CN111862710A - 一种用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统，所述仿真教学系统由网络、交换机、系统控制工控机、PLC控制器、仿真系统工控机、显示终端总成；所述仿真系统工控机，用于建立虚拟仿真平台，所述虚拟仿真平台至少包括机车轮对仿真模型、检修设备仿真模型、检修平台仿真模型、实验房间仿真模型、轮对实验室仿真模型、检修设备仿真模型，以展示可视化的轮对检测三维场景，并将所述轮对检测三维场景展现到对应的显示终端以供用户操作。本发明实施例能够在学校教学或者使用方培训中，通过仿真系统直观的、详细的讲解轮对检测技术和列车转向架的详细组成，使学员快速的掌握和应用。

Description

一种用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统

技术领域

本发明涉及铁路实验技术领域，尤其是涉及一种用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统。

背景技术

目前，轮对受电弓在线检测技术是一种用于电客车领域的检测方案，应用于站点或车辆段(停车场)，其通过使用非接触式测量以在线检测方式获得轮对受电弓的各项参数。车载轮对受电弓检测技术是应用于电客车领域非接触式检测的方案，原理是使用非接触式测量对列车轮对和受电弓进行实时检测。而手持式轮对轮对受电弓检测技术则是应用于电客车领域非接触式检测的方案，这种方案需要在车库中人工手持设备对轮对受电弓进行测量，通过相机和激光进行测量获得相关参数。但是，本发明的发明人在对现有技术的研究中发现，上述的检测方案都限制于现场应用，而不能适用于学校的教学活动，有鉴于此，有必要研发一种可供教学和学习的仿真教学系统，以帮助学生掌握轮对检测技术的知识。

发明内容

本发明提供了一种用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统，能够在学校教学或者使用方培训中，通过仿真系统直观的、详细的讲解轮对检测技术和列车转向架的详细组成，使学员快速的掌握和应用。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统，所述仿真教学系统由网络、交换机、系统控制工控机、PLC控制器、仿真系统工控机、显示终端总成；

所述仿真系统工控机，用于建立虚拟仿真平台，所述虚拟仿真平台至少包括机车轮对仿真模型、检修设备仿真模型、检修平台仿真模型、实验房间仿真模型、轮对实验室仿真模型、检修设备仿真模型，以展示可视化的轮对检测三维场景，并将所述轮对检测三维场景展现到对应的显示终端以供用户操作。

在本发明的其中一种实施例中，在所述虚拟仿真平台中，将所有轨行区安装的结构件按照预设的轨数、预设的整体道床标高度进行尺寸设计和匹配；其中，轨行区安装的轮对结构件包括：N999直径检测系统、轴温检测系统、车号识别系统。

在本发明的其中一种实施例中，在所述N999直径检测系统中的N999分轨道的左右两侧各自布设2套第一检测模组，其中，每个轮对应使用一套所述第一检测模组检测，所述第一检测模组的盖板采用透明板。

在本发明的其中一种实施例中，在所述轴温检测系统中的轴温箱轨道的左右两侧各自布设1套第二检测模组，所述第二检测模组的盖板采用透明板。

在本发明的其中一种实施例中，在所述车号识别系统中，借助轴温触发磁钢触发拍照得到车号，并将所述车号靠近安装所述轴温检测系统的轴温模组。

在本发明的其中一种实施例中，所述仿真教学系统的调试步骤包括：

在电气柜上点击启动按钮以使列车开始启动；

当检测到来车磁钢触发后，PLC向dps通知来车，所述dps通知子系统来车，同时所述PLC打开系统补光灯以及所有激光设备；

在检测到车轮到达N999上方后，触发2#/4#磁钢以使车轮呈现出多线激光图案；

在车轮触发3#磁钢的同时触发车号相机以采集图像；

所述仿真教学系统在收到来车信号后，开始启动行车动画，并播放设备检测仿真教学；所述仿真教学系统在收到离车信号后，仿真系统开始展示车轮数据检测报告和图片；所述仿真教学系统在收到临时停车信号则控制仿真系统的页面暂停；所述仿真教学系统在收到逆向行车信号时播放逆向行车动画。

