图1 BIM资源模型转换模块
Fig.1 The module of the BIM resource translation
我国铁路运营总里程已突破10万千米，铁路线路养护面临巨大压力。有效保证客运专线庞大而复杂的基础设施系统时刻处于健康状态对行车安全至关重要。大型养路机械[1] 包括线路检测机械、线路和道岔修理机械、其他作业机械[2]。大型养路机械的推广和使用，在极大地提高铁路线路养护效率和质量的同时，也在维护、改善我国铁路主要干线的线路质量、提速扩能、保证行车安全等方面发挥着重要作用，获得了良好的技术、经济效益[3]，进而也极大地推动了铁路养护作业体制的变革，使得我国铁路养护作业开始进入大型机械化时代。
目前我国铁路线路非常繁忙，大型养路机械进场、施工、撤出的全过程需在线路“天窗”封锁时间(一般为3 h)内完成, 因此，大型养路机械正常的工作状态、故障解除、应急抢修是维修工作顺利、高效进行的重要保证。大型养路机械在线路上作业时必然会遇到应急抢修事件(如脱线应急抢修、工作装置故障或系统故障应急抢修、路外交通事故应急抢修等)，如果设备故障不能马上排除，则会影响线路按时开通，对运输安全造成较大影响[4]， 因此，为避免造成事故，大型养路机械的应急救援就显得极为重要。目前，救援技术还需进一步完善，应急救援装置还需要深入研究[5]。
国际上多数国家运行线路较短，且运营技术较为成熟，大型养路机械检修过程中出现故障时有足够的时间进行处理。通常采用应急救援方法中的拉复法，将出现故障或掉道的大型养路机械拉复到位后撤离现场。国内各机械工务段针对大型养路机械的运用都有相应的应急抢修管理办法，具体应急演练设备以大型养路机械实物为依托。各大型养路机械运用检修段每年定期开展大型养路机械应急抢修模拟演练来提高操作人员的熟练程度。
应急救援具有突发、偶发的特点，只有通过日常的模拟演练才能促进流程的优化，提高应急救援及指挥人员的应急处置能力[6]。积累应急救援演练的经验，找出应急体系中的弱点，是目前应急体系建设中急需解决的一个问题[7]。当前大型养路机械应急救援的学习模式存在专业人才极其短缺，利用现有正常作业的车辆进行应急演练不经济，以及应急培训内容不全面、培训效果较差等问题。
本文构建了一种能有效解决当前问题的大型养路机械应急抢修模拟演练系统，通过模拟、虚实结合等方式实现了对救援人员的培训。该模拟演练系统在国内外尚无同类产品,国际上许多个大型养路机械研究公司(如奥地利PLASSER、瑞士MATSA、美国HTT等)也均无类似或相近的大型养路机械模拟演练产品。该系统是取代现有培训模式的有效途径，能够经济、有效地培养应急救援人员，使应急救援人员熟练地掌握应急救援技术。
大型养路机械应急抢修模拟演练平台系统能够适应我国铁路系统现状及发展，具有原理教学、操作训练、考核评估、信息管理等功能,可逐步实现从大型养路机械起复及应急演练的应用到多领域的分布式仿真训练。
1.1.1大型养路机械装备知识教学演示功能
采用教员操作演示及学员互动学习等手段，提高大型养路机械装备知识(包括大型养路机械装备基础知识、大型养路机械装备电子电路系统的结构及原理资料等)的教学质量和学习效果。
1.1.2模拟训练、演练功能
利用训练操作台的人机交互，实现大型养路机械使用及抢修的互动仿真操作训练，同时采用图像、声音等手段，确保学员按正确步骤进行操作。在没有指导的情况下，学员也可在系统引导下完成相关的训练活动。
1.1.3模拟考核功能
利用训练操作台的人机交互，模拟真实工作流程，实现应急抢修及相关操作的考核。根据考核过程中相关操作数据进行自动评估，为教员分析评估工作提供数据支持，也可以用于岗位练兵及职业技能评定等方面。
1.1.4理论知识考试功能
本系统可实现在操作台或训练管理服务器上编制积累的考试题库，可人工或自动生成试卷。学员可在训练操作台或其他与服务器联网的终端进行在线考试，系统也可实现自动评分、统计考试结果等辅助管理功能。
1.1.5训练及考核内容编制功能
教员可应用相关权限对训练及考核流程进行修改和完善、预先编制训练计划或考核计划(存储到数据库)，也可在训练考核过程中临时制订训练计划，从而使得系统的内容更加完善，教学训练流程更加科学。
1.1.6自动记录功能
本系统具备自动记录训练考核过程的功能，教练可在训练操作台终端管理训练考核过程，也可在考核后对相关信息记录进行查询分析。系统可随时调阅历史数据，且有关训练考核活动记录及评估数据可集成到大数据系统。
1.1.7电子教材及应用系统集成功能
将相关的电子教材及文件进行统一管理，也可集成其他相关的应用软件系统。拥有使用权限的用户可查阅电子教材，使用集成的系统。
1.1.8系统管理功能
拥有系统管理权限的用户可对系统功能和用户的使用权限进行配置和管理，对系统数据进行管理和维护，确保系统的正常运行及信息安全。
