捣固车模拟仿真系统的设计与开发

0引言高等职业院校铁道机械化维修技术专业主要面向铁路施工、地方铁路及铁路养路机械生产等企业，培养具备专业知识、基本技能等综合职业能力强、具有良好的职业道德、能够适应铁路等相关企业的发展需求的人才，这些技术人才在生产、管理、服务第一线，从事铁路大型养路机械设备的生产、安装、调试、操作、维护、维修及管理等工作。

捣固车是主要的铁路大型养路机械，但由于其体积大、价格昂贵，在铁路线上操作危险性高，因此其模拟仿真系统的开发和研究显得尤为重要。

1系统概述本系统采用仿真软件与实物操作设备相结合的方式，以仿真设备、影像、图形图像、声音以及可沉浸其中的虚拟现实场景为手段，逼真地再现DCL-32K 型连续式捣固车的操纵界面、操作显示设备、控制逻辑以及线路场景。

系统所有电气、电子、机械、气动、液压系统的逻辑、关联关系与真实捣固车车辆一致，可以全面模拟捣固车车辆在各种运行环境下的运行状况、操作特性，如：标准化作业演练、YZ-1制动机实验演练、区间模拟驾驶演练、出车前检查虚拟仿真演练、非正常情况下行车仿真演练等系统，具有教学指导、教学管理和考核等功能。

整体系统是一种全新、经济实用的大型养路机械实训及考核系统，建设完成后可使学员在轻松、安全的环境下进行大型养路机械的各种学习、训练和考核，可以帮助各号位作业人员学习掌握大型养路捣固车的使用方法及操作技能。

2系统组成2.1系统硬件构成系统硬件主要由前驾驶室司机驾驶台、双通道投影系统、作业操作台、三号～五号工位作业实训终端、数据采集与控制装置、教员终端等六部分组成。

2.1.1前驾驶室司机驾驶台操纵台上布置的按钮、开关、指示灯、手柄、压力仪表、速度表、转速表、八色信号灯等，与真实机车的大小、外观、布局相一致，同时包含作业控制面板（各种仪表、指示灯、开关、按钮等）等必要的设备，且具备与实际机车上一致的显示内容、操作方式、分辨率、颜色、菜单结构、内部逻辑与功能，满足实训需求。

前司机室司机驾驶台作为二号工位，与一号、三号～五号工位作业人员配合进行施工作业演练。

2.1.2作业操作台仿真DCL-32k 型连续式捣固车一号位操作室按1∶1模式设计制造，作业操纵台包含工作控制面板、工作操作面板、气动系统面板、液压系统面板等设备，这些设备的大小、外观、布局、功能与真实DCL-32k 型捣固车上的设备一致。

作业操纵台上布置的按钮、开关、指示灯、液压阀手柄、压力仪表、速度表、转速表等控制按钮与真实机车的大小、外观、布局相一致，且具备与实际机车上一致的显示内容、操作方式、分辨率、颜色、内部逻辑与功能。

模拟作业系统实训演练装置具有真实、直观、灵活、耐用、安全、可靠性等质量保证。

作业演练方案采用捣固车操作台与液晶显示系捣固车模拟仿真系统的设计与开发于凤丽（辽宁轨道交通职业学院，辽宁沈阳110023）摘要：随着高速铁路的不断发展，需要大量从事铁路大型养路机械设备的生产、安装、调试、操作、维护、维修及管理等工作的技术人才，而这些技术人才上岗前必须进行大型养路机械的操作培训。

捣固车作为实践性强、操作标准要求高、设备占用空间大、价格昂贵且在铁路线上操作危险性较高的关键设备之一，采取模拟仿真操作训练显得尤为重要，因此必须进行模拟仿真系统的开发和研究。

关键词：捣固车；模拟仿真；实训系统；标准化作业Agricultural Equipment &TechnologyVol.45№.2Apr .2019第45卷第2期2019年4月农业装备技术统相结合的方式，作业操作台前方安装显示系统，可以实时显示车辆作业的情况，显示内容、设备动作方式与实际车辆一致。

