（载运工具运用工程专业论文）高速列车应急故障模拟与维修培训系统.pdf

虫塞摘要 中文摘要 摘要：自2 0 0 6 年底至今，我国引进并改良的几型动车组( c r h l c r h 2 c r h 5 ) 上线运行已近两年，在运用过程中特别是上线初期，这几型车的应急故障频繁发 生，如c r h 2 的空调系统故障导致多趟列车晚点。因此有必要研发一种基于视景仿 真和多媒体技术的应急故障维修培训系统，方便司乘人员在短期内熟悉应急故障 处理方法。 本文前期采用s o l i de d g e 建立司机室场景模型，使用三维渲染软件3 d s m a x 进行模型后期处理，最后在v i s u a lc + + 开发平台中建立仿真视景。同时结合铁 路动车组运用维修作业标准中的应急故障处理与作业标准，建立应急故障数据 库，制作软件培训界面。在系统的建立过程中主要应用了三维建模技术、o p e n g l 接口技术、数据库技术和多媒体编程技术，借助多个软件之间的文件接口和开发 平台应用，建立起一个集仿真视景、声音、文字和图像于一体的多媒体培训系统。 该系统主要由司机室场景的显示模块、应急故障维修与互动模块、系统维护模块 组成，另外为了便于未接触过这几型动车组的人员学习，该系统还包括一个应急 故障维修操作标准介绍模块。 在司机室视景仿真模块中将渲染着色完毕的模型显示出来，清晰地标识出应 急故障来源和应急故障处理位置，包括制动手柄、r s 复位、m o n i t o r 显示屏等， 便于加强受训人员在实际故障排除操作时的方向和位置感。 应急故障维修与互动模块是与司机室场景模块平行显示的模式对话框，该对 话框中显示故障图片、故障名称、故障编码、故障责任人等主要应急故障信息， 要求学员回答出每一步的故障处理方法，并借助k m p 算法来评估学员的回答，加 强培训记忆效果。 系统维护与修改模块的主要功能有：通过软件界面建立故障图像数据库、数 据库查询和数据库修改这几部分。由于图像数据无法直接在数据库中进行存取， 该模块为数据库中大量的图像数据管理提供了存取与修改的途径，同时也便于后 期的系统扩展，这其中包括车型的扩展和每一型动车应急故障记录集的扩展，由 此达到受训人员和系统维护人员都无需直接面对数据库的目的。 该系统的开发将实现以最少的资源实现最佳的培训效果，促进铁路快速发展。 关键词：高速列车；应急故障；模拟与维修；培训 分类号：u 2 6 9 a b s t r a c t a b s t r a c t ：s i n c et h ee n do f2 0 0 6c h i n ah a si m p o r t e da n du p g r a d e ds e v e r a lk i n d so f e m u s ( c r h l c r h 2 c r h 5 ) ，w h i c hh a v er u no nt h ee x i s t i n gl i n e sf o ra l m o s tt w oy e a r s ， a n dc r h 3h a sa l s ob e e nr u n n i n gi nt h en e wo n l i n et e s t i nt h eu s eo ft h ep r o c e s s ， p a r t i c u l a r l yo nt h ee a r l yl i n e ，s e v e r a le m e r g e n c yf a i l u r e sh a p p e n e df r e q u e n t l y , s u c ha s t h ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mf a i l u r e so fc r h 2w h i c hl e a dt o d e l a y sm a n yt i m e s t h e r e f o r ei t sn e c e s s a r yt od e v e l o pa l le f f i c i e n tt r a i n i n ga n dm a i n t e n a n c es y s t e mb a s e d o nv i s u a ls i m u l a t i o n f i r s t l ys o l i de d g ei su s e di ne a r l ym o d e l i n g ，a n d3 d s m a xi np o s t p r o c e s s i n g i nt h e e n dt h em o d e li se s t a b l i s hi nav i s u a lf i e l du s i n gv i s u a lc + + a tt h es a m et i m et h e s y s t e mc o n j u n c t t h ed e a l i n ga n dm a i n t e n a n c es t a n d a r d si n t h e o p e r a t i o na n d m a