相比于现有技术，本发明实施例提供了一种用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统，所述仿真教学系统由网络、交换机、系统控制工控机、PLC控制器、仿真系统工控机、显示终端总成；所述仿真系统工控机，用于建立虚拟仿真平台，所述虚拟仿真平台至少包括机车轮对仿真模型、检修设备仿真模型、检修平台仿真模型、实验房间仿真模型、轮对实验室仿真模型、检修设备仿真模型，以展示可视化的轮对检测三维场景，并将所述轮对检测三维场景展现到对应的显示终端以供用户操作。在学校教学或者使用方培训中运行该仿真教学系统，能够直观的、详细的讲解轮对检测技术和列车转向架的详细组成，有利于学员快速的掌握和应用。

附图说明

图1是本发明实施例中的用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中的用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统的在线教学平台原理图；

图3是本发明实施例中的用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统的程序描述原理图；

图4a～4b是本发明实施例中的用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统的软件程序设计中的硬件联动的逻辑功能图；

图5是本发明实施例中的用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统的软件程序设计中的动画模拟详细设计的逻辑功能图；

图6是本发明实施例中的用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统的软件程序设计中的静态拆解详细设计的逻辑功能图；

图7a～7c是本发明实施例中的用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统的软件程序设计中的静态拆解详细设计的逻辑功能图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本发明实施例提供了一种用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统，所述仿真教学系统由网络、交换机、系统控制工控机、PLC控制器、仿真系统工控机、显示终端总成；

所述仿真系统工控机，用于建立虚拟仿真平台，所述虚拟仿真平台至少包括机车轮对仿真模型、检修设备仿真模型、检修平台仿真模型、实验房间仿真模型、轮对实验室仿真模型、检修设备仿真模型，以展示可视化的轮对检测三维场景，并将所述轮对检测三维场景展现到对应的显示终端以供用户操作。

以下对本发明的仿真教学系统的构建进行详细说明：

一、安装要求

(一)结构件

在本发明中，结构件总的要求是满足安装维护便捷性原则，按模块化设计，考虑快速部署及调测便捷性；原则上要能满足现场实际环境。

1、所有轨行区安装的结构件，统一按照50轨、整体道床标高-0.265米进行尺寸设计和匹配。

2、轨行区安装的轮对结构件包括以下系统：N999直径检测系统、轴温检测系统、车号识别系统。

3、N999分轨道左右共布设4套检测模组，每个轮使用一套检测模组进行检测，其中，检测模组盖板使用透明板。

4、轴温箱在轨道左右各布设一套模组，同样的，模组盖板使用透明板。

5、磁钢部署5个，来车与补光灯1个，离车1个，N999触发2个，轴温与车号采集触发1个。

6、部分重要零件回厂前必须输出装配图，在现场安装前必须输出现场勘测后的设备布局图、安装技术要求及图纸。

7、车号借助轴温触发磁钢触发拍照，车号安装位置在轴温模组附近。

8、轨道两端要有限位装置。

9、正向行车检测，逆向行车不检测。

(二)电气设计

1、电气柜规格600mmX700mmX2000mm。

2、有三合一显示器，方便设备维护调试。

3、所有电缆屏蔽层必须接地。

4、精密设备由电池包直流供电。

5、所有相机数据传输网线必须预制锁紧螺丝，放松防脱。

6、各种工控机都要有标签，机箱要有标号，机柜及工控机都要有名牌信息。工控机(2台)铭牌打印：系统控制工控机，仿真演示工控机。

7、系统加个急停开关，急停按下后，系统所有硬件动作全部中断。

8、车速控制在1～2km。

9、正向行车启动检测，逆向行车不检测。

10、所有相机采用直流供电，不使用POE供电。

11、电气控制柜增加“启动按钮”和“返回按钮”。

12、电气控制柜要有“故障指示灯”，磁钢异常或UPS市电断开电池供电时需要打亮故障指示灯。

13、电气控制柜上按钮和指示灯清单：启动、返回、急停、故障指示灯。

1.3、软件设计

软件的部署清单示例如下：

1、dps(数据处理中心)

