行所需的数据；平台层，用于为功能层提供基础服务的引擎；功能层，用于构成所述铁路供电训练系统的各功能模块，且使各功能模块通过调用平台层提供的引擎和数据层提供的数据，实现相应的功能；以及应用层，用于基于虚拟现实技术和所述铁路供电训练系统的各功能模块进行虚拟训练。

本实施方式中，所述基础层提供的网络环境是分布式的基于并行仿真的虚拟现实的网络环境，所述基础层提供的硬件设备包括图形服务器、数据库服务器、模型库服务器、应用服务器、大屏控制台、投影大屏、训练想定工作台和/或人机交互训练工作站。

其中，在后台，各功能服务器、数据服务器以及基于RTI的并行仿真系统提供了强大的虚拟现实仿真环境。在前台，教员在训练想定工作台上可以根据需要设定训练的科目、三维场景和故障种类，控制训练的进程；训练学员交互训练除通过计算机通用外设鼠标、键盘外，还可通过3D眼镜、感应手套等虚拟外设在人机交互训练工作台上进行沉浸学习和交互训练；人机交互训练工作台显示受训中需操作的局部场景，投影大屏中显示整个供电接触网的大场景以及虚拟的现场状况。

所述数据层是系统完成功能所需的所有数据源，包括基础数据库、历史案例库、预案库、模型库以及资源库。

所述平台层是为所述功能层提供基础服务的引擎，包括交互控制引擎、三维图形引擎、并行仿真引擎以及辅助决策引擎。

所述功能层上，各功能模块实现的功能包括模拟仿真功能、场景脚本控制功能、效果评判评估功能、过程回访功能、三维场景展示功能、过程数字化功能、过程控制展示功能以及知识规则管理功能。

该铁路供电训练系统的各个功能通过显示在前台界面的功能模块来体现，如图2所示，主要包括电子沙盘模块、基础知识学习模块、模拟仿真训练模块、在线考试模块和退出模块。下面重点介绍在前台界面显示的这五个功能模块。

一、电子沙盘模块

所述电子沙盘模块包括电子沙盘加载模块、建筑查询模块、全屏显示模块、快速查询模块、电子沙盘退出模块、特定路线浏览模块、行走模式模块、飞行模式模块、背景音乐控制模块、浏览速度控制模块、立体显示模块和天气系统模块。

电子沙盘模块结合虚拟现实技术，特别是立体显示技术，可以使各种模拟器的仿真更加逼真，并结合相应软硬件系统在平面显示器上显示立体视景。

二、基础知识学习模块

该模块具有针对学员学习车务理论基础知识学习的功能，主要有上传进度、载入进度、帮助、返回、快速查询及学习内容的功能模块。

1、上传进度：该功能主要是实现学员学完一个阶段后保存学习进度的功能。

2、载入进度：该功能主要是实现学员载入上次学习进度的功能。

3、帮助：该功能主要实现对学员操作软件的帮助功能。

4、返回：该功能主要实现学员返回欢迎界面的功能。

5、快速查询：该功能主要实现学员对学习内容快速查询的目的。

6、学习内容：此模块主要是安全教育为主为加强和规范铁路技术规章制度的管理工作，增强学员按章办事的意识，促进学员对各种规章制度的学习和理解。

所述基础知识学习模块包括安全工作标准学习模块、牵引供电及保护原理学习模块和/或变电所工作流程学习模块。

其中，所述牵引供电及保护原理学习模块通过学员对牵引供电网的构成，原理，表示意义的掌握。为学员训练提供所需要的“实时”设备数据。在训练中，学员通过该功能接收到需要轨道电路的快速了解，然后能够运用到实际当中。其还进一步包括一些学习模块，如吊弦、软横跨、中心锚结、电连接、补偿装置、绝缘锚段关节、非绝缘锚段关节、分段绝缘器、分相绝缘器、线岔、腕臂、绝缘子、定位器、支柱、隔离开关、附加导线、接地装置、支柱、拉线、横担、负荷开关(隔离开关)、避雷器、远动真空负荷开关、投光灯塔(桥)、断路器、互感器、低压屏、直流系统、端子箱、避雷器、避雷针、接地放电装置、电缆连接部分、电气连接部分等。

