在铁路运输生产中，铁路编组站调车作业的安全问题较为突出，一线工作人员在培训中存在容易受伤的情况。造成这种情况的原因不仅有作业模式、作业制度等因素，也有铁路职工业务培训的问题^[1]。传统的铁路调车作业培训存在效果不佳、安全性低、方式不先进等问题^[2]，而虚拟现实（VR，Virtual Reality）技术能够对现实环境进行创建和仿真，使人可以沉浸在现实环境中进行交互。将VR技术应用于铁路编站组调车作业培训可以有效弥补传统的铁路调车作业培训所存在的不足，提高了调车作业工作人员培训效果，达到了培训目的。

本文将VR技术与铁路编组站调车作业培训相结合，针对铁路调车作业内容，搭建了一套基于VR技术的铁路编组站调车作业认知与操作实验平台——铁路编组站调车作业培训平台（简称：VR培训平台）。

1   培训思路

1.1   岗前培训

新入路的调车作业工作人员在进入铁路编组场作业区前，需要先进行岗前培训。岗前培训采用课堂授课与VR培训平台相结合的形式，利用课堂讲授铁路的基础知识，再使用VR培训平台的漫游功能，使新入路的调车作业工作人员沉浸式地学习铁路技术设备及铁路编组站的作业流程。在完成岗前培训的安全知识课程后，新入路调车作业工作人员使用VR培训平台进行安全知识测试，测试合格后才能进入铁路编组站作业现场。本文以中国铁路北京局集团有限公司丰台西站（简称：丰台西站）为例，介绍VR培训平台的功能和相关流程。

1.2   常规培训

VR培训平台可以提供铁路编组站调车作业的常规培训，完成标准化演练、非正常调车作业场景的虚拟再现。同时，VR培训平台还提供考试功能，来完成调车作业工作人员岗位资格性和适应性培训。

2   设计方案

2.1   主要界面

2.1.1   管理界面

VR培训平台的管理界面，如图1所示，由5个模块组成，主要提供系统管理功能和培训练习管理功能。系统管理模块体现系统的管理功能，主要提供用户（学员、管理员）的注册和权限设置，其中，学员用户为使用该系统的调车作业工作人员，管理员用户为调车作业管理部门的相关领导。培训练习管理功能包括设备资源库查询系统、丰台西站场景漫游系统、调车作业培训练习系统和考试系统，主要提供面向学员用户的多种练习模式、练习记录查询；面向对于管理员用户的调车作业工作人员练习项目及次数记录、练习过程监控，以及成绩导出汇总等功能^[3]。

图  1  VR培训平台的管理界面

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2.1.2   设备资源库界面

设备资源库存储了铁路编组站车务系统作业设备的基本信息。用户可以在设备资源库中查询到所存储的设备信息，其中，设备信息包括设备照片和文字介绍。

2.1.3   漫游界面和实操练习界面

在VR培训平台的漫游界面中，用户可以浏览铁路编组站所有的作业场景，如图2所示。为了便于学员用户快速到达目标作业场区，VR培训平台设计了位置导航功能，其界面如图3所示。以丰台西站为例，导航窗口包括丰台西站各作业场区的位置选项。当学员用户选择某个目标作业场区时，漫游界面会自动跳转到相应的作业场区，从而使学员用户的学习效率得到提高。

图  2  VR培训平台的漫游界面作业场景

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图  3  VR培训平台的位置导航界面

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2.2   培训内容

VR培训平台的培训内容主要包括调车作业的正常场景练习、非正常场景练习和考核3部分，其中，调车作业的练习以引导、虚拟操作和警示为主。在每一步虚拟操作前，VR培训平台会提示下一步应该做什么，以及如何做，以使学员用户养成按标准进行调车作业的习惯^[4]。