i n t e n a n c es t a n d a r d so fe m u ”t h i ss y s t e mh a sa p p l i e d3 dm o d e l i n gt e c h n o l o g y , o p e n g lt e c h n o l o g y , d a t a b a s et e c h n o l o g ya n dm u l t i m e d i ap r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y w i t hd o c u m e n ti n t e r f a c eb e t w e e nt h e ma n dt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，am u l t i m e d i a t r a i n i n gs y s t e m si n t e g r a t e dv o i c e , t e x ta n di m a g e sw i l lb ee s t a b l i s h e d t h es y s t e mi s c o m p o s e do fv i s u a l s c e n e si n o d u l e s ， e m e r g e n c yt r o u b l e s h o o t i n ga n di n t e r a c t i v e m o d u l e s ，s y s t e mm a i n t e n a n c em o d u l e ，a n di no r d e rt of a c i l i t a t et h es t a f f st h a th a v en o t b e e nf a m i l i a rw i t he m u ，t h es y s t e ma l s oi n c l u d e san o t em o d u l eo nh a n d l i n g e m e r g e n c yf a u l t t h em o d e lc o m p l e t e dw i l lb ed i s p l a y e di nt h ev i s u a ls c e n e sa n dw i l l i n s t r u c ta c l e a rs i g no ft h em a j o rf a u l th a n d l i n gl o c a t i o n s ，i n c l u d i n gt h eb r a k eh a n d l e ，m o n i t o r s c r e e n ，e a s yt os t r e n g t h e nt h es e n s eo fd i r e c t i o na n dl o c a t i o nf l uo fs t a f f si nt h ea c t u a l t r o u b l e s h o o t i n g e m e r g e n c yf a u l ti n t e r a c t i v em o d u l e ，w h i c hi sam o d ed i a l o gb o x p a r a l l e l i n gw i t hv i s u a ls c e n e sm o d u l e , w i l ls h o wm a j o rf a i l u r e si n f o r m a t i o ni n c l u d i n g f a u l tp i c t u r e ，f a u l tn a m e s ，f a u l tc o d e s ，a n dr e s p o n s i b l ep e r s o n st ot h et r a i n e e s t h e ya r e a s k e dt oa n s w e re v e r ys t e po fa p p r o a c ht oe n h a n c et h et r a i n i n gm e m o r ye f f e c tw i t h k m pa l g o r i t h mt oa s s e s st r a i n e e sa n s w e r t h em a i nf u n c t i o no fs y s t e mm a i n t e n a n c ea n d m o d i f i c a t i o nm o d u l ea r ee s t a b l i s h m e n to ft h ed a t a b a s e ，q u e r yt h ed a t a b a s ea n dr e v i s e t h e s ep a r t s t h ep i c t u r ed a t a b a s ec a nn o tb e e nd i r e c t l ya