1.2.1平台化特性
系统具备平台化特性：①系统采用浏览器/服务器模式开发，可以适应各类网络浏览器环境，客户端具备桌面应用系统客户端、Web界面客户端；②系统具备可持续发展的能力，在服务器端对训练内容进行管理，客户端通过联网更新资源及升级功能，避免客户端重新部署；③系统具备可集成性，具备集成已有的电子资料、课件等内容并通过训练网络共享的能力；④系统具备分布式网络数据库支持，兼容当前主流企业数据库，可集成为企业大数据系统的组成部分。
1.2.2产品适应性
软件系统能充分发挥硬件的性能，并对高端和低端的配置具有适应性：①3D引擎能充分发挥显卡的加速能力，在较高端的显卡及Windows操作系统能支持DirectX 11，以充分提高视景渲染的效果；②支持主流3D立体投影技术；③至少支持一种国际公认先进的沉浸式及体感虚拟现实设备。
1.2.3技术先进性
目前的建筑信息模型(building information modeling , BIM)系统主要面向设计和规划建设，所产生的模型数据及资源一般只能在设计软件平台内使用，本模拟演练系统研发了环境、设备、设施等BIM模型的转换和优化模块及其管理模块，完善了标准BIM模型库、自适应用户需求的轻量模型库及关联设计数据，从而实现快速轻量化建模。此外，本系统摆脱平台间接口束缚，优化模型资源及数据库，在最大程度逼近实物及真实环境的前提下精简BIM模型结构，实现云端存储，以更好地进行网络化服务，并根据实际生产作业情况的反馈，来更好地反馈到实际模拟演练教学中。BIM资源模型转换模块如图1所示。
图1 BIM资源模型转换模块
Fig.1 The module of the BIM resource translation
本系统采用深度学习技术，实现无人机倾斜摄影模型、地理信息系统(geographic information system，GIS) 信息模型、全息扫描模型的快速轻量化；研究 BIM模型与增强现实(augmented reality,AR)/虚拟现实(virtual reality，VR) /混合现实(mixed reality,MR)底层数据标准，以实现模型之间的无缝转换与对接，构建附带全系统信息的全维度应急起复模拟演练环境。
1.2.4系统可伸缩性
本系统具有适应不同配置成本和部署规模的能力：①数据库服务器、应用服务器系统具有逻辑独立性，可部署到一台服务器或在多台服务器上分别部署；②在普通或低端配置的客户端能降低模拟效果并提高运行速度；③在32位或64位操作系统均能运行；④系统具备虚实结合的能力，研发了半实物设备通用接口协议，系统不仅可以接入半实物设备以提高训练效果，同时在半实物设备不可用的情况下可切换到纯软件来虚拟设备正常演练。
本系统兼容目前的网络，能部署于广域网或因特网，不需要进行网络改造即可实施系统，网络协议基于TCP/IP，安全通信的数据内容采用IPSec、安全套接层(secure sockets layer，SSL)或其他允许的协议进行加密传输。数据库兼容目前的主流网数据库，如Microsoft SQL Server、Oracle、Sybase等。
大型养路机械仿真模拟演练平台是一套结合系统仿真、计算机图形学、多媒体等技术的大型养路机械应急处置人员培训与考核的系统，通过BIM模型的搭建以及采用人机交互训练的方式，系统教学内容能够做到详实全面，操作标准统一，流程规范顺畅，职工受训程度高，生产作业效率得到提升。搭建的数据模型如图2所示。
图2 搭建完成的数据模型
Fig.2 Completion of construction for the data model
本系统将大型养路机械工作装置应急处置相关的日常培训与考核和实操演练相结合，有效地提高了职工的应急处置能力，并使职工熟悉应急抢修的处置过程与方法。通过工程协作平台搭建BIM模型系统，受训职工可在计算机生成的虚拟场景中，采用人机交互的方式进行学习，采用半实物操作的方式进行培训，并可利用该系统完成部分应急处置技能的考核任务。软件流程设计见图3。
图3 软件流程设计
Fig.3 The diagram of the software
演练平台具备组织机构管理、预案统计分析和资源管理等功能。整个业务流程围绕大型养路机械应急预案的编制、审批、修订、发布、评价、查询和模拟演练进行。根据系统的应用目的，系统主要包括5大子系统，如图4所示。
图4 演练平台结构及功能
Fig.4 The training platform and function
模拟演练平台是构建在一个高速以太网上，由工作站、计算机、实物设备、网络及其他外围设备、系统软件等构成的分布式仿真训练系统。演练平台的硬件架构如图5所示。系统训练布局如图6所示。
图5 演练平台硬件架构
Fig.5 The hardware of the platform