2、app_mvs_dia(直径算法)

3、app_mvs_ms(尺寸算法)

4、app_tds_tns(车号采集)

5、PLC(轴温通讯)

6、app_fzxt(仿真系统)

二、调试要求

在本发明的其中一种实施例中，所述仿真教学系统的调试步骤包括：

在电气柜上点击启动按钮以使列车开始启动；

当检测到来车磁钢触发后，PLC向dps通知来车，所述dps通知子系统来车，同时所述PLC打开系统补光灯以及所有激光设备；

在检测到车轮到达N999上方后，触发2#/4#磁钢以使车轮呈现出多线激光图案；

在车轮触发3#磁钢的同时触发车号相机以采集图像；

所述仿真教学系统在收到来车信号后，开始启动行车动画，并播放设备检测仿真教学；所述仿真教学系统在收到离车信号后，仿真系统开始展示车轮数据检测报告和图片；所述仿真教学系统在收到临时停车信号则控制仿真系统的页面暂停；所述仿真教学系统在收到逆向行车信号时播放逆向行车动画。

作为示例性的，调试要求具体如下：

1、电气柜上点击启动按钮，列车开始启动。

2、来车磁钢(亮灯)触发后PLC通知dps来车，dps通知子系统来车。PLC打开系统补光灯以及所有激光设备。

3、车轮到达N999上方后，触发2#/4#磁钢(亮灯)，轮子上能呈现出多线激光图案。

4、车轮触发3#磁钢(亮灯)，轴温箱体上方车轴上可以看到激光点，同时触发车号相机采图。

5、磁钢亮灯动作客户需要很容易感知到。

6、磁钢5(亮灯)触发1次后离车。

7、仿真系统收到来车信号后，开始启动行车动画，并播放设备检测仿真教学；仿真系统收到离车信号后，仿真系统开始展示车轮数据检测报告和图片。仿真系统收到临时停车信号则仿真系统页面暂停。仿真系统收到逆向行车信号播放逆向行车动画。

数据呈现内容：

1)车号

2)环境温度

3)行车速度

4)1-1轮,1-2轮，2-1轮，2-2轮的直径、轮缘高、轮缘厚、轴温数据和图片

8、所有仿真动画需要在大屏幕中呈现。

9、UPS市电断开，plc需要通知dps关机，dps广播信号给mds关机。

10、通过dps的pvi通讯页面，能查询到来车状态、离车状态、plc的环境温度、左右轴温度数据、UPS(电压、电池状态)、行车方向(0正向，1逆向)、所有磁钢计数、所有磁钢电源状态(0正常，1异常)、临时停车状态(默认0，1急停)。来车时候所有数据能清零。

11、点击控制柜启动按钮，则转向架从轨道左侧起点开到轨道右侧终点自动停车。离车后，补光灯熄灭，所有激光熄灭。

12、点击控制柜返回按钮，则转向架从轨道右侧起点开到轨道左侧终点自动停车，所有硬件不能工作。PLC通知dps逆向行车信号，dps通知仿真系统列车返回。

13、转向架处在启动位置和停车位置时候，不允许自由晃动导致压到任何磁钢。

14、当没有按下启动按钮时候，转向架不允许在轨道上滑动，用手也无法推动。

15、按下启动按钮后，列车行进过程中“返回按钮”无效。列车行进过程中，如果按下“急停按钮”则列车停车，plc通知dps临时停车，dps广播给子系统临时停车，仿真系统页面动画冻结。