c c e s s e df o rt h ep i c t u r e s ，s ot h e m o d u l eo f f e rg r e a tc o n v e n i e n c et ot h em a n a g e m e n to fal a r g en u m b e ro fp i c t u r e s ，b u t a l s of a c i l i t a t et h ee x p a n s i o no ft h el a t t e rp a r to ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ee x p a n s i o na n d e a c hr e c o r ds e to fv e h i c l ee m e r g e n c yf a u l t ，s ot r a i n e e sa n ds y s t e mm a i n t e n a n c ep e r s o n = j 匕塞变道太堂亟堂位论塞 n e e dn o tt od i r e c t l yr e a c ht h ed a t a b a s e d e v e l o p m e n to ft h i ss y s t e mw i l lb ea c h i e v e dw i t hm i n i m a lt r a i n i n gr e s o u r c e sb u t a c h i e v et h eb e s te f f e c t ，p r o m o t i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to fr a i l w a y k e y w o r d s ： e m u ；e m e r g e n c yf a u l t ；s i m u l a t i o na n dm a i n t e n a n c e ；t r a i n i n g c l a s s n o ：u 2 6 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 泰科扯 导师签名： 私呼 签字日期：知订年6 月卜日签字日期：弘啮年月( a 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：亳科捉 签字日期：埘年参月f9 日 7 5 致谢 本论文的工作是在我的导师宋永增副教授的悉心指导下完成的，宋永增副 教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢 两年来宋老师对我的关心和指导。 宋永增副教授不但悉心指导我们完成了实验室的科研工作，而且在学习上和 生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向宋老师表示衷心的谢意。 在撰写论文期间，李彦青、朱明和吴仁恩等同学对我论文中的研究工作给予 了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 课题研究背景 第一章绪论 铁路是我国国民经济的大动脉，交通运输系统的骨干。自1 9 9 7 年4 月1 8 日 以来，我国铁路实施了6 次大规模的提速，同时为满足国民经济和社会快速发展 对交通运输日益不断增长的需求，我国铁路确定了铁路快速客运网发展规划：在 2 0 2 0 年前，以北京、上海、武汉、广州为中心，部分省会城市为节点，形成辐射 全国主要城市的快速客运网络，总里程约1 2 0 0 0 公里，同时，在京津唐、长三角、 珠三角地区，将形成数千公里的快速城际轨道交通网。 动车组是完成铁路高速运输生产任务的关键设备。针对铁路快速客运网发展 规划的要求，铁道部加快了铁路装备现代化的步伐，引进并改良了四种动车组： c r h l 型( 原型b s p ) 、c r h 2 型( 原型川崎e 2 1 0 0 0 ) 、c r h 3 型( 原型i c e 3 ) 、c r h 5 型( 原型a l s t o m ) 。新型动车组和我国现有的主力机车车辆有很大的区别，这种 区别不仅体现在运行速度上，而且还体现在列车的工作原理上。新型动车的动力 分散形式、车上全新的电气设备、更快的运行速度、更多的故障模式，都是我们 铁路司乘人员所陌生的。在引进动车组的同时，铁路司乘人员的执乘方式、运行 环境也发生了巨大改变。对于我国铁路员工来说，适应铁路提速，快速学习并熟 悉高速列车的故障模式、故障机理和排除方式，加速更新知识系统是一个巨大的 考验。 在铁路员工的培训过程中传统的基于课本的讲授方式一定程度上限制了学员 的学习热情。在教育过程中，为提高教学质量，有多种教学手段，对设施及设备 的要求主要是直观形象、化无形为有形，变抽象为具体，充分考虑教学性、经济 性。目前常用的方法有利用挂图或在黑板上画图来进行讲解，采用示教板进行教 学，多媒体教学及用仿真系统进行教学。目前仍然有相当部分教师习惯于采用传 统的挂图或在黑板上画图来进行讲解，它对于解决简单问题非常方便、有效。