图6 系统训练布局图
Fig.6 The layout of the training platform
培训工作站上搭载有工程协作平台，并安装有大型养路机械应急抢修仿真培训软件，工程协作平台主要用于系统BIM模型的搭建、转换、反馈修正；仿真培训软件主要用于应急处置相关基础知识的培训。同时，建立有VR 互动终端、AR/MR 互动终端以及投影或大屏设备等。
数据库安装在服务器上，用于存储应急抢修中的相关素材、学员信息、训练记录、考评记录等数据。教员机及教员软件用于对系统、训练及考核过程进行管理。
半实物操作设备和救援设备用于应急抢修模拟演练。这些设备可采用实物机具进行数字化改造，或定制具有IO接口的设备。改造后的设备配备有IO接口，可通过仿真工作站、数据采集模块联入系统中。学员对设备、机具的操作动作序列、设备状态及工作过程将被系统采集、记录下来，通过这些数据可以实现实物设备与虚拟救援场景的被救援大型养路机械或其他虚拟设备的实时交互，并可用于评判和考核学员的操作。半实物操作设备的配备根据需求来决定。使用方不需要或无法配备机具实物时，可采用计算机模拟的方式进行应急抢修模拟演练仿真。
系统中配备一套视景显示子系统，使学员能够掌握救援过程的整体态势。视景显示子系统由视景工作站和视景显示设备构成。视景工作站根据系统计算出的被救援大型养路机械的姿态、线路情况、学员操作救援设备的情况实时渲染出救援现场的整体态势及局部细节的视图。视景工作站生成的画面通过投影机显示在大屏幕上，供所有人了解、掌握救援过程。视景显示设备的选配视情况来定。
在本系统中，软件系统使用当前最新的3D图形技术和多媒体技术实现。通过构建培训所涉及的人员、装备、大型养路机械、线路环境的3D场景模型，利用3D图形引擎进行渲染，根据受训学员的输入实现实时交互。演练平台软件逻辑框架见图7。
图7 演练平台软件逻辑框架
Fig.7 The logic frame of the platform
由图7可以看出，系统中的主要程序模块包括仿真培训模块、人机界面、多媒体模块、网络通信模块、3D图形引擎等。仿真培训模块为核心模块，主要负责完成业务逻辑实现、过程仿真、课程管理及运行、学员及成绩管理，提供与人机界面、网络通信、多媒体和3D图形引擎的接口。多媒体模块提供在仿真培训模块控制下的配音和视频素材的管理、播放。3D图形引擎用于实时渲染、管理3D模型， 渲染的结果通过调用系统的底层图形应用程序编程接口(application programming interface，API)输出到屏幕上。人机界面为受训学员提供一个操作界面，该界面的设计结合考核特点，便于学员操作与理解。在联网协同运行中，网络通信模块通过socket进行数据交互，实现协同仿真训练。人机交互界面如图8所示。
图8 人机交互界面
Fig.8 The human-computer interfaces of the platform
同时，本系统也可通过VR和 MR设备，利用动捕、体感技术，来实现受训职工与仿真环境和仿真装备的自然交互。虚拟交互系统集成如图9所示。
图9 虚拟交互系统集成
Fig.9 Virtual interactive system integration
演练平台系统中的主要数据包括：课程数据、多媒体素材、3D模型数据、学员及成绩数据等。数据存放在本地数据库或数据文件中。数据库提供修改、维护的接口，教员、系统维护人员可根据需要增加、修改、编辑、删除和发布这些培训素材数据。
系统通过服务总线接口实现知识系统、大数据分析、应用指挥平台和作业调度平台等系统的交互,如图10所示。系统集成层的组成如图11所示。
图10 平台系统交互
Fig.10 The constructions of the integration layer
图11 集成层组成
Fig.11 Composition of integration layer
本软件系统为BIM模型及多媒体应用软件，对硬件平台有一定要求。为保证系统正常运行，建议主要的硬件配置如下:①培训、仿真工作站和教员机(独立显卡商用计算机)；②数据采集系统；③视景工作站(图形工作站)；④服务器(数据服务器)；⑤数据采集及输出控制系统(与实物仿真硬件接口)。
大型养路机械应急抢修模拟演练平台系统利用系统仿真、虚拟现实、分布式网络等技术尽可能达到模拟实装训练的效果，并弥补实装训练资源不足的情况(实装训练资源有限、巨大难以拆卸的部分无法进行操作、破坏性的操作、危险操作、特殊环境等)，通过演练场景的仿真获得真实训练环境的体验，经济有效地培养应变能力快、素质高的专业应急救援人才，目前该系统已经研制完成并成功得到运用。
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