高铁行车调度指挥虚拟仿真实验平台及其应用

刘辉

中国铁路南昌局集团有限公司调度所，江西南昌 330000

摘要：为贯彻落实《铁路安全管理条例》《铁路技术管理规程》等法规标准，针对高铁行车调度指挥岗位任职需要，结合高铁运输组织和管理模式，开发高铁行车调度指挥虚拟仿真实验平台。平台采用模块化设计，将高铁行车调度指挥工作流程、行车组织方案设计、运输生产调度计划制定、运输组织方案实施、运输生产调度组织与分析等内容融入其中，形成集“实验仿真+业务培训+考核评价”为一体的多层次体系。该平台可实现高铁行车调度指挥岗位能力培养，将进一步提升铁路运输专业人才培养质量。

关键词：高速铁路；行车调度指挥；虚拟仿真实验

最近十多年，中国的高铁取得了前所未有的快速发展，2019年末，中国的高铁运营里程已经超过了13.9万公里，其中，动车组3.5万公里。目前，中国高铁在装备制造和工程建设等领域的技术水平日益完善，但是在人才的培训上仍然存在一定的压力和问题，所以，在培训上，中国高铁还必须加强对营运和经营人员的培训，以增强中国高铁的核心竞争能力。

1.研究背景

由于高速铁路交通组织工作具有大规模、高风险性等特征，现有研究成果很难对高速铁路交通组织工作的实际情况进行模拟，从而造成了学员对高速铁路交通组织工作的感受不直接，无法与实际工作情境相融合。2000年左右，一些研究人员已经开发出了列车运行控制和车站技术操作的模拟试验系统。但是以上所讨论的火车行驶模拟都是利用电脑视窗及绘图技术进行，只能达到两个平面的效果。进入21世纪后，国内外许多学者开始致力于建立高速铁路列车开行方案和列车开行方案的模拟系统。然而，在高铁网络规模持续变动的背景下，现有模型对高铁运行过程模拟的线站尺度、线站尺度等方面存在一定的局限性，无法充分体现高铁运行过程的复杂性[1]。研制高速铁路运输调度与指挥系统虚拟模拟试验平台（“实验平台”），旨在对高速铁路运输调度与指挥系统进行高逼真模拟，并对多个工作单元进行联合排练。所以，以虚实结合的可视化思想为基础来完成软件研发和半实地仿真系统的搭建，并使用管控一体的控制和通信技术来实现软件驱动硬件，对高铁行车调度指挥环境全貌和操作全过程进行了高度的还原，从而对铁路运营管理人才的实践能力进行了有效的支持。

2.平台设计

平台以高铁调度指挥业务工作流程为主线，将相关业务知识融入到实际业务流程中，并将理论与实践相结合，培养高铁行车调度指挥岗位的岗位能力。平台可根据学员需求制定不同的培训课程，学员可根据自身实际情况选择学习相应的课程，以提高培训效果。平台主要由5个部分组成：虚拟仿真资源库、业务知识模块、仿真应用模块、综合考核模块、成绩管理模块。其中，虚拟仿真资源库包含行车作业设备模型库、行车作业流程模型库和应急预案模型库等3个模型库；业务知识模块包含高铁安全管理、运输计划编制与分析等2个模型库；仿真应用模块包含综合演练、案例分析和实操演练3个模型库；成绩管理模块包括理论考试和上机考试两种成绩管理方式。

3.平台的总体架构

平台采用B/S结构，应用 MVC设计模式，以浏览器/服务器模式实现系统的功能，其中用户界面主要是用户登录、浏览、操作、管理等功能，而后台系统则是业务数据的管理、查询、维护等功能。平台的数据库采用 Oracle作为后台数据库，为保证系统的稳定性，在开发过程中进行了多套数据存储方案的对比选择，最终采用了分布式数据库。平台采用基于J2EE架构的B/S模式，利用Java作为开发语言，Web Service技术将后台数据库和前端页面进行了无缝对接。用户只需要通过浏览器即可访问后台数据库和相应的页面。实验平台的系统结构如图 1 所示。

图1 系统结构图

4.平台的主要功能

4.1 虚拟仿真资源库

平台的基础功能是通过虚拟仿真资源库进行培训。通过将高铁行车调度指挥业务工作流程与实际业务工作流程进行对比，用可视化的方式呈现高铁调度指挥业务的各个环节，并通过动画的方式呈现给学员。