VR培训平台正常调车作业场景主要有3种：（1）面向制动员的单挂车编组作业场景；（2）面向连结员的多挂车编组作业场景；（3）面向调车长的多挂车编组作业场景。

VR培训平台非正常调车作业场景包括车辆溜逸场景。

VR培训平台考试系统包含上述所有场景。

2.2.1   正常调车作业场景

本文以丰台西站为例，对VR培训平台正常调车作业场景的练习流程进行介绍。

2.2.1.1   面向制动员的单挂车编组作业场景

面向制动员的单挂车编组作业练习的具体流程如图4所示。单挂车编组即该批调车作业需要编组的所有车辆集结在同一股道内^[5]，不需要进行额外甩挂的编组作业。

图  4  面向制动员的单挂车编组作业练习流程

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VR培训平台面向制动员的单挂车编组作业练习流程关键点如下。

（1）判断学员用户入场作业是否走固定径路，横越线路前是否执行“一站立、二指看、三通过”制度^[5]。若有违规行为，VR培训平台出现由车辆撞击所造成的人身伤害效果。

（2）判断学员用户是否按照调车作业计划进入正确的股道作业。若有违规行为，VR培训平台显示系统提示进入错误股道，并返回上一步。

（3）判断学员用户在作业过程中是否侵入限界，其中，限界包括进入钩当、车端部、车底、临线等。若有违规行为，VR培训平台显示由车辆撞击所造成的人身伤害效果。

（4）当学员用户选择“同意挂车”时，判断学员用户是否检查完全部车辆的连挂状态、货物装载状态等。若未检查完，VR培训平台提示车辆未检查完毕错误。

（5）当学员用户处理“怼钩”时，判断学员用户是否使用“红键锁闭”进入钩当作业。若未使用，VR培训平台显示由车辆撞击所造成的人身伤害效果。

（6）当车列牵出试拉时，判断该车列是否全部连挂妥当。若未连挂妥当，VR培训平台返回挂车界面，继续编组。

（7）判断学员用户选择的扒乘车辆、扒乘时机是否正确。若选择错误，VR培训平台显示由车辆撞击所造成的人身伤害效果。扒乘车辆的选择标准为车梯完好的棚车、敞车。扒乘车辆时机的选择标准为车辆运行速度小于或者等于15 km/h。

（8）判断学员用户选择的下车时机、地点是否正确。若选择错误，VR培训平台显示由车辆撞击所造成的人身伤害效果。下车时机的选择标准为车辆运行速度≤20 km/h。下车地点的选择标准为缓冲沙坑处。

2.2.1.2   面向连结员的多挂车编组作业场景

面向连结员的多挂车编组作业具体流程如图5所示。多挂车编组作业即该批调车作业需要编组的车辆不在同一股道内，需要跨及多个股道进行车列编组^[6]。

图  5  面向连结员的多挂车编组作业具体流程

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VR培训平台面向连结员的多挂车编组作业流程关键点如下。

（1）判断学员用户入场作业是否走固定径路，横越线路前是否执行“一站立、二指看、三通过”制度。若有违规行为，VR培训平台出现由车辆撞击所造成的人身伤害效果。

（2）判断学员用户是否按照调车作业计划进入正确的股道作业。若有违规行为，VR培训平台显示系统提示错误，返回上一步。

（3）判断学员学员用户在作业过程中是否侵入限界。识别限界包括：进入钩当、车端部、车底、临线等^[7]。若有违规行为，VR培训平台显示由车辆撞击所造成的人身伤害效果。

（4）当学员用户处理“怼钩”、连结制动软管时，判断学员用户是否使用“红键锁闭”进入钩当作业。若未使用，VR培训平台显示由车辆撞击所造成的人身伤害效果。

（5）判断用户选择的扒乘车辆、扒乘时机是否正确。若选择错误，VR培训平台显示由车辆撞击所造成的人身伤害效果。扒乘车辆的选择标准为车梯完好的棚车、敞车。扒乘车辆时机的选择标准为车辆运行速度≤15 km/h^[8]。

（6）当车列牵出折返时，判断学员用户是否指挥车列折返，按正确的信号机停车。若信号机不正确，VR培训平台显示系统提示错误，车列继续运行。

（7）当推进车列连挂时，判断学员用户是否及时、正确地显示“十、五、三车”距离信号。若信号未及时显示或显示错误，VR培训平台出现由车辆超速连挂所造成的人身伤害效果^[9]。

