摘要：针对城轨专用通信设备实训教学面临的资源有限、效果欠佳、安全风险高及技术更新滞后等问题，设计并开发了一种基于客户端-服务器（Client-Server，C/S）架构的虚拟仿真实训系统。通过集成虚拟现实、仿真引擎、网络通信及数据库等技术，按照数据采集、预处理、传输、分析及应用流程，实现场景选择、设备安装、拓扑配置、调试验证及综合评价等功能，以满足高度模拟真实场景、实训场景丰富多样及实训过程互动性强等需求。实际应用表明，该系统能有效实现上述功能，显著提升实训教学质量，并有效提升学生的维护技能水平。
城轨专用通信设备在列车运行指挥、公务联络和传递各种信息方面具有重要作用，是保证列车安全、快速、高效运行不可缺少的综合通信设备。随着城轨领域智能化技术的广泛应用，对应的城轨专用通信设备也在快速迭代升级，呈现越来越智能、越来越复杂的特征，对城轨专用通信设备维护人员也提出了新的更高要求。
在此背景下，运用虚拟仿真技术模拟真实的城轨专用通信设备维护操作环境，为学生提供安全、高效、低成本的实训平台，已成为有效解决当前城轨专用通信设备维护实训“拆不了、看不到、成本高、风险高”等特殊困难的创新教学手段。
本文基于需求分析，以实际城轨专用通信设备为原型进行三维建模，通过虚拟现实、仿真引擎、网络通信、数据库等技术，聚焦并设计开发场景真实、设备齐全、功能完善的城轨专用通信设备维护虚拟仿真实训系统，以满足城轨专用通信设备维护领域相关技能人才培养的实训教学、技能培训、竞赛训练等需求。
1需求分析
1.1高度模拟真实场景
为实现高质量的城轨专用通信设备维护实训效果，系统需具备高度模拟真实场景的能力，对设备的外观、结构、工作原理及工作环境进行精确还原，并支持不同工作流程下的多种操作模式和故障场景，以满足不同层次的实训教学需求，助力不同层次学生更好地理解和掌握设备维护技能，提升其应对复杂工作场景的能力。
1.2实训场景丰富多样
为满足多样化的实训需求并提升学生的综合素质和能力水平，系统需提供丰富多样的实训场景，具体包括：①日常巡检、故障排查、设备更换与维护等多种典型任务场景；②突发故障的应急处理场景等，对接行业最新需求，以培养行业所需、上岗即用的技能人才。
1.3实训过程互动性强
为提高实训过程的互动性和趣味性，培养学生的主动学习意识，系统需具备强大的交互功能，具体如下：①实时有效的反馈机制、直观易用的用户界面、灵活丰富的人机交互方式等；②支持多人在线协同实训功能，以模拟真实工作环境中的团队协作场景，培养学生的协作能力和团队精神。
1.4支持远程在线实训
为打破学生学习时间和空间的限制，满足远程教育和自主学习的需求，系统需支持远程在线实训功能。这要求将系统部署在云平台上，支持PC、平板、手机等多种终端访问方式，使学生随时随地通过网络访问并进行实训操作和学习。
1.5具备综合评价功能
为全面评估学生的实训效果，为教师提供针对性的教学改进建议，系统需具备如下综合评价功能：①通过自动评分对学生的实训过程进行全面客观评价；②通过数据自主分析功能对学生的实训数据进行自动统计分析，总结教学中的问题和不足；③通过生成综合评价报告功能展示实训过程的详细评价内容，并提出具体的改进建议，促进新质技能人才培养质量的持续提升。
2系统设计
2.1系统整体架构
本系统采用C/S架构，兼顾可扩展性与可维护性，其核心框架由客户端、服务器端和数据库3个部分构成。客户端提供用户交互界面，支持设备安装与设备维护等实训操作；服务器端作为系统中枢，负责处理客户端请求并执行相应的业务逻辑；数据库则承担系统数据的存储与管理任务，确保数据的安全性、完整性和一致性。
2.2设备安装子系统架构
