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ZN-CBTC型 虚拟实景交互演练实训系统
一、概述
地铁信号系统是保证列车安全、快捷、正点、高密度不间断运行的重要技术装备，不仅技术含量高，而且具有网络化、综合化、数字化、智能化的现代系统技术特征。随着我国城市轨道交通的迅速发展，对联锁及信号系统技术人才的迫切需求一直无法满足，而对联锁及信号专业开展教学、培训时，正在使用中的信号设备不能动，现场实验设备数量少，单一的理论教学不仅枯燥难懂，而且培训效率低下，导致系统全面地掌握类似技能的周期就更长。
为了克服上述弊端，提高学生的就业竞争能力，计划可以利用现代仿真理论及计算机技术建立虚实结合的城轨信号仿真实训系统，它可以对相关人员进行岗前培训，熟悉对信号控制系统的相关操作和维护及业务能力的强化和提升。
系统采用情景化的实训模式，教师可在培训的过程中，对培训学员进行知识和操作等的实训及测试，通过测试结果了解培训的情况，以便指导培训的方向和重点。在培训完成之后，还可对培训学员的培训结果进行评价，能够完成城市轨道交通专业学生的教学、演练、教学指导考核、教学管
理和考核等功能。
系统包括 CBTC 虚拟实景交互演练实训系统、信号设备检修拆装实训及联锁实训。系统可进行针对信号专业相关人员实训，配合真实信号设备，可实现生动的现场教学，使信号专业人员尽快掌握相关原理及作业过程。
二、系统构成
本实训室由 CBTC 虚拟实景交互演练实训系统（含信号设备检修实训系统）及计算机联锁网络化实训系统两个部分组成。
三、系统功能
. 1. CBTC 虚拟实景交互演练实训系统
配备网络化交互式演练系统，采用高性能计算机，双屏显示，一个屏幕显示全三维虚拟场景，另一个屏幕显示ATS系统、联锁系统界面、实时电路原理及其他真实设备控制界面，可通过鼠标键盘在全三维环境下进行城轨信号相关演练。
1.1 系统特点
1) 采用虚拟开发平台，可进行信号巡视检查、各种信号故障处理、信号设备维修等实训演练。根据实训室场地及计算机数量灵活配置 ATS（含 OCC 系统）仿真系统、区域控制区仿真计算机（ZC）、计算机联锁仿真计算机、ATP/ATO 仿真计算机、HMI 及模拟驾驶系统等地铁 CBTC 技术设备。
2) 采用三维虚拟现实技术实现信号设备的 3D 建模仿真，通过计算机实现信号设备的操作。同时结合专门针对教学开发的图像化界面软件展示信号控制系统内部控制逻辑及运转方式。
3) 在局域网环境下，实现多用户任意计算机终端登陆后，都可以使用本系统的全部仿真功能。
4) 在一个软件平台下，实现不同设备的仿真，设备种类全。当增加新设备后，可单独开发该设备的仿真模块即可，满足多元化的培训需求。
5) 本系统实训是以任务的形式，故障任务可灵活设置，操作完成后系统会自动评判成绩。
6）实现计算机联锁网络化实训功能，可以与实物联锁及轨旁实物设备接口、联动。
1.2 作业表现方式
以全三维数字化形式实现，三维数字化的场景包括典型车站、线路、联锁设备、转辙机、道岔、信号机及自然景观等。在虚拟场景中可通过联锁操作表示机终端建立进路、转换道岔、开放信号以及解锁进路，实现道岔、信号、进路之间的联锁关系，操作方式、逻辑关系和触发形式及结果与实际一致；可模拟真实作业环境的各种音响、灯光等效果。
1) 三维场景内设备的布局、组成、功能、相对位置关系与实际一致。
2) 三维场景内设备的外观、比例、动作及显示方式、逻辑关系等与地铁真实情况相一致，并能够随着演练实时发生相对应的改变。
3) 三维场景内主要电气、电子、机械系统的结构、关联关系及动作时序均根据实际作业环境进行一对一的仿真。
4) 三维场景内各种设备能够正确反应系统固有的控制逻辑关系，所有的操作信息能够根据实际情况实时更新并输出相关的仿真计算结果。
5) 三维场景内包括：计算机联锁设备、区域控制器设备、VOBC 设备、道岔转换设备、轨道占用检测设备、信号机设备、电源设备、线路场景及自然环境。
6）实现 ATS、CBI、ZC、ATP/ATO 功能仿真，在三维场景内可以在信号设备控制下模拟司机驾驶。
进行软件操作实训的内容要求有：
1 通过 ATS 或联锁终端对信号机，转辙机等设备进行相应操作，如进路排列，道岔单操；
2 通过 OCC 系统和车站 ATS 实现行车组织与运营管理实训
3 包含有信号机，转辙机等设备电路图；
4 电路图和场景设备状态实时保持一致。