但 对于较为复杂的系统如电气电路、制动系统、牵引系统等，由于无法在图中表示 出设备状态变换时电路、气路的状态变化过程，各种相互制约的逻辑开关及阀件 内部的状态变化，使老师难解，学生难懂，教学过程显得枯燥乏味，很难取得理 想的教学效果。采用示教板进行教学时，尽管比挂图教学要显得形象生动，对提 高教学效果起到了一定作用，但由于示教板造价高、维护困难等缺陷，使其在教 学中的应用受到了极大的限制。多媒体计算机辅助教学，可充分利用多媒体计算 机对多种信息的综合处理能力，通过丰富多彩的图、文、声、像等素材来刻画教 学内容，克服学习者只能被动接受同一种模式教学的弊端。如何将多媒体教学引 入到我们铁路员工的培训与教学中去，以最小资源模式产生最大培训效果成为一 个新的研究方向。结合我国铁路员工培训实际情况，在我国现有铁路资源紧缺， 铁路资金短缺的情况下，一个只需极少硬件资源，完全基于p c 平台和视景仿真的 多媒体应急故障模拟与维修培训系统因运而生。 1 2 国外培训系统现状 早在上世纪9 0 年代末，世界各国机车司机培训装置已经得到广泛应用。经过 长足发展，机车司机培训设备在很多方面，尤其是高速列车培训装置方面取得了 长足的进步。从国外发展看，世界上已经采用先进的高端机车驾驶培训设备作为 主要和通用的培训设备。从2 0 世纪7 0 年代初开始，美国、澳大利亚、英国、德 国等国家都进行了列车司机培训模拟器的研究工作，例如早在1 9 9 4 年奥地利沃尔 特培训中心就装备了为n a t 9 1 列车设计的模拟驾驶设备，该设备主要负责新司机 实际操纵驾驶训练。 总体来看，国外机车驾驶培训设备的技术水平发展要快于我国，并且在上世 纪9 0 年代中、末期，高端机车培训设备已经被普遍采用。同时国外已经将培训模 拟器作为铁路智能化的组成部分，结合调度、维护模拟器产品，形成针对不同部 门的一体化的培训模式。国外现有的仿真驾驶模拟器采用集成训练解决方案，高 度关注司机的培训效果，在突出产品性能的同时，采用多媒体教学等方式进行观 摩及教师点评，在培训过程中使用先进的沉浸式多通道大视角l c d 和先进的光学 融合、拼缝技术，计算机生成图像技术，并广泛采用6 自由度的电动运动平台技 术，使得司机在培训过程中得到全方位的高速列车真实体验。国外最典型的机车 驾驶模拟器生产厂商是法国的c o r y s 公司，该公司已经生产了数千台机车驾驶模 拟器，分布在二三十个国家和地区。模拟器有拷贝型和自动生成型之分，所谓拷 贝型就是根据实际拍摄的视频录像资料，建立数字三维图形来模拟实际的线路， 其过程复杂费时，但可以较好地模拟各种天气、信号、复杂的突发事件等，模拟 结果比实际拍摄的视频叠加模拟效果稍真实一些。自动生成型是可以根据用户自 己的目的设计各种虚拟的线路，培训司机在不同线路条件下的适应性。 1 3 国内培训系统现状 我国铁路部门也配备了较多的机车驾驶模拟器，在实际运输生产中发挥了很 2 大作用。在国内，机车驾驶模拟器已经配备到机务段、司机培训学校等单位。可 以仿真、模拟国内常用的各种主型机车，如韶山系列的电力机车、东风系列的内 燃机车。我国自1 9 8 5 年开始研制机车模拟驾驶器，1 9 8 8 年研制出第一台d f 4 模拟 驾驶器，并通过铁道部级鉴。以后相继研制出韶山1 、3 、4 型重载列车列车模拟 器。西南交通大学“七五 期间承担了国家“七五”重点科技攻关项目重载列 车动力学的研制，并由此研制了司机操纵模拟装置，8 9 年通过了国家级鉴定。这 种列车仿真系统装置以线路和实验室的数据分别建立了列车的纵向动力学和横向 动力学等的数学模型，可模拟列车运行过程中机车车辆之间的作用力及机车车辆 与轨道间作用力的变化的动态过程。近年来，又与大连机车车辆工厂培训部合作， 建立了一套带实物电器( 电器柜、制动机及视教板) 的系统仿真系统，这个系统更 接近实际。 北京交通大学从9 5 年开始研制新型机车仿真教学系统，利用多媒体和监控技 术，增加了机车电路和风路的模拟。为适应铁路高速发展的要求，北京交通大学 机车仿真教学系统中又增加了速度监控功能，能模拟目前“列车超速防护系统翟 装置的所有超速防护功能及“安全监控装置 的运行记录功能。整个仿真教学系 统功能强大，应用灵活，更加逼真。经过这几年的发展，铁路仿真与驾驶系统已 经迈向高技术和尖端化，北京交通大学的地铁列车运行控制仿真系统和西南交通 大学的列车驾驶模拟器是其中的代表。 在乘务员理论培训方面，北京交通大学开办了动车组培训班，先期培养了大 量动车组司乘人员。而西南交通大学则建立了国内最大的培训基地( 培训考试中 ，心) 。 1 4 本课题的意义 1 4 1 现有设备缺陷与不足 基于目前现状，国内的模拟器还不适合培训高速列车司乘人员，主要原因在 于列车的运动学计算( 包括牵引和制动计算等) 的计算原理和方法还需要深入研究， 计算的内容还需要扩大，需要引入各种新的牵引和制动方式；另外，高速列车的 模拟对象也有很大的变化，例如动车组引入了很多国内主流机车从来没有出现过 的设备和部件。所以常速机车的模拟器发展成为高速列车的模拟器不是简单的速 度提高，还应包括大量的研究和试验工作。