设备安装子系统架构涵盖无线通信、有线传输、集中告警、电话、时钟、广播、闭路电视监控系统（Closed-Circuit Television，CCTV）、乘客信息系统（Passenger Information System，PIS）和电源等多个关键子系统及其对应的核心设备。本子系统架构的核心任务是对这些关键子系统的设备进行安装操作，具体涵盖从场景选择、设备展示、设备选择、设备安装、线缆连接到设备上电的全过程。
2.3设备维护子系统架构
设备维护子系统架构是综合性的网络管理体系，主要由设备管理与参数配置、网络集中维护管理及设备组网拓扑结构展示与管理3个模块构成。其中，设备管理与参数配置模块主要管理专用通信设备（如车站设备、光发射器、调度设备）和基本通信设备（如交换机、路由器、电话机），保障设备维护的基本操作；网络集中维护管理模块通过系统管理、运行监控及交互反馈机制，实现对设备维护过程的全面监控与及时响应；设备组网拓扑结构展示与管理模块提供直观的设备拓扑界面，便于集中管理和监控系统架构，确保设备维护操作的稳定性和可靠性。
2.4数据库管理子系统架构
数据库管理子系统架构涵盖场景管理、设备安装与配置、连接管理、网络管理中心、告警处理、协议管理、业务验证、拓扑管理、数据配置与管理、用户认证与登录、用户账号管理、考试系统支持以及登录日志记录等核心功能，可实现数据的集中存储、高效访问与安全管理，进而构建稳定、可靠、高效的数据库管理子系统。
3系统实现
3.1技术路线
基于城轨专用通信设备维护的复杂性及实操中的挑战性，按照“数据采集—数据预处理—数据传输—数据分析—数据应用”的数据处理流程，将系统技术实现分为数据采集与三维建模、数据预处理与场景构建、数据传输与交互实现、数据分析与结果反馈、业务应用与综合评价等多个阶段，旨在构建高度逼真、功能完备的虚拟实训环境。
3.1.1数据采集与三维建模阶段
基于三维扫描、逆向工程及虚拟现实等技术，采集与实物外观高度一致的设备形状、尺寸、结构等几何数据；采集与实物设备相符的工作原理、操作界面、指示灯状态等功能数据；采集与真实场景一致的设备安装环境、设备布局等环境数据，最终构建外观、功能、环境等方面都与实物高度一致的虚拟模型，为虚拟仿真实训系统的构建奠定设备模型基础。
3.1.2数据预处理与场景构建阶段
对数据采集阶段获取的原始数据进行清洗、去噪、拼接和优化等预处理工作，以提高数据的质量和可用性。利用三维建模和虚拟现实技术构建高度逼真的城轨专用通信设备维护虚拟实训场景，包括城轨专用通信系统各种设备的外部结构拆装、内部原理解析、现场作业环境及常见的维护操作、设备检修等场景，为后续虚拟仿真实训系统的构建奠定丰富的场景基础。
3.1.3数据传输与交互实现阶段
采用云计算、数据压缩、分布式存储等技术，保障三维模型数据、场景数据、用户操作数据及系统反馈数据等各类数据的高效、稳定传输，确保实训过程的连贯性和实时性。构建用户与虚拟实训环境之间的交互机制，使用户能够通过操作界面与虚拟设备进行互动，模拟真实的维护操作流程和故障处理场景。
3.1.4数据分析与结果反馈阶段
对用户在虚拟实训环境中的操作数据、行为数据及系统运行状态数据进行智能化分析，评估用户的维护技能水平，指出其在实训操作中的错误和不足。运用机器学习算法、统计分析方法和数据挖掘技术，以图表、报告等形式展示给用户，便于其清晰地了解自身学习情况；将系统运行状态和数据分析结果实时展示在监控平台，帮助系统管理员实时监控系统状态，提供优化虚拟实训环境的切入点。
3.1.5业务应用与综合评价阶段