5 在信号设备控制下模拟司机台驾驶操作列车运动。
1.3 系统实训功能
1) 可以满足信号专业人员进行信号设备认知、故障处理演练、考核。
2) 学员可以在虚拟信号机械室、车站内虚拟漫游、巡视，使学员了解熟悉信号设备的整体组成及设备构成、外观形状、操作方式。
3）ATS 原理及操作实训、计算机联锁原理及操作实训、ZC 原理，ATP/ATO 原理展示及简单列车模拟驾驶。
ZC 及 ATP/ATO 系统能够与客户既有实物设备接口，实物信号设备可以与虚拟场景的同步联动，实物应答器设备如 BTM、可变应答器、固定应答器、计轴、联锁等设备的状态可以同步反映在虚拟场景的设备中。系统需要能充分利用客户既有实物资源，使实物系统和虚拟系统有机结合。
4) 在联锁操作表示机终端上的操作可触发三维场景中设备动作，如道岔的变换、信号灯的开闭等，其控制逻辑与真实情况一致。
5) 教师通过教员端实时设置或者预先设置各种信号设备故障，学员在接到实训任务通知后，学员通过鼠标和键盘，根据信号设备的故障情况，在三维信号室内检查、复位、更换、测量各种设备，可以按照标准处置流程进行故障处理演练，系统可以对比标准作业流程，给出成绩单。
6）虚拟信号基础设备拆分与组装系统可以自动拆分、组装设备，向学员展示设备的组成、工序和拆装所使用的工具等。学员也可通过拆装操作台，选择工序和应使用的工具进行拆分或组装，系统同步语音提示拆装的零部件名称；如果学员选择的工序错误，系统会进行警告并提示正确的工序。拆分、组装过程中，可以选择
某个零部件实时预览其三维模型。
1.4 作业类型
系统的实训分为四类：设备认知、原理培训、操作及故障处理实训、虚拟拆分与组装。四类作业均通过任务的形式完成，由教师提前设置演练任务，教师端编辑好相关的任务，下发到学员端，学员按照任务逐步完成，*后系统会根据学员的完成情况给出分数。
1.4.1 设备认知
学习者可以利用学习终端，在虚拟车站内漫游、巡视，使学员了解熟悉地铁信号系统设备的整体组成及设备构成、外观形状；在三维实训环境中学员可以在场景中漫游，对信号设备进行认知学习，系统能够提供设备的语音及文字说明。
语音及文字说明包括：设备名称、设备功能、设备属性、设备主要规格参数、设备管理与应用等。并能够打开设备，观察设备的内部结构，点选并学习设备的主要组成结构的名称，动作原理，主要参数及功能。
1.4.2 电路及系统原理实训
学员通过与联锁 LOW 机终端配合实现对信号机、道岔的操作，在三维场景中相应的道岔及信号机就会随之动作，逻辑关系和触发形式及结果与实际一致。同时系统可进行信号机、转辙机的电路原理仿真，当信号机或转辙机动作时，相应的电路也会实时动态的变化。系统能够实时、动态并以矢量方式显示相应的电路原理图，电路原理图能够根据信号机或转辙机设备的操作变化，实时发生相应的变化，以红色线条的方式在原理图画面上显示实时得失电情况、继电器触点的断开与闭合、继电器的得失电状况等，这样学员就能够在电路原理图上清晰的观察到转辙机和信号机的工作原理。
1.4.3 操作故障处理实训
系统能够实现在三维环境中对相应设备进行操作及故障检测，受训人员可以在三维环境中漫游，可任意的取放和使用工具（如万用表、扳手、螺丝刀等），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每一步的操作提示，包含操作方法、设备位置、应产生的现
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、操作方法应与实际作业程序、作业标准、作业规范一致。
情景化的实训模式有两种：训练模式和考试模式。
训练模式：通过专家引导栏提示操作方法、设备位置、产生的现象和结果等；指导学员进行故障处理实训。系统不仅逐步提示操作方法，对于操作时的注意事项也会以文字的形式给予提示。操作完成后系统会自动给出成绩。
考试模式：由教员决定考核的内容、时间。同样的环境下，限定的时间内，在没有系统提示的情况下，完成考核。考核结束系统会自动评判成绩，也可由教师手动评分。
1.4.4 信号基础设备拆装
若受训人员需要拆解某类信号设备，如拆转辙机进行其结构原理学习时具体操作步骤如下：
在工具箱选择相对应的工具，如需先拆螺丝，要使用扳手工具；
鼠标变为所选工具的形状，如扳手；
鼠标点击需要拆的零部件，如螺丝；
螺丝旋转而出动作；
每个部件都用如此方法拆，按照标准流程将转辙机拆完。