针对我国的现状，虽然已经有相当一 批的模拟培训和教学系统的产品存在，并且在不断的应用和改进，但是这些产品 在环境模拟的真实性以及司机驾驶的真实感上还有很大的提升空间。传统的仿真 3 系统在开发基本上仍在沿用面向结构、面向过程的开发方法，与原本在同一起跑 线上的国外高档仿真装置技术水平相比又渐渐拉开了差距。这些使用传统方法开 发的仿真系统存在很多不足之处，主要表现在： 1 适用性差：传统仿真系统通常只能局限于具体的硬件平台和操作系统之上， 可移植性差。 2 结构复杂：以数据结构为中心的面向过程式的设计方法存在着致命的缺点， 即对于机车操纵仿真培训系统这样一个既需对机车运行过程进行模拟仿真，又要 对操作环境进行逼真再现的大型系统来说，软件代码量极大，使得软件的复杂度 呈指数形式增长，往往顾此失彼，难以控制。 3 维护代价大：传统仿真培训系统不仅软件结构复杂，并且缺乏有效的测试手 段，使得运行质量难以保证。 4 培训范围有限：现有设备需要大量硬件资源支持，由此产生了设备可移动性 差，维护困难，培训周期长，培训速度与范围十分有限等不足。 1 4 2 开发本系统的必要性 基于我国铁路发展与员工培训现状，研制一种实用的面向多个培训群体、基 于p c 单机设备的应急故障模拟和维修培训系统是提高司乘人员技术水平和操作 技能的最有效、最经济的手段。受训人员可以通过教学系统中的多媒体信息、各 种实际图像和声音来充分吃透理论知识，并通过系统实际应用。该系统占用资源 极少，用计算机界面代替了机车设备与环境，可以使工作人员熟悉机车环境，了 解操作流程，掌握应急故障的正确处理方法。尤其是对于高速列车来说，需要反 复训练各种紧急情况下的反应和应对方法，而在实际的机车操纵中很难创造这样 的培训条件。同时，高速列车培训系统可以高密度、大强度地培训机车乘务员， 节省电力或燃油消耗，保障人身安全。因此，作为一种安全、高效、经济的铁路 员工教育和理论培训的手段，多媒体仿真培训系统已得到了世界各国铁路部门的 重视。业界普遍认为这是一种培训司乘人员的先进方法，不仅缩短了培训时间， 减少了培训费用，而且培训过程绝对安全，不影响正常的行车。在我国现有铁路 资源紧缺，铁路资金短缺的情况下，研制一种能配合多种动车组的多媒体培训系 统必将大大缩短司乘人员的培训上岗的时间，有效、快速地提高铁路员工的技术 水平和操作技能，节约大量资金。 1 5 本论文的研究内容 4 本论文的研究内容是建立一个基于极小资源的动车组应急故障模拟与维修培 训系统，培训对象包括司机、随车机械师和其他铁路员工。主要内容如下： 1 动车组故障模拟与维修培训系统总体设计 该系统包括一个视景仿真模块和三个附属模块。其中应急故障模拟与维修互动 模块是与视景仿真模块平行的关键培训模块。系统维护模块由系统管理员负责系 统的维护与扩展，主要有车型的扩展与每个车型的记录集扩展。另外为了便于未 接触过几型动车组的人员学习，该系统还包括应急故障处理操作说明模块。 2 同机室视景仿真模型设计与显示 研究了仿真视景中的司机室模型建模方式，模型的后期渲染，以及在开发平台 中的显示方法。其中主要涉及到前期的建模、文件格式的转换与渲染、模型文件 的读取与显示等关键问题。 3 系统数据库结构设计及大量图形在数据库中的操作 系统数据库采用关系数据库a c c e s s ，主要存放故障信息。一个车型对应一个记 录表，另外为了便于用户管理，还设定了用户表和管理员表。如何操作数据库中 的大量图像数据是本系统开发的关键，本文主要研究了图像数据在a c c e s s 数据库 中的存取方法，以及在数据库和开发平台之间的文件转换与传递。 4 培训系统模块及系统维护模块界面设计与实现 互动模块中应用了多种控件，包括p i c t u r e 、e d i t 、s t a t i c 、b u t t o n 等控件，同时 动态显示资源文件和数据库中的图片信息以及提示音信息。系统维护模块采用 p i c t u r e 、e d i t 、s t a t i c 、r a d i ob u t t o n 和l i s tc o n t r o l 控件，存取和操作图片数据库。 5 培训效果评估 该系统的互动式培训模式，需要对培训效果进行评估，加深培训效果。系统 中的主要互动场景在故障模拟与维修部分，培训系统对受训者的回答进行评估， 采用字符串k m p 评估匹配算法将输入的答案与参考答案进行比较，对回答做出判 断与评估。 5 第二章动车组应急故障模拟与维修培训系统总体设计 动车组应急故障模拟与维修培训系统主要围绕动车组应急故障和常见故障进 行培训，基于司乘人员应激反应理论和互动式教学理论进行设计。 2 1 c r h l 与c r h 2 型动车组应急故障概述 动车组应急故障区别于库内故障和检修故障，它是在列车运行过程中的突发 紧急事件，有较强的时效性，如果故障责任人业务不熟悉或者操纵者之间配合不 默契，容易导致故障处理不当，导致故障扩大。应急故障受到运行条件、工具配 件、机车乘务员处理故障能力等诸方面的限制，不可能无时间限制地将机车停在 区间处理( 区间应急故障处理的时间一般不宜超过l o m i n ) 。因此，要求处理应急故 障的方式、方法应简明扼要，简便易行。列车乘务员应急故障处理的方法主要有 以下5 种：人为动作法，切换法，切除法，更换简单配件，简单处理。