16、按下急停按钮后，如果再次按下返回按钮”，则列车返回，系统50秒超时离车。

17、列车启动后，如果离车磁钢无法触发，则系统50秒(来车时开始统计)超时完成离车。

18、所有工控机每天晚上23点定时关机。Dps页面顶部“子系统工控机控制”菜单下可以在30秒内一键关闭所有工控机。

19、未按下控制柜“启动按钮”，则任何磁钢触发都不能导致硬件动作。

三、软件要求

(一)软件建模详细设计

1、任务和目标

以现实中机车轮对设备和检修过程为参考，建设虚拟仿真平台。使用Maya或者3DAX等建模工具制作机车轮对、检修设备、检修平台、实验房间等，调制模型材质和贴图，还原轮对质感和颜色。

采用Unity3D游戏引擎，导入轮对模型，并在虚拟环境中搭建轮对实验室。

借助Unity3D的UGUI系统，导入轮对教学图片、文字、视频等素材，编辑教学课件。

使用Unity3D的动画系统实现机车轮对和检修设备的动作过程。

其中，机车轮对、实验设备等模型以真实模型为蓝本，外观、尺寸、机械结构与真实设备一致；使教学课件图文并茂，辅以UI动画，语音、光电特效等展示教学内容；仿真实验平台以现实中实验为参考，还原轮对检测实验中，轮对状态、轮对检测节点，相关数据，检测设备动作，检测设备灯光以及声音等。

2、需求概述

为学员提供机车轮对检测虚拟实验平台，包括轮对拆解模块，轮对检测教学课程内容，轮对检修硬件联动。

轮对模型要求不低于30,000面，贴图不低于500张。轮对模型机械结构动画过程符合机械原理，机械结构吻合无穿透。

轮对拆分实验模块命名【静态拆解】，有操作说明，轮对组件模块正确，拆解过程操作简单，操作视野可旋转放大，选择部件设备组件高亮提示。

教学课件模块命名【动画模拟】，动画模拟分为教学和考核两个部分。教学以图片、文字、声音等多媒体配合模型动画组成教学课件，教学内容为轮对检测的各个环节，每个检测步骤支持回放。考核内容是轮对检测各个环节的知识点，考核题为选择题，答题后系统自动判断正确与错误，所以题目完成后系统评分。

仿真实验模块命名【硬件联动】，模型动画配合图片、文字、声音等模拟轮对检测过程，以DSP信号为触发命令，触发设备动画，要求设备动画与硬件设备动作一致，辅以图片与文字解说，展示轮对检测中的重点知识和细节视角。

3、详细设计方法和工具

模型制作：工具Autodesk Maya2018，素材来源照片、视频和CAD图纸，以CAD为数据标准制作模型，以照片为参考制作模型材质贴图，以视频资料为依据制作设备动画和特效；模型贴图格式JPG，PNG。轮对模型整体不少于30,000面，部件不超过3000面。

仿真平台：工具Unity3D 2017.3.1导入FBX模型和贴图。使用C#脚本控制模型动画，控制业务流程，UGUI系统框架。

(二)程序描述

如图3所示，机车轮对在线教学平台分为3个模块，分别是【硬件联动】、【动画模拟】、【静态拆解】。

1、硬件联动详细设计

1.1、逻辑功能如图4a～4b所示

程序启动进入初始界面，点击【硬件联动】加载硬件联动页面；等待DSP数据，解析数据，根据命令执行对应脚本、动画和特效。

2动画模拟详细设计

2.1逻辑功能如图5所示

程序启动进入初始界面，点击【动画模拟】加载动画课件页面；课程有踏面尺寸检测展示模块、轮对直径检测模块、轮对轴温车号检测模块、人工检测展示模块、模拟过车模块，选择课程右边分为教学、考试两个模式。选择模式加载对应课程内容

3、静态拆解详细设计

3.1逻辑功能如图6所示

程序启动进入初始界面，点击【静态拆解】加载静态拆解页面；静态拆解页面加载后开始操作说明，模块有【自动拆分】、【重置场景】、【返回】三个按钮。

(三)仿真教学系统的联动工作流程

1、plc通知dps的数据清单：来车、离车、逆向行车、PLC心跳、最高车速、最低车速、环境温度、1-1轴温度、1-2轴温度、2-1轴温度、2-2轴温度，1～5#磁钢计数，1～5#磁钢电源状态(0正常，1异常)，UPS电压，UPS电池状态(0市电，1电池供电)，设备故障信息.