施工作业操纵台作为一号工位，与二号～五号工位作业人员配合进行施工作业演练。

可以通过操作各板件控制各测量装置、捣固装置、起拨道装置、夯拍装置等。

以上前驾驶室司机驾驶台和作业操作台均采用合理的焊接结构；钢或其它足够强度的轻质、阻燃的材料；所有的金属材料表面光滑，无毛刺；不同金属间的连接进行必要的防腐处理；铆接件精确定位并对准，铆钉全部充满铆接孔；设备结构及外观满足强度要求，在正常使用的情况下不会发生任何变形。

2.1.3双通道投影系统投影系统由2台投影机和2套单通道普通投影幕布组成，为学员提供足够的视频、音频信息，方便教师进行教学讲解。

2.1.4三号～五号工位作业实训终端三号～五工号位采用虚拟列车形式，实训人员的操作均能够在计算机上通过键盘和鼠标完成，能够与一号工位、二号工位作业人员配合进行演练，观察各作业装置的作业过程，随时将车外的情况通知给一、二号工位。

其中小车收放车作业时，三、四号工位在车外配合一号位进行收放车作业。

三维场景中车外的各个部分（例如：捣固装置、夯拍器、测量小车、张紧小车）动作方式都与真实车辆相同。

2.1.5数据采集与控制装置用工控机采集与控制，220V交流供电，有输入输出，支持扩展。

内置微机测控及通讯系统，可实现数据采集及输出以、通讯功能。

2.1.6教员终端教员终端设备由一台计算机、两台显示器组成，教员能够通过控制台完成对模拟驾驶系统的维护、成绩评判、任务设置、故障设置、非正常行车设置、编制考核任务、通知学员考试、实时监控等功能。

2.2系统软件构成软件部分主要由车辆运行性能仿真、满足作业装置的动作仿真、CGI线路视景系统仿真、声音仿真、情景化专家引导系统、自动评判系统、教员监控与管理系统等七部分组成。

2.2.1车辆运行性能仿真DCL-32k型连续式捣固车运行性能仿真是仿真实训装置成功与否的关键，大型养路机械作业动力学模型的优劣是决定大型养路机械运行行为仿真性能的关键因素。

系统能够准确真实的仿真捣固车在各种运行环境与运行工况下的运行状况、操纵特性、牵引/制动特性以及其它特性，包括大型养路机械运行仿真、大型养路机械作业动力学仿真、控制逻辑仿真、牵引特性仿真、制动特性仿真等几方面。

2.2.2满足作业装置动作仿真系统能够对作业装置（如捣固装置、起拨道装置、夯实装置等）进行仿真，包括运动方式、动作过程、作业效果，并能够实时响应司机与作业人员的操作，完成相关的施工作业。

2.2.3CGI线路视景系统①线路场景基于计算机成像（CGI）技术构建，以工务数据为基础全三维数字化建模，线路曲线等线路参数与实际一致。

②可模拟大型养路机械能够到达区域内的相关场景，包括轨道、架空线路、轨旁设备、沿线景物、标志性建筑、隧道及内部设备、站台、站房。

③所有场景内容、模拟运行的位置与速度同步并且以原尺寸显示；图像连续、平滑、无跳动。

④可以进行大型养路机械突发事件、不同气候条件的模拟；可在场景中漫游（行走、转身、下蹲），可进行标准化作业实训、YZ-1制动机实验、区间模拟驾驶、出车前检查、非正常情况下行车等相关的操作演练。

⑤可进行远近、左右方向、上下方向视角的调整。

⑥视景系统中包含大型养路机械运行于上述区域的所有景物。

2.2.4声音仿真声音仿真系统为学员提供运行环境的听觉效果，声音仿真系统能够逼真地模仿车辆运行时的声音环境。

声音仿真系统包括车辆外部的声音与车辆内部的声音。

其中，外部的声音包括：大型养路机械在线路上运行的声音、鸣笛声、制动放风声音、周围环境声音以及碰撞障碍物时的声音；内部声音包括：司机操作过程中大型养路机械元件动作声音、GYK显示屏提示声、施工作业时声音、发动机运转的声音、空气制动系统产生的明显声音以及其它必要的环境声音。