2.2.1.3   面向调车长的多挂车编组作业场景

面向调车长的多挂车编组作业具体流程如图6所示。调车长作为调车指挥人员^[10]，对班组作业的安全和效率起着至关重要的作用^[11]。

图  6  面向调车长的多挂车编组作业具体流程

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VR培训平台面向调车长的多挂车编组作业流程关键点如下。

（1）判断学员用户入场作业是否走固定径路，横越线路前是否执行“一站立、二指看、三通过”制度^[12]。若有违规行为，VR培训平台显示系统提示错误，并展示由车辆撞击所造成的人身伤害效果。

（2）判断机车入线挂车是否执行“四不挂”原则。若有违规行为，VR培训平台显示系统提示错误。“四不挂”的判定标准为：车辆未检查完不挂、人不齐不挂、车不齐不挂、压三部位不挂。

（3）当学员用户指挥机车连挂时，判断学员用户是否及时发出信令。若学员用户未及时发出信令，系统显示车辆撞击的人身伤害效果。信令及时发出的判断标准为系统模拟的组员在3 s内发出相关信令。

（4）当需压轨道绝缘牵出车列时，判断学员用户是否及时呼叫行车楼。呼叫及时的判断标准为学员用户发送“牵出”信令前。若学员用户未及时呼叫行车楼，系统提示错误并返回上一步。

2.2.2   非正常调车作业场景

调车作业的非正常情景是传统的培训形式无法实现的，而这恰好是调车作业人员最需要培训的内容。VR培训平台将VR技术与铁路编组站调车作业培训相结合，对非正常调车作业场景进行建模，搭建虚拟场景，使调车作业工作人员能够在非正常调车作业的虚拟场景中进行沉浸式培训，积累经验^[13]。

车辆溜逸属于铁路调车作业中常见的非正常场景。当发生车辆溜逸时，调车作业工作人员需要根据现场情况灵活果断地进行处置。现今铁路站段对于车辆溜逸的处置具体如下。

（1）当车辆溜逸发生时，在确保人身安全的前提下，调车作业工作人员应迅速采取各种可行的制动方法，使溜逸车辆尽快停下。

（2）当溜逸车辆无法停下时，调车作业工作人员应迅速使用无线电台，向操纵助理值班员汇报情况，让其将溜逸车辆前方的有关道岔开通至不能进入区间或接发列车进路的线路。

（3）当对溜逸车辆采取停车或减速措施时，调车作业工作人员要注意人身安全人身安全^[5]。

在上述处理方法中，“采取各种可行的制动方法”为笼统概括，具体有哪些方法是可行有效且兼顾人身安全的？调车作业工作人员应该如何操作？这些才是调车作业工作人员真正应该在培训中学习和掌握的。VR培训平台通过VR技术对非正常调车作业场景进行模拟，使学员用户能够身临其境地进行操作、体会、思考，以在现场遇到类似情况时，能够迅速妥当处置^[4]。

本平台以车辆溜逸为例，对非正常调车作业场景进行介绍。车辆溜逸场景模拟如图7所示。车辆溜逸以甩车（减轴）为例，被甩车辆的临时停留采用铁鞋防溜。《铁路技术管理规程》规定，必须先采取防溜措施，然后摘开车钩；但当车钩处于拉伸状态无法提开时，需要连结缓钩，让车钩处于压缩状态后再提钩。由于图7所示的被甩车辆缓钩时仍插着铁鞋，调车机司机很难掌握连结缓钩的力度。当力度过大时，调车机司机的操作容易挤掉铁鞋，从而发生车辆溜逸；力度过小时则无法达到缓钩效果。

图  7  车辆溜逸场景模拟

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本文以司机缓钩力度过大而导致车辆溜逸的情况为例，介绍非正常调车作业场景流程，如图8所示的关键点，具体如下。