4.2 业务知识模块

平台利用高铁安全管理、运输计划编制与分析等模型，将相关业务知识融入到实际业务流程中，使学员可以在虚拟仿真资源库中了解各专业之间的相互关系，理解高铁调度指挥的工作流程。

4.3 仿真应用模块

平台利用综合演练、案例分析和实操演练3个模型库进行教学培训。综合演练为学员模拟行车调度指挥过程，案例分析为学员模拟解决日常行车工作中遇到的问题，实操演练为学员模拟高铁调度指挥过程。

4.4 成绩管理模块

平台可对学员的理论考试和上机考试成绩进行管理。

5.平台开发

平台基于三维虚拟现实技术，采用UE4渲染引擎进行开发。UE4是一种三维图形引擎，由苹果公司开发。UE4具有低成本、高效率的特性，支持跨平台运行，同时能支持多种操作系统。UE4引擎基于C#语言开发，其优势在于开发效率高、可移植性好、跨平台性强。在使用UE4引擎进行开发时，主要分为两个部分：虚拟环境和物理环境。虚拟环境利用 Unity3D引擎对高铁行车调度指挥工作流程中的各个环节进行建模，并利用场景加载、渲染、动画合成等技术，构建出高铁调度指挥工作的虚拟环境；物理环境是将虚拟环境中的列车运行场景和高铁线路模型转换成物理实体，通过三维立体的方式进行展现。在高铁调度指挥工作流程中，每个环节都是环环相扣、相互制约的。其中列车调度员负责列车运行组织、列车运行图编制与调整等工作；车站值班员负责车站作业计划编制与调整等工作；列车调度员负责列车调度命令发布、行车计划调整与编制、调车作业组织等工作

[2]。基于UE4引擎，采用 Unity3D开发高铁行车调度指挥虚拟仿真平台，能够实现对各环节的操作与控制。在虚拟环境中建立不同的高铁线路模型，并对各个模型进行了光照、材质等属性设置。在场景中布置不同的行车调度命令，同时显示各个行车调度命令的内容。用户通过点击命令按钮即可完成高铁线路上任意地点的移动和操作。

平台基于三维场景开发了虚拟仿真操作界面，包含列车运行图绘制、调车作业组织和行车调度指挥等功能模块。通过对列车运行过程进行模拟，实现了对实际场景中各车站设备布局和环境的模拟；通过对调车作业过程进行模拟，实现了对调车作业组织和行车调度指挥过程的模拟；通过对车站作业过程进行模拟，实现了对车站设备布局和环境的模拟。在虚拟仿真操作界面中，还可以根据不同的教学需要进行场景设置[3]。在虚拟仿真操作界面中，可以设置不同的教学场景；在不同的教学场景中，可以进行不同类型的操作。

平台采用UE4引擎技术进行开发，不仅实现了平台中各模块之间的数据交互和信息共享，还能够实现虚拟仿真场景与物理场景之间数据传输和信息交互。在虚拟仿真操作界面中可以选择不同教学场景，并设置相应的教学内容、教学目标、教学考核和评价标准等。学员可以通过平台界面上显示的交互按钮与虚拟仿真操作界面进行交互操作。在交互过程中若出现错误或异常情况时，系统会给出提示信息。在虚拟仿真操作界面中可以对虚拟仿真操作界面进行设置。

6.结语

该试验平台将突破大型运行环境与流程下铁路营运管理人员培训所面临的试验模拟难题，铁路营运组织实际培训要求下的培训软件开发难题，铁路营运中不同工作类型之间的协作培训与联合演习难题，从而有效提升铁路营运管理人员的实际培训水平。与此同时，以实验平台研究团队的独立原创性和软件独立研发能力为基础，在交流、推广上，实验平台具备了良好的可移植、可扩展和可定制的特性。

参考文献：

[1]罗昊,周磊山,景云.高铁行车调度指挥虚拟仿真实验平台及其应用[J].实验技术与管理,2021,38(10):140-145.

[2]李曲波.高速铁路行车调度指挥安全探讨[J].中国铁路,2016(10):65-67.

[3]任璐. 高速铁路行车调度风险预警系统设计[D].西南交通大学,2016.