三、模拟仿真训练模块

所述模拟仿真训练模块主要包括供电网断线仿真模拟模块和/或综合模拟训练模块，其余一些基础功能模块，如上传进度、帮助等同所述基础知识学习模块一致。

1、供电网断线仿真模块

该功能模块主要依托模拟仿真系统，模拟场景再现供电网断线故障仿真训练。

事故抢修流程图如图3所示，具体的步骤及作业内容参见表1。

表1

2、综合训练模块。

所述综合训练模块是基于多工种联合训练的模块，其功能通过十个常见的跟不常见的模拟场景来培训学员，在各个场景中学员通过角色扮演处理各种意外情况的发生，从而掌握各种情况下的正确处理方法。

主要有以下训练模块中的一者或多者：

1)计算机联锁红光带；

2)计算机联锁停电；

3)道岔故障；

4)信号机不能开放；

5)鱼尾板折断；

6)线路水灾；

7)线路塌方；

8)列车分离；

9)列车脱线；

10)接触网断线。

可知，该综合训练模块基于多工种联合训练，可以在模拟发生事故之后，多个部门多个工种一起协同处理事故的模拟训练。

四、在线考试模块

在线考试模块对应的学员考核子界面是在学员选择考核后，所看到的界面。界面包含“考试”、“查分”、“返回”三个模块。

1、考试模块

该功能通过系统内置的在线考试模块，为学员提供一套完整的考核机制。学员在规定的时间内完成考核内容后提交答卷。

2、查分模块：

该功能通过系统内置的查询模块，为学员快速查询考试结果提供方便。

3、返回模块

返回按钮用于返回到上一级菜单，点击即可。

五、退出模块

该功能模块是方便学员学习或训练完退出系统而设定的，点击退出模块后系统将会退出。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于虚拟现实的铁路供电训练系统，其特征在于，包括：

基础层，用于提供基于虚拟现实的网络环境和硬件设备；

数据层，用于提供铁路供电训练系统运行所需的数据；

平台层，用于为功能层提供基础服务的引擎；

功能层，用于构成所述铁路供电训练系统的各功能模块，且使各功能模块通过调用平台层提供的引擎和数据层提供的数据，实现相应的功能；以及

应用层，用于基于虚拟现实技术和所述铁路供电训练系统的各功能模块进行虚拟训练。

2.根据权利要求1所述的铁路供电训练系统，其特征在于，所述基础层提供的网络环境是分布式的基于并行仿真的虚拟现实的网络环境。

3.根据权利要求1所述的铁路供电训练系统，其特征在于，所述基础层提供的硬件设备包括图形服务器、数据库服务器、模型库服务器、应用服务器、大屏控制台、投影大屏、训练想定工作台和/或人机交互训练工作站。

4.根据权利要求1所述的铁路供电训练系统，其特征在于，所述数据层包括基础数据库、历史案例库、预案库、模型库以及资源库。

5.根据权利要求1所述的铁路供电训练系统，其特征在于，所述平台层为功能层提供基础服务的引擎包括交互控制引擎、三维图形引擎、并行仿真引擎以及辅助决策引擎。

6.根据权利要求1所述的铁路供电训练系统，其特征在于，各功能模块实现的功能包括模拟仿真功能、场景脚本控制功能、效果评判评估功能、过程回访功能、三维场景展示功能、过程数字化功能、过程控制展示功能以及知识规则管理功能。

7.根据权利要求1至6中任一所述的铁路供电训练系统，其特征在于，所述铁路供电训练系统的功能模块包括电子沙盘模块、基础知识学习模块、模拟仿真训练模块、在线考试模块和退出模块。

8.根据权利要求7所述的铁路供电训练系统，其特征在于，所述电子沙盘模块包括电子沙盘加载模块、建筑查询模块、全屏显示模块、快速查询模块、电子沙盘退出模块、特定路线浏览模块、行走模式模块、飞行模式模块、背景音乐控制模块、浏览速度控制模块、立体显示模块和天气系统模块。

9.根据权利要求7所述的铁路供电训练系统，其特征在于，所述基础知识学习模块包括安全工作标准学习模块、牵引供电及保护原理学习模块和/或变电所工作流程学习模块。

10.根据权利要求7所述的铁路供电训练系统，其特征在于，所述模拟仿真训练模块包括供电网断线仿真模拟模块和/或综合模拟训练模块；所述综合模拟训练模块是基于多工种联合训练的模块，且该综合训练模块包括以下中的一者或多者：计算机联锁红光带训练模块、计算机联锁停电模块、道岔故障训练模块、信号不开放训练模块、鱼尾板折断训练模块、线路水灾训练模块、线路塌方训练模块、列车分离训练模块、列车脱线训练模块和接触网断线训练模块。