本系统可应用于模拟实操、故障排查、应急演练等相关的实训教学、员工培训、技能竞赛等业务场景，以满足不同层次、不同场合的实践实训要求。提供涵盖操作技能、知识掌握、应对能力、团队协作等多维度、全方位的综合评价结果，并以成绩单、技能报告、进步曲线等形式展现给用户，帮助其更客观、准确地了解自身学习情况。
3.2功能模块
3.2.1场景选择模块
为用户提供灵活的场景选择，以应对不同的教学与实践需求。支持用户从预设的丰富场景库中选择，或自主创建地上站台、地下站台、中心机房、中心调度室及监控室等场景。用户可通过直观易用的主界面菜单栏与地图操作工具，轻松实现场景的添加、编辑、保存与删除，并支持在场景中通过点击鼠标右键查看和编辑设备的布局和属性。
3.2.2设备安装模块
用户可基于具体的教学或实验需求，在中心机房、中心调度室等关键场景中，灵活安装路由器、调度系统、服务器、电源系统及监控大屏等多种通信设备。通过拖拽方式，即可直观地将所选设备布置于指定位置，借助设备连线功能构建设备之间的物理连接，确保系统拓扑结构的准确性。
此外，还提供电源配置选项，允许用户根据需求选择适当的电源模式并安装相应的电源系统或电源柜，为设备稳定运行提供可靠保障。
3.2.3系统拓扑模块
支持用户一键切换至网管界面，直观呈现设备间的连接关系与拓扑图，实现对系统结构的可视化管理。通过本模块中的集中网管功能，所有已安装设备可被自动整合成完整的拓扑图，极大简化系统配置流程。此外，用户还能利用重置视图功能对拓扑图进行精细化调整、优化布局等操作。
3.2.4系统调试模块
提供丰富的设备调试工具，具体功能如下：①设备预览功能，使用户能清晰地了解各设备的名称、功能及在系统中的作用；②系统自检功能，可自动检测各设备参数配置的正确性，及时发现并纠正潜在错误；③系统开启与停止控制功能，使用户能灵活管理系统的运行状态；④系统告警功能，可实时显示自检后的告警信息，辅助用户快速定位问题并进行修正。
3.2.5系统验证模块
集成动态路由与路由仿真技术，能直观展示业务验证后的路径，通过高亮线条或动态小球模拟实际运行线路，为用户提供清晰的业务流向视图。此外，本模块还具备实验报告生成功能，可自动记录并整理实验内容、过程及结果，为用户提供全面、准确的实验数据支持。
3.2.6综合评价模块
综合评价旨在全面评估用户的操作水平和实训效果，教师设定实训任务并编制标准答案后，系统可自动对学生的实操能力进行量化评估。结合实训考核过程，综合评价模块能生成综合评分细则，为用户提供全方位、多维度的技能与知识掌握情况反馈，为教学质量的持续提升提供参考依据。
4结束语
为解决城轨专用通信设备实训教学中实训资源有限、效果欠佳、安全风险较高、技术更新滞后等问题，本文设计开发了城轨专用通信设备维护虚拟仿真实训系统。该系统基于C/S架构进行整体设计，采用虚拟现实、仿真引擎、网络通信、数据库等技术，按照“数据采集—数据预处理—数据传输—数据分析—数据应用”的流程，实现场景选择、设备安装、系统拓扑、系统调试、系统验证、综合评价等功能模块。其有效降低了实训成本，显著提升了学生的维护技能水平，具有广泛的应用前景。未来，将进一步优化系统性能，拓展实训内容，推动城轨专用通信设备实训教学质量的持续提升。
本文得到2024年度广东交通职业技术学院教科研项目“虚拟仿真技术赋能轨道通信类课程的实验教学改革”（编号：GDCP-ZX-2024-026-N1）；中国交通教育研究会2022—2024年度教育科学研究课题“‘人工智能+轨道交通’交叉融合教学及实践应用探索”（编号：JT2022YB072）的资助。
作者：殷玲，曾光
单位：广东交通职业技术学院
本文刊于《科技与创新》2026年1期
编辑：严丽琴 转载请注明