2.2.5情景化专家引导系统系统采用“专家引导、学员跟随”的方式，专家系统以引导栏的方式给出操作方法、操作步骤、产生的现象和结果等，学员根据提示进行演练。

引导信息符合有关规章，处理步骤、操作方法与实际作业程序、作业标准、作业规范一致。

系统可对标准化操作步骤逐步评判对错，并给出成绩。

产品具备明确的专家引导模块，并模拟其功农业装备技术AET2019.2能，专家帮助系统能够给出一步一步的引导，能够给出明确的操作内容及操作方法。

2.2.6自动评判系统自动评判系统包含学员操作实时监控记录模块和智能评分模块。

系统能够实时监控、记录演练过程的每一步操作，并对比标准答案自动评定成绩。

2.2.7教员监控与管理系统DCL-32k连续走行捣固车仿真实训系统由教员系统组织训练，并对训练过程进行监控。

教员控制计算机通过网络系统与各功能模块相连。

教员监控与管理系统控制台是整个系统的控制中心，在该控制台上运行系统管理、运行监控、教学与考核等多种教员管理系统软件。

教员主要通过这些软件来实现模拟驾驶系统以及各种作业系统的日常维护与管理、训练及考核过程的管理与监控、操作评价及教学的辅导等功能。

3实训系统功能该实训系统功能强大，包括连续式捣固车标准化作业、YZ-1制动机实验、区间模拟驾驶、出车前检查、非正常情况下行车模拟演练系统，能够满足连续式捣固车司机驾驶作业标准流程等的培训和考核需要。

模拟驾驶系统实训演练装置具有真实、直观、灵活、耐用、安全、可靠性等质量保证。

3.1标准化作业实训演练系统可进行标准化的施工作业演练，一、二号工位实物设备与三、四、五号工位模拟设备相结合，可以通过操作一号工位实物作业台上各板件控制三维场景中的各测量装置、捣固装置、起拨道装置、夯拍装置等。

可在三维场景中观察到捣固装置、夯拍器、测量小车、张紧小车的动作，动作方式与真实车辆相同，测量及设定的数据通过各仪表动态反应出来。

3.2满足各号工位施工作业演练按照大型养路机械设备的工位和号位分布设计实训系统，各号位按照现场作业程序协同配合演练。

3.3YZ-1制动机试验演练在三维环境下，学员通过系统“引导栏”的信息，逐步进行检查和试验，基于对制动机原理的全仿真，可以进行制动机试验的实作演练，符合部颁“制动机试验技术标准”。

系统通过此功能模块，让学员快速、高效的掌握试验的操作步骤、试验现象等，试验的步骤、操作方法、试验现象和结果与实际一致。

系统采用情景化专家引导模式，构建全三维虚拟化的实训环境，学员演练的每一步系统都给予提示和引导，所有引导按照标准的处理流程设计，处理步骤、方法与实际一致。

可以在限定时间内按照作业规范进行出车前检查演练，系统可以实时监控、记录演练过程，并对比标准答案自动评定成绩。

3.4区间模拟驾驶通过模拟驾驶仿真系统的培训，系统按照实际的操作规程，可以满足柴油机的操作、空气制动阀操作、换挡手柄操作、手制动的操纵等驾驶仿真演练。

①系统在仿真设备上，模拟正常的捣固车驾驶操作，包括列车启动、运行、加速、减速、制动全过程的所有步骤。

②系统可实现标准化作业过程逐步评判对错，即按照作业标准、作业程序、作业规范进行评定。

3.5出车前检查虚拟仿真演练按照现场的工作流程，可以按照检查的内容、要求、操作方法等进行仿真演练，例如，行车安全装备检查，润滑油位检查，作业装置、测量装置安全锁定检查，制动转换、车钩及软管连接状态检查，发动机启动后开关、仪表、报警系统检查，制动性能试验，铁鞋及停车防护红牌检查。