凡是用这5 种方法能够快捷处理，维持机车运行的故障，都能列为机车乘务员应急故障处理 范围。 根据铁道部铁路动车组运用维修标准【7 】规定，针对c r h i 型动车组的技术 和运用特点，共规定3 3 件共13 9 条应急故障处理方法，针对c r h 5 型动车组特点， 共规定7 9 件共3 2 6 条应急故障处理方法。为了确保突发故障的快速正确处置，保 证动车组运行的绝对安全，铁道部要求各部门组织司机和随车机械师认真学习， 严格按照规定步骤、方法和职责处理突发事件。 c r h l 型动车组3 3 件应急故障包括机械故障1 8 条，电器或通信故障1 5 条； c r h 2 型动车组7 9 件应急故障包括机械故障3 7 条，电气故障和通信传输故障4 2 条。 2 2 培训系统互动式教学理论 “互动式 教学( i n t e r a c t i v et e a c h i n g ) 也称“双向互动式教学 ，专注于学习者 和教授设备之间的互动行为。互动就是指人物之间通过行为互动，互相影响的过 程。“互动式 教学法是以现代教学思维和教学理论为指导，转变灌输式的教学方 式，将以教授设备为中心的教学模式变为由教授设备引导、鼓励和组织学习者积 极参与、人物互动，集讲解、交流、讨论、质疑、归纳等教学手段于一体的合成 式教学运作模式。这种新型的教育模式能充分激发学生的学习热情，极大提高教 7 学效果。 互动式教学法是一种新型的教学模式，因而实施这种教学模式首先要求培训 软件转变角色，从机械的知识传播设备这一角色中解放出来。这就要求它完全有 别于其他类型的教育软件，最大的特点是具有智能解题、人机交互、自动推理和 动态作图的功能。它不仅能自动求解由软件使用者输入的题目，并完整地显示解 题过程，而且可以判断使用者所做出的解答是否正确。智能软件具有人机交互功 能，可以通过使用者与计算机之间的对话自动生成解题的过程。在软件运行过程 中，使用者始终参与其中，通过启发使用者的思维，提示、指导得到解题方法， 不仅仅是简单的给出答案，使计算机在很大程度上能够代替教师的提示、指导、 解答的工作。 概括起来，互动式教学软件的特征主要包括： 1 互动性，要求受训者有信息输出流，并且和软件之间有互动的信息流，而不 是培训软件一味地向受训者单向输出培训信息。 2 随机化，需要软件有随机的培训路径，而非一成不变的培训过程，使得受训 者每一次使用软件都不会得到一样的培训内容。 3 智能化，使得软件有智能判断受训结构的能力，对于学习者的回答能做出合 理和公正的评价，激发学习热情的同时对教学效果做出评估。 4 多媒体化，培训软件需要有多种信息流的输出，全面刺激受训者的各种感官， 强化培训效果。 通过互动式教学的仿真培训系统可以“定期强化培训 ，巩固操作人员的操作 技能。 2 3 司乘人员应激故障反应理论 应激( s t r e s s ) 是肌体对刺激应答性反应的综合表现，即各种不同刺激对生物体的 作用以及这些作用所导致的生物体内部的各种变化。应激反应过程分为心理性反 应与生理性反应。心理性主要表现如：紧张、恐惧、疲乏、压抑、多疑等。生理 反应早期表现为心律加快、血流量、血糖、血氧含量明显升高。驾驶员的应激反 应是指驾驶员在驾驶活动中主观感受到的并且可以测量的对内外刺激的综合反 应，由环境和外部因素所决定，是与驾驶知觉和驾驶评价有关的反应唤醒。驾驶 员的应激反应一般分为生理型、行为型和意识型。如膝盖反射、脊髓反射等属于 生理型反应，人是无意识的；行为型的包括人的认知、判断、动作，亦称为知觉 一动作反应：而意识型的是一种情绪反应，如焦虑增加，属精神活动。 2 3 1 一般的应激反应模型 应激心理学专家威肯斯提出四阶段模型：环境刺激阶段( e n v i r o n m e n t a l s t r e s s o r s ) 、评价阶段( a p p r a i s a l ) 、作业期望阶段( p e r 南肌a i l c ee x p e c t a t i o n s ) 和应激结 果阶段( s t r e s so u t c o m e s ) 。如图2 1 所示。 环境刺激 评价作业期望应激结果 噪声 生理的 时间压力 对威胁以及对作业能力 情绪的 满足要求的的积极或者 任务压力认知的 程度的评价消极的期望 群体压力 社会的 外部威胁 作业的 图2 1 应激过程四阶段模型 f i 9 2 - 1f o u r s t a g em o d e lo f t h es t r e s sp r o c e s s 该图表明，应激过程由特定环境刺激所激发。潜在威胁则诱发出应激过程的第 二阶段，即评价阶段，评价是对环境事件意义的评价。当环境刺激激烈时，通过 评价过程，作业者将产生积极的或消极的作业期望，从而形成应激过程的第三阶 段一作业期望阶段。最后应激将导致生理反应、情绪反应、认知反应、社会行为。 和作业业绩等多种效果。应激的生理反应在多项研究中己经通过大量的测量得到 了评价，例如皮肤电、脉搏次数、脑电波和心电图等。 2 3 2 驾驶应激反应对行车安全的影响 驾驶员在驾驶车辆过程中，总是遵循着刺激感觉( 信息输入卜判断( 信息 加工、决策) 行动( 信息输出) 这样一个不断往复进行的信息处理规律。