2、直径子系统收到离车信号后，上送直径数据和直径图片给dps。

3、尺寸子系统收到离车信号后，上送轮缘高、轮缘厚数据和尺寸拟合图片给dps。

4、车号子系统在离车前将车号数据和图片发送给dps。

5、仿真系统页面数据为教学仿真静态数据，除了信号正常交互外(来车、离车、逆向行车、临时停车)，数据不进行交互。

6、工控机采用windows 7系统。

(四)功能清单及目标要求

1、检测项功能清单，如表1所示

表1检测项功能清单

(五)项目方案

1、总体布局

请参见图7a～7c，其为系统总体布局平视和俯视图、转向架尺寸图，以此设备作为铁路机车轮对在线教学设备，旨在降低教学难度、提高教学效率，轻化教学内容，便捷教学。同时以软件和硬件联动、动画模拟仿真等方式呈现教学内容，具有细化教学难点，直观形象，图文并茂等特点。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于铁路机车轮对参数检测的仿真教学系统，其特征在于，所述仿真教学系统由网络、交换机、系统控制工控机、PLC控制器、仿真系统工控机、显示终端总成；

所述仿真系统工控机，用于建立虚拟仿真平台，所述虚拟仿真平台至少包括机车轮对仿真模型、检修设备仿真模型、检修平台仿真模型、实验房间仿真模型、轮对实验室仿真模型、检修设备仿真模型，以展示可视化的轮对检测三维场景，并将所述轮对检测三维场景展现到对应的显示终端以供用户操作。

2.如权利要求1所述的仿真教学系统，其特征在于，在所述虚拟仿真平台中，将所有轨行区安装的结构件按照预设的轨数、预设的整体道床标高度进行尺寸设计和匹配；其中，轨行区安装的轮对结构件包括：N999直径检测系统、轴温检测系统、车号识别系统。

3.如权利要求2所述的仿真教学系统，其特征在于，在所述N999直径检测系统中的N999分轨道的左右两侧各自布设2套第一检测模组，其中，每个轮对应使用一套所述第一检测模组检测，所述第一检测模组的盖板采用透明板。

4.如权利要求2所述的仿真教学系统，其特征在于，在所述轴温检测系统中的轴温箱轨道的左右两侧各自布设1套第二检测模组，所述第二检测模组的盖板采用透明板。

5.如权利要求2或4所述的仿真教学系统，其特征在于，在所述车号识别系统中，借助轴温触发磁钢触发拍照得到车号，并将所述车号靠近安装所述轴温检测系统的轴温模组。

6.如权利要求2所述的仿真教学系统，其特征在于，所述仿真教学系统的调试步骤包括：

在电气柜上点击启动按钮以使列车开始启动；

当检测到来车磁钢触发后，PLC向dps通知来车，所述dps通知子系统来车，同时所述PLC打开系统补光灯以及所有激光设备；

在检测到车轮到达N999上方后，触发2#/4#磁钢以使车轮呈现出多线激光图案；

在车轮触发3#磁钢的同时触发车号相机以采集图像；

所述仿真教学系统在收到来车信号后，开始启动行车动画，并播放设备检测仿真教学；所述仿真教学系统在收到离车信号后，仿真系统开始展示车轮数据检测报告和图片；所述仿真教学系统在收到临时停车信号则控制仿真系统的页面暂停；所述仿真教学系统在收到逆向行车信号时播放逆向行车动画。

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