[发明专利]虚实结合的城市轨道交通模拟仿真实训装置和方法

说明书

所属技术领域

本发明所属技术领域为城市轨道交通职业教育领域。用于大中专院校的城市轨道交通专业及地铁运营公司的实训教学。

背景技术

目前全国职业教育行业对城市轨道交通学科和实验室建设刚刚起步，相关设备一般都体积庞大，结构复杂、价格昂贵，不具备开展多人同时教学的条件。目前基于软件的虚拟现实模拟仿真技术虽然已经有应用，但单一的虚拟仿真实训毕竟是在虚拟的现场和设备上进行的操作训练，与真实的设备差距很大，无法感受触觉及真实现场所具有的氛围。培养实际生产操作中需要的紧迫感与慎重感，必须在实训装备上实现虚实结合，既模拟仿真软件技术与实际实训装备的结合。

发明内容

本发明提供了一种虚实结合的城市轨道交通模拟仿真实训装置和方法，整个系统由五部分组成：上位机控制和模拟仿真软件，基于嵌入式和单片机的一体化控制和采集模块，网络接口(TCP/IP，RS422/485，CANBUS)和连接装置，城市轨道交通车辆和站台设备实验台，终端测试箱；其解决技术问题的技术方案是：主控计算机通过通信接口(RS422/485，TCP/IP，USB)连接到一体化控制和采集模块，一体化控制和采集模块通过标准接插件接口连接到实验台预留接口，实现与实验台的物理通信连接，同时此标准接口可连接多个学生实验终端，实现电信号的同步检测。

本发明了实验台与计算机模拟仿真软件的双向通信和联动。根据当前需要使用的实验台，计算机模拟仿真软件可载入不同的实训装备的模拟仿真设备，显示实验台的机械结构，仿真环境下实现三维模拟拆装，工作原理、故障诊断与检修功能；同时，当城市轨道交通车辆和站台设备实验台执行实验时，计算机也能够采集到实验台状态变化，软件自动调用其仿真过程，跟随实验台状态，同步显示仿真过程的内部机械结构动作、电信号变化、工作原理等一系列仿真过程。计算机通过上位机模拟仿真可以控制实验台实现开关启停，故障模拟和清除，设置故障类型包括：过载、电流过大、器件损坏、短路、断路，信号干扰，电流过大，电压过低，系统保护隔离等故障，同时可模拟事故及突发事件，联网运营功能。本装置软件可以通过物理连接及A/D转换实时高速采集实验台电压、电流、波形等电信号状态，显示在计算机屏幕上，可投影供教学使用。一体化控制和采集模块采用总线结构，所有故障均可模块化，根据不同需求，可动态配置。

连接方式如附图

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果如下：

(1)理论教学与实际操作教学结合，课堂教学与现场实验台同步操作相结合，故障模拟与实物检测相结合，当使用软件在计算机上实现模拟仿真教学的同时，各个城市轨道交通车辆和站台设备实验台可同步工作，使用学生检测终端可检测到所有实验台上的实时电信号，并在模拟仪表的形式显示在计算机屏幕上，实现多人同时在线的教学。

(2)多个城市轨道交通车辆实验台、专用机电设备实验台通过网络(TCP/IP，RS422/485，CANBUS)接口和基于嵌入式和单片机的下位机控制系统连接，组成网络联合实训硬件系统。计算机模拟仿真软件通过网络接入与所有实验台连接，可通过软件控制所有实验系统和联网互动。

(3)基于VR的模拟仿真软件在计算机上真实还原现场及城市轨道交通实训设备，与实物按照1∶1比例实现三维机械结构展示和拆装、工作原理、故障诊断与检修、维修考核等功能。软件和硬件联合既可实现理论教学，也可实现实物现场教学，软件展示与现场实物完全一致，通过软件在实验台上设置的硬故障为真实故障，通过学生测试终端支持多人同时检测。

(4)模拟仿真软件可单独使用，也可以通过网络与多个实验台连接，控制实验台实现开关启停、故障模拟和清除(过载、电流过大、器件损坏、短路、断路)、事故以及突发事件，联网运行等功能。

(5)能够实时高速采集实验台上所有电压和波形信号，显示在计算机屏幕上，并与软件通信，实现实验台与模拟软件上的即时联动。

(6)通过教师服务器计算机可为不同实验台分配不同故障，考核模式下，学生使用检测终端和配套软件，同时进行检测和考核，实现理论、实操、考核过程的一体化教学。本装置可用于技能鉴定和技能考核比赛。

附图说明

(1)主控计算机

(2)一体化采集和控制装置

(3)城市轨道交通车辆和机电实验台

(4)终端测试箱

(5)模拟仿真软件

(6)信号采集模块

(7)故障模拟及控制模块

(8)网络接口(RS422/485，TCP/IP，CANBUS)