图  8  车辆溜逸调车作业流程

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（1）当提钩时，VR培训平台判断学员用户是否已做好防溜措施。设置铁鞋防溜的方法与标准：铁鞋安插的位置应在被防溜车辆的两端最外侧车轮处，一位端、二位端各码放一只；两鞋尖对向摆放，且应贴紧车轮踏面，牢靠固定。摆放铁鞋时，调车作业工作人员应使用手钩。

（2）当车辆发生溜逸时，若学员用户选择使用铁鞋阻止车辆继续溜逸，VR培训平台需要识别学员用户是否人身安全，是否及时有效地采取措施。人身安全的判断标准为学员用户未与机车车辆接触。措施有效的判断标准为学员用户在溜逸车辆挤岔前完成操作。

（3）对于经验不足的学员用户来说，使用铁鞋的应急制动方法危险性大、操作难度大。此时，经验不足的学员用户用应及时通过无线电台向操纵助理值班员汇报情况，让其将溜逸车辆前方道岔开通至安全方向。若学员用户在VR培训平台未完成此操作，则平台提示错误，显示溜逸车辆挤岔冲突效果。措施有效的判断标准为学员用户在溜逸车辆挤岔前完成操作。

2.2.3   考试系统

当进入VR培训平台的考试系统后，学员用户可以选择任意一个场景进行考试。考试系统界面如图9所示。在考试过程中，VR培训平台将学员用户做错的内容在后台进行记录，并扣除相应分值。当考试结束后，VR培训平台显示用户的最终得分和错误项点^[14]。

图  9  考试系统界面

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VR培训平台考试系统的流程如图10所示。

图  10  VR培训平台考试系统流程

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3   优势分析

3.1   增加非正常调车作业场景训练

在传统的铁路编组站调车作业培训中，对非正常调车作业场景的培训只能停留在文本层面。而VR培训平台让调车作业工作人员能够身临其境地进行培训，对非正常调车作业场景进行体验、操作，使其应急水平得到提高，弥补了传统培训的不足。

3.2   保障培训质量标准

在铁路编组站调车作业实操培训中，缺乏经验的调车作业工作人员（又称：学员）通常会由经验丰富的调车作业工作人员（又称：师傅）进行指导。而师傅所传授的作业方法、作业习惯、作业思维等往往对学员产生根深蒂固的影响，因此，师傅的业务水平很大程度上决定了调车作业实操培训的质量。

学员人数的增多使师傅无法高质量地完成实操培训。通过VR培训平台对学员进行培训，不仅可以让学员掌握作业标准，还可以培养学员的安全意识和规范动作。VR培训平台保障了培训质量，也尽量地规避了人的因素对培训的影响。

3.3   多样化培训形式

随着计算机技术的发展，铁路行业的管理系统也逐渐向智能化、便捷化转变。VR技术在铁路编组站调车作业培训的应用，不仅丰富了传统的培训形式及理念，增加培训的内容，而且提高了培训的灵活性，改善了调车作业实操培训受条件限制的现状。同时，VR培训平台也激发了调车作业工作人员的学习兴趣，提高了培训质量^[15]。

3.4   提高培训安全性

在铁路编组站调车作业实操培训中，师傅往往采用边干边教的形式。对于缺乏经验的学员来说，这种形式容易让其产生紧张情绪。即使有师傅在旁边保护，学员在参加实操培训时也面临一定的危险。VR培训平台可以让学员在绝对安全的环境下，提前熟悉调车作业场景和操作内容，掌握安全规范和动作要领。

4   结束语

本文提出了将VR技术与铁路编组站调车作业培训相结合的思路，介绍了基于VR技术的铁路编组站调车作业培训系统界面、功能模块、培训场景。VR培训平台弥补了传统铁路调车作业培训手段非正常场景缺失、培训安全性差、培训内容枯燥等不足，为其他工种的作业培训提供了新思路。目前，VR培训平台只支持用户单机操作的模式，其他配合人员为电脑模拟，那么，未来将对不同岗位的多人同时在线配合操作模式进行研究。

基于VR技术的铁路编组站调车作业培训系统是跨学科性质的研究，涉及了VR技术、三维建模技术、培训教育、铁路编组站作业等诸多领域，因此在很多方面仍可以进行更深入的研究。