2. 网络化计算机联锁实训模块
虚拟现实联锁实训系统能够和真实微机联锁设备实训系统建立通信接口，可以在 CBTC 实训系统中与实物信号机、转辙机相连接，逻辑输出可在实物站场平台反映，并且能够控制道岔、信号机进行相应动作，对信号人员进行反复培训。也可以单成体系，实现联锁全功能实训。
2.1 虚拟微机联锁系统功能
信号控制人员可进行微机联锁操作及故障处理，其监督、控制及联锁功能应符合北京地铁运营要求，应对本实训室内部真实设备实现监督、控制及联锁，范围包括但不限于以下几点：
轨道区段的状态监视（占用、出清、故障）
列车进路/调车进路/引导进路的办理、解锁及取消
信号机状态监督及控制
转辙机状态监督及控制
应答器设备的状态监督及控制
紧急停车按钮的状态监督及联锁
PSD 系统的状态监督、控制及联锁
应能配合 ATS 系统实现站控及遥控切换等
系统可模拟列车在车站内的作业过程，如接发车作业、调车作业的车辆运行过程，配合工程化的联锁系统实现实训教学全部功能。设有人机交互功能，既可以自动仿真行车作业，也可以手动仿真车列行走过程。该系统通过以太网与室外设备及接口转换单元相连，基于工业控制计算机实现。
本方案中此过程由教员端下发，满足实训与考核功能。
系统可设置铁路现场经常出现的各种模拟故障。采用图形化的人机接口，既可以对指定设备、指定设备群下发故障指令，也可对全部设备下发故障指令和清除故障指令。此系统通过以太网与室外设备及接口转换单元相连，通过室外设备仿真及接口转换单元对计算机联锁系统下发故障指令，使计算机联锁系统可模拟该故障，满足实训需要。该系统基于专用工业控制计算机实现。
系统可设置铁路现场经常出现的各种模拟故障。采用图形化的人机接口，既可以对指定设备、指定设备群下发故障指令，也可对全部设备下发故障指令和清除故障指令。此系统通过以太网与室外设备及接口转换单元相连，通过室外设备仿真及接口转换单元对计算机联锁系统下发故障指令，使计算机联锁系统可模拟该故障，满足实训需要。该系统基于专用工业控制计算机实现。
2.2 联机运行要求
实训室的真实微机联锁设备，可分别与虚拟信号交互演练实训室的学员计算机互联，组成一条模拟地铁线路。该模拟地铁线路可以模拟北京某地铁线的运行状况，每台学员计算机模拟一个地铁车站，计算机上的某个程序模拟站场以及相关设备，本实训室中的真实微机联锁设备与本实训室的
真实现场设备组成一个模拟车站。
在上述模拟地铁线路中，局部联机或全局联机模式下可由具有相应权限的教员台为学员台注入各种故障，以培训和考核行车指挥人员、客运服务人员、乘务驾驶人员及设备检修人员的应急处置能力和故障处理能力。系统至少可注入的故障或突发事件包括但不限于以下：
道岔故障
计轴区段故障
屏蔽门故障
信号机故障
应答器故障
紧急停车按钮动作
要求所有设备和区段位置可设置上述故障。
四、系统硬件要求
. 1. 硬件通用要求
系统应为模块化、易扩展和高可靠性的系统。在设计 HMI 时，应采用人机工程学原理，进行显示内容和画面的设计。所有界面均应为中文内码，符合我国关于中文字符集定义的有关国家标准。
投标人应承诺保证未来扩容时，系统在线增加任何硬件、软件等，对系统没有任何影响。系统具备在线修改数据、创建画面的能力。
学员计算机和微机联锁设备应配置 Windows 7 64 位中文高级版操作系统。
. 2. 硬件专用要求
所有信号系统设备应符合故障导向安全原则，采用轨道交通工程实际采购设备并出具相应的用户证明。
五、系统软件要求
1. 软件通用要求
系统的人机界面应满足人体工程学的要求，界面上的信息显示状态发生变化时，中间不应有断续。涉及到与监控或联动相关的界面信息应与被控设备或被联动设备实际状态一致。系统应具备简洁、直观、方便、明确的人机对话方式，所有终端的人机对话方式应一致。系统的人机界面应汉化，采用中文界面的图形用户接口方式，具备多级菜单、多级窗口、图形移动和窗口缩放的功能。每页屏幕应按功能划分为：标题区、菜单区、画面区、对话信息显示区。系统应具备人机界面的在线帮助功能。具有控制步骤的操作提示，每一步操作结果应在界面上有相应反映，对不可操作命令在操作菜单上应隐含。
设备故障死机后，要求人机显示界面出现一个故障侧（例如黑屏），不能静止在故障前的状态。
设备故障死机后，要求人机显示界面出现一个故障侧（例如黑屏），不能静止在故障前的状态。
2. 信号系统软件界面要求
学员计算机和微机联锁设备中的操作界面应与北京地铁真实情况一致。
