接觸網作業仿真教學系統的研究與實現

劉小勇

摘要：接觸網是鐵路架設的一條供電線路，由于電壓等級高等現實條件，在真實接觸網上進行作業訓練操作是不可能的。在虛擬現實背景下，仿真接觸網作業具有重要意義。接觸網作業仿真教學系統既使傳統教學形象化，又將作業規范化，有利于職業素質的培養。文章對接觸網作業仿真系統需求進行了分析，提出了具體的實現方法。典型教學任務包括接觸網漫游與圖紙教學等具體的基本知識的講解，典型教學任務的教學主要通過視頻播放的形式實現。典型作業任務演練的目的是規范接觸網作業流程和提升學生的技術技能，主要通過事件管理等方法實現。文章最后展示了接觸網作業仿真教學系統仿真效果。

關鍵詞：仿真；教學與演練；視頻播放；事件管理

中圖分類號：TP311.1 ?文獻標志碼：A

0 引言

接觸網是在電氣化鐵道中，沿鋼軌上空“之”字形架設的、向電力機車供電的特殊形式的輸電線路［1］。接觸網是鐵路電氣化工程的主構架，它對機車的運行起著重要作用［2］。

接觸網電壓等級高，額定電壓為27.5 kV，長期處于運行狀態，停電用于教學演練或參觀，那是根本不可能的。接觸網作為機車提供動力的專屬設備，結構復雜，零部件多，價格昂貴，建立一段完整的真實接觸網用于學習培訓，往往是不現實的。因此開發一套接觸網作業虛擬仿真教學系統，可以解決一系列現實條件下無法解決的問題。同時高職院校采用仿真教學系統，有利于規范學生的操作流程與行為習慣，對相關專業學生的技術技能的提升將具有重要意義。

1 接觸網仿真教學系統具體需求分析

接觸網作業仿真教學系統旨在實現接觸網作業過程的仿真教學。（1）應該對接觸網現場作業內容進行歸納總結，以便更好地對教學內容進行仿真。（2）為了達到與接觸網現場教學相同的效果，接觸網作業仿真教學系統應對某一段真實接觸網進行三維虛擬仿真。（3）為更方便地實現教學內容的教學，系統應具有教師工作站與學生工作站。

教師工作站主要功能列表應有培訓任務的分配、學員注冊管理與學員成績管理功能、實訓考核管理、考核任務配置管理、考試成績管理、接觸網試題庫管理、接觸網部件配置管理、接觸網零件信息管理、接觸網檢修任務演練管理、接觸網部件組裝演練管理、接觸網多場景加載管理、反饋意見管理、數據庫備份、日志管理、權限管理、系統幫助、授權管理等內容。

學員工作站則具體完成3D仿真教學系統的實現。當學員工作站接收到教師工作站發過來的教學任務后，在本地教學工作站系統中進行具體教學任務的加載，即加載具體的教學演練操作任務。

同時，教師工作站與學員工作站通過通信軟件將仿真平臺中各個仿真系統連接起來，形成既相對獨立又相互聯系的有機整體。

2 接觸網作業仿真教學系統功能框架設計

在接觸網相關課程的分析研究后，本仿真系統設計為15個實訓任務。學員須花費總時長至少為48學時。在每一個實訓任務中，在掌握相應知識后，開展對應知識部分的演練和考核實訓。根據具體教學內容的需要，教學系統分教學模式與演練模式進行，具體教學與演練內容在學生端功能界面下完成。教學模式下主要完成接觸網圖紙教學、接觸網典型線路漫游、接觸網作業流程教學等；演練模型下主要完成接觸網部件認知和部件打散、接觸網工具認知與使用、接觸網常見檢修演練、接觸網常見部件組裝、接觸網故障與搶修、接觸網理論知識考核等。整個接觸網仿真教學功能框架設計如圖1所示。在教學模式下，主要內容有接觸網仿真漫游、接觸網圖紙教學、接觸網作業流程、接觸網常見故障，采用視頻教學的形式進行。演練模式下，可以進行相應的模擬操作，整個系統功能框架如圖1所示。

3 接觸網仿真教學系統的實現

3.1 教師端的實現

系統軟件主要由仿真表現、數據設備單元和邏輯計算機單元組成，教師端充當邏輯計算機單元，負責軟件的啟動、運行和系統退出邏輯管理。軟件啟動時，將完成學生端初始化系統環境、初始化3D運行環境。用戶管理主要負責教師與學生的賬號密碼的添加、修改、刪除與確認。用戶信息管理通過Acess數據庫進行管理。任務分配通過網絡向學生進行發送，也可采用代理服務器（ClientServer）方式，實現教員系統與學員之間通信，教師能監視與控制學生機，對教學任務進行布置，學生機能呼叫教師機。

3.2 學生端教學模式的實現

學生端教學模式主要通過視覺系統、三維仿真效果來實現，學生端教學模式的實現相對來說比較容易，可以通過數學視頻技術，將視頻數據以數字數據的文件進行存儲，當學生進行點擊時，通過事件響應函數，對數據文件通過數字視頻播放器進行播放。該技術視頻效果相對較為清晰，視頻教學模式開發的主要工作集中在視頻的錄制、主要課程的規劃和教學內容的提取。