故障责 任人通过接受器( 视觉、听觉、触觉) 接受来自外界的刺激信息，如铁路信号、车辆 动态、车身颠簸、噪声、车辆本身工作状况等，经由神经系统传给大脑进行加工， 然后大脑将指令下达给效应器( 手脚) ，进行各种排除操作，以改变车辆的状态。这 种过程不断循环往复，直至达到人一车系统的预定目的来完成驾驶任务。当车辆 行驶在复杂的交通环境中时，由于突显信息的出现，如轨道上的障碍物、车辆操 纵机件失灵、紧急故障的出现等，使得操作者必须迅速判明情况，在最短的时间 内做出决策，这时非常容易出现应激状态，即所谓的紧急情况。研究表明，这种 应激状态的发生，会很使有机体的激活水平、心率、血压，肌肉紧度发生显著改 变，从而引起情绪的高度应激化和行动的积极化( 应激反应) 。主要表现特点有： 9 1 认识变得狭窄、不充分，注意集中于一点，难以转移和分配； 2 对外界情况认识的要求减弱，在极端情况下失去对外界情况的认识能力； 3 对外界情况只能做出“有 或“无”的两极判断，难以做出程度或数量的判； 4 对外界情况综合判断能力下降； 5 无暇思考便立即做出判断，极端情况下失去判断能力； 6 难以维持平衡的动作，用力往往过大，造成故障加剧； 7 动作准确性下降，易出现错误动作失去操作能力等； 由此可见，这种应激状态的发生对驾驶行为会产生很大影响。 2 3 3 降低应激反应的措施 注意到应激反应可能大大降低司机的操作水平和业务素质的发挥，有必要通 过大量的训练来降低这种有害的身体反应，主要措施有： 1 加强注意品质的培养，提高预见性驾驶能力 具备了良好的注意品质，才能在行车过程中迅速、及时、清晰地获取环境中 的有关信息、迹象，并进行分析、判断，从而对可能发生的情况做出预见性估计， 提前采取相应的预防措施，既可避免应激状态的出现又可避免可能发生的事故。 2 进行以提高技术素质为目的的驾驶技能训练 驾驶应激状态的发生是以其突发性为特征的，必须训练驾驶员掌握正确的驾 驶技能，以便在应激发生时，能实施正确的驾驶操作，或由于采取了正确的驾驶 而极大限度地降低应激程度，从而保障行车安全。 3 加强应激场景训练 提高心理承受能力，在训练时人为地创设一些应激情景，如比较棘手的应急 故障条款，要求驾驶员在极短的时间内做出排除该故障的正确操作，使驾驶员亲 身体验应激状态下的心理感受及对策，通过一定次数的训练及适应，在驾驶者的 信息加工系统中建立所谓的“动力定型”，从而最大限度地克服和避免应激出现时 的手忙脚乱和某种程度的操作失误，有效地保证行车安全。 本系统研究的目的就是根据上述应激反应理论，运用视景仿真技术模拟应急 故障的连续产生，对司机进行大量的应激培训，提升驾驶安全可靠性，在非循环 的培训模式下加强司机的故障排除方法记忆。 2 4 培训系统需求分析与总体结构 2 4 1 培训系统功能需求 1 0 基于应激反应的要求，系统设计有故障模拟、回答互动、效果评价和系统数 据维护与扩展等子模块，各模块需具有以下功能： 1 视景仿真应急故障 给学员提供应急故障的视景仿真场景，全方位阐释应急故障的内容。 2 训练结果记录功能 为了方便学员能够在参加学习后对自己的训练过程进行回顾以及教员在培训 后对学员操纵技能掌握情况的了解，需要有受训者的学习记录。 3 系统操纵提示功能 通过多媒体文字和提示音功能，给受训者各种操作提示，另外还包括培训的 过程线路和培训过程中的时间限制。 4 训练模块选择功能 学员可以根据自身情况选择不同的车型进行自我培训。 5 多媒体功能 系统能够在局域网内实时的传输图像、语音及文字信息，从而丰富教学内容 和教学手段。 6 交互功能 为了提高教学效果，系统能够和受训者之间产生信息流。 7 故障设置功能 为了更真实地模拟列车运行环境以及考察学员对突发事件的处理能力，系统 应能够自动地产生故障条款。 2 4 2 培训系统整体框架 系统由五个模块组成：登陆与用户管理模块、应急故障处理与操作说明模块、 司机室应急故障场景模块、培训与互动模块、系统维护与扩展模块。其中登陆界 面包括了用户管理功能和培训车型的选择，应急故障视景仿真模块和应急故障互 动学习模块之间存在模块间通信，其他两个模块互相独立，完成不同功能。应急 故障模拟与维修培训系统的总体架构如图2 2 所示。 图2 - 2 系统总体功能结构图 f i 9 2 2o v e r a l ls t r u c t u r eo ft h et r a i n i n gs y s t e m 1 2 第三章动车组应急故障模拟与维修培训系统技术支持 在动车组应急故障模拟与维修培训系统设计实现过程中运用了多媒体技术、 三维造型与模型渲染技术、计算机图形学技术、面向对象方法、数据库及图像数 据库技术等多项计算机技术。 3 1 多媒体技术与多媒体教学 所谓多媒体是相对单一媒体而言的，多媒体技术不是多种信息媒体的简单复 合，而是计算机交互式地综合处理文字、图形、图像、声音等信息，使它们建立 起逻辑连接，集成为一个系统，多媒体技术具有两大特点：一是综合性，它将计 算机、声像，通信技术合为一体，实际上是计算机，电视机、录像机、游戏机、 传真机、个人电脑的综合，可谓一机多用；二是交互性，客观存在可以形成人机 互动，互相交流的操作环境形成一种身临其境的情景。