3.3 演練模式的實現

高速鐵路接觸網作業仿真專家系統演練模式的實現，首先通過采用3D軟件對接觸網設備建立各設備的模型、依據接觸網的結構，采用Visual Studio（以下簡稱VS）的opengl對3D模型進行導入顯示。然后在VS下編寫事件響應程序，實現仿真作業的功能。實現典型任務與工具庫、設備模型庫相關聯，當點擊典型任務時，彈出模型庫、工具庫，通過用戶選擇，完成典型工作任務。在任務中，遇到錯誤或問題，能進行提示和糾正。同時對任務的完成情況、工具、模型進行3D動畫效果展示，讓學員能感受與現場一樣的真實場景效果。

3.4 仿真場景的建立

虛擬現實場景的呈現是三維仿真視景技術建立，數據基礎由三維仿真視景技術建立，同時將地形網格數據生成，其結構表示為：

Struct Terrain

float x，y，z；

float s，t；

float norx，nory，norz；

x，y，z 為模型頂點在三維空間直角坐標。X，Y分別表示水平的兩坐標軸，Z表示垂直的坐標軸，以X、Y軸形成的水平面表示地形橫斷面，Z軸表示地形的縱向深度或者高度［2］。地形數據以二維數組m_Terrain進行表示，數值為250×250，然后應用柏林噪聲方法由水平坐標（x，y）對應自動生成垂直坐標的z值［3］。

3.5 視頻教學的播放

視頻教學內容主要采用視頻播放的形式進行，當單擊各類普鐵接觸網常見故障時，進入到各類普鐵接觸網常見故障視頻播放界面。視頻教學的播放，主要采用Windows Media Player控件來實現，Windows Media Player控件的主要屬性函數的使用方法如表1所示。

視頻播放的函數部分代碼如下：

void PlayDlg：：OnPlay（）

CFileDialog fDlg（TRUE，""，""，OFN_HIDEREADONLVOFN_OVERWRITEPROMPT，"AVI*.avi"，this）;

if（fDlg.DoModal（）==IDOK）

{CString path=fDlg.GetPathName（）;

m_MediaPlay.Open（path）;? //m_MediaPLay為windows media pLayer的實例化對象

}

接觸網作業仿真教學系統在教師端能監視與控制學生機，對教學任務進行布置，學生機能呼叫教師機。學生端可實現全景漫游、故障巡檢、工區漫游、互動教學、成績查看等多項功能。因此，本系統開發須基于網絡模式，可實現多學員同時進行虛擬仿真實訓教學活動。同時平臺突出教學課件和三維系統交互，讓接觸網的每個設備、故障巡檢模式、檢修規程等學習變得生動形象，充分發揮教師制作課件的靈活性和學員學習的積極性。

4 圖像效果展示

建立的3D接觸網零部件模型，可以直觀地向學生展示接觸網結構，其效果如圖2所示。

進入組裝演練界面。部分組裝演練界面如圖3所示。

5 結語

本文針對接觸網作業仿真教學系統需要實現的主要功能，探討了具體實現方法。其實現后能解決接觸網學習者不能在現場接觸接觸網現場設備的難題。同時也為學校與學生提供一個廉價的接觸網學習平臺。同時使用接觸網作業仿真專家系統，有利于規范接觸網學習者的操作流程，養成良好的職業素養。本文設計方案最主要的優點是教學形象具體。高速鐵路接觸網作業仿真專家系統的研究與實現將建設一個與高速鐵路真實接觸網一樣、接觸網學習者能夠身臨其境感受的虛擬場景。在此場景下，教學將形象化、具體化，脫離了枯燥乏味的傳統學習方式。

因此在虛擬現實技術的大背景下，對高速接觸網作業進行虛擬仿真，可以解決一系列現狀條件下難以解決的問題，具有重要意義。

參考文獻

［1］劉煒，李群湛，陳民武.城市軌道交通交直流統一的牽引供電計算電力系統保護與控制［J］.電力系統保護與控制，2010（8）：128-133.

［2］艾媒研究院.2016-2020年中國鐵路運輸行業深度調研與投資戰略規劃分析報告［D］.北京：前瞻產業研究院，2021.

［3］王先兵，張學東，何濤，等.面向管理的三維模型多重段結構轉換算法研究［J］.武漢大學學報，2012（1）：128-131.

［4］NAGATA T， NAKAYAMA H， UTATANI M，et al. A multi-agent approach to power system normal state operations［J］.IEEEE Transactions on Power Delivery，2002（10）：1582-1586.

（編輯 李春燕）

Research and implementation of catenary operation simulation teaching system

Liu? Xiaoyong

（Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou 412001， China）

Abstract： The catenary is a power supply line erected along the railway. Due to the high voltage level， it is impossible to be used for operation training on the real catenary. Under the background of the virtual reality， the simulation of catenary operation is of great significance. The catenary operation simulation teaching system not only visualizes the traditional teaching， but also standardizes the operating regulation， which is advantaged to the cultivation of professional quality. In this paper， after analyzing the requirements of catenary operation simulation system， specific implementation methods are proposed. The main typical teaching tasks mainly include the explanation of specific basic knowledge such as catenary roaming and drawing teaching. The teaching of typical teaching tasks is mainly realized through video playing. The purpose of typical operation task drill is to standardize the operation process of catenary and improve students’ technologies and skills. The typical operation task training is mainly achieved through event management and other methods. At the end of this paper， the simulate effection of catenary operation simulation system is shown.

Key words： simulation; teaching and exercise; video broadcast; event management