多媒体技术特性包括【4 】： 1 信息载体的多样性 信息载体的多样性是多媒体的主要特征之一，也是多媒体研究需要解决的关 键问题。多媒体技术的多样性体现在信息采集或生成、传输、存储、处理和显现 的过程中，要涉及到多种感知媒体、表示媒体、传输媒体、存储媒体或呈现媒体， 或者多个信源或信宿的交互作用。这种多样性，当然不是指简单的数量或功能上 的增加，而是质的变化。信息载体的多样化使计算机所能处理的信息空间范围扩 展和放大，而不再局限于数值、文本或特殊对待的图形和图像，这是计算机变得 更加人性化所必须的条件。 2 人机交互性 所谓交互就是通过各种媒体信息，使参与的各方( 不论是发送方还是接收方) 都可以进行编辑、控制和传递。交互性在于，使用者对信息处理的全过程能进行 完全有效地控制，并把结果综合地表现出来，而不是单一数据、文字、图形、图 像或声音的处理。交互性向用户提供更加有效的控制和使用信息的手段和方法， 同时也为应用开辟了更加广阔的领域。当交互性引入时，活动( a c t i v i t y ) 本身作为 一种媒体便介入了信息转变为知识的过程。借助于活动，我们可以获得更多的信 息。如在计算机辅助教学、模拟训练、虚拟现实等方面都取得了巨大的成功。 3 多媒体系统的集成性 多媒体技术是多种媒体的有机集成。它集文字、文本、图形、图像、视频、 语音等多种媒体信息于一体。它像人的感官系统一样，从眼、耳、口、鼻、脸部 表情、手势等多种信息渠道接收信息，并送入大脑，然后通过大脑综合分析、判 断，去伪存真，从而获得准确的信息。所谓集成性，除了声音、文字、图像、视 频等媒体信息的集成，另一方面还包括传输、存储和呈现媒体设备的集成。 4 多媒体系统的协同性 每一种媒体都有其自身规律，各种媒体之间必须有机地配合才能协调一致。 多种媒体之间的协调以及时间、空间和内容方面的协调是多媒体的关键技术之一。 5 实时性 所谓实时性是指在多媒体系统中多种媒体间无论在时间上还是在空间上都存 在着紧密的联系，是具有同步性和协调性的群体。例如，声音及活动图像是强实 时的( h a r dr e a l t i m e ) ，多媒体系统提供同步和实时处理的能力。这样，在人的感 官系统允许的情况下，进行多媒体交互，就好像面对面( f a c e t o f a c e ) 一样，图像 和声音都是连续的。随着多媒体信息处理和集成技术的发展，多媒体仿真技术已 赋予计算机技术新的拓展空间，使仿真技术有了“可见性、交互性”的进步。 3 1 1 多媒体技术手段 1 音频技术 在多媒体系统中，声音是指人耳能识别的音频信息，如人发出的话音，乐器 声，动物发出的声音，机器产生的声音，自然界的各种声音等等，也包括各种人 工合成的声音。在应急故障模拟培训领域，音频技术主要用于车辆发生故障时警 铃、报警声，设备故障时产生的声音等音频信号。这些声音信息通过预先采集和 编辑，可以使学员有更好的现场体验感。 2 图形、图像技术 图形一般指用计算机绘制的直线、园、弧、矩形、任意曲线和图表等。图形的 格式往往是一组描述点、线、面等几何图形的大小、形状及其位置。图形主要用 于表示线框形图画、工程制图等领域。图像是指由输入设备( 相机，摄像机等) 录入的自然景观，或以数字化形式存储的任意画面。静止图像是一个矩阵点阵图， 矩阵的每个点称为像素点，由矩阵点组成的图形称为位图。图像文件受分辨率、 图像灰度以及文件大小等因素的限制。随着计算机处理能力的提高，无论是图形 还是图像，都可以看作一个矩阵点阵图，但经过计算机自动识别跟踪后，点阵图 又可转变为矢量图。图形和图像相结合，更能适合媒体表现的需要。 在应急故障仿真培训中，图形和图像技术将全面表现应急故障的图片信息。通 过这种表现方式，不仅可使受训者清楚地观察到应急故障的各种表现形式，刺激 受训者的视觉记忆，提高学员的视觉认识程度，而且有助于学员理论与实践的结 1 4 合学习。 3 视频与动画技术 若干有联系的图像数据按一定的频率连续播放，便形成了动态的视频图像。动 画是借助计算机生产的一系列连续运动的图画，用多媒体技术实现动画有两种， 一种是造型动画，另一种是帧动画。造型动画是对每一个活动的对象分别进行设 计，赋予每一个对象一些特征，然后用这些对象组成完整的帧；而帧动画是由一 幅幅连续的画面组成的图形或图像序列。与视频影像不同，这些图形( 或图像) 是由 计算机绘制成的非真实图形或图像。本文部分采用了帧动画技术。 3 1 2 多媒体编程与多媒体教学 基于多媒体技术概念，产生了基于w i n d o w s 平台的多媒体编程技术。多媒体 编程技术应用w i n d o w 或其他操作系统中的多媒体设备和媒体控制接口( m e i ) ，集 合操作系统中的多媒体文件( 文本、图形、图像、动画、声音、视频等) 进行系 统设计。而多媒体教学是指通过以计算机为核心的信息技术对与教学有关的文字、 数据、图形、图像、动画、声音等各种多媒体信息进行综合处理，形成教学内容 和手段的教学方式。 需求分析 l 士 10 i 脚本设计 创意设计 结构设计 ； 素材搜集 i 素材编辑 代码编写 i 程序测试、运行 图3 1 多媒体编程流程 f i 9 3 1m u l t i m e d i ap r o