بخشی از مقاله
چکیده
شبیهسازهای آموزشی وسیلهای کمک آموزشی بوده که در سیستمهایی که استفاده از آنها جهت آموزش کاربران دارای هزینه و ریسک بالایی باشد، استفاده میشوند.[1] از آنجائیکه در طراحی و ساخت شبیهسازهای آموزشی کامل فناوریهای مختلف و تکنولوژیهای بالایی مورد استفاده قرار میگیرد، توانایی انجام طراحی و ساخت آن از عهده معدود شرکتی بر میآید. جهت انجام موفق ساخت شبیهسازها، طراحی مفهومی و شکست سامانه شبیهساز به زیر سامانهها حائز اهمیت میباشد. در این مقاله به شکست ساختار اولین شبیهساز آموزش راهبری قطار شهری کشور و روند ساخت آن پرداخته شده است.
-1 مقدمه
با توجه به پیچیدگی طراح و ساخت شبیهسازهای آموزش راهبری قطار، تمامی شبیهسازهای ریلی مورد استفاده در کشور تا سال 1395تماما طراحی و تولید شرکتهای خارجی بودند که از آن جمله میتوان به شبیهساز ساخت شرکت KMW آلمان مورد استفاده در مرکز آموزش شرکت رجاء، شبیهساز ساخت شرکت CORYS فرانسه مورد استفاده در مرکز آموزش مترو تهران، شبیهساز خریداری شده از شرکت Chengdu Yunda Technology چین جهت استفاده در مرکز آموزش مترو تبریز اشاره کرد.
در سال 1396 اولین شبیهساز آموزش راهبری قطار به صورت کاملا بومی در داخل کشور، طی حدود دو سال توسط مرکز توسعه فناوری شبیهساز آموزشی دریایی، سازمان صنایع دریایی، طراحی، تولید و تحویل شرکت بهرهبرداری قطار شهری مشهد گردید. سامانه شبیهساز آموزش راهبری قطار مطابق شکل - - 1 به زیر سامانههای مختلفی تقیسم گردید تا مسئولیت انجام هر بخش آن به گروه تخصصی آن محول و در نهایت توسط گروه یکپارچهسازی، مونتاژ و تست و تحویل شرکت بهرهبرداری قطار شهری مشهد گردید.
-2 سامانه نمایش
این بلوک مسئول تولید و نمایش کلیه تصاویر محیطی میباشد که راهبر از پنجره جلوی خود و مربی از روی نمایشگر مربوطه میبیند. این سامانه Unity3D Pro همچنین مسئولیت تولید تصاویر مربوط به آینههای نصب شده در ایستگاهها و صفحه نمایش CCTV را برعهده دارد. این تصاویر محیطی همخوان با حرکات ایجاد شده توسط سامانه حرکتی میباشد. از موارد با اهمیت در تولید محتوای مجازی، برداشت اطلاعات محیطی، طراحی، مدلسازی، نورپردازی و جلوههای محیطی مسیر قطار شهری مشهد شامل پستیوبلندیها، وسایل راهبری مثل سوزنها، چراغها، خیابانهای اطراف و خودروها، واگن قطار شهری و مسافران میباشد. در شبیهساز قطار شهری مشهد از موتور بازیسازی جهت تولید محتوای واقعیت مجازی استفاده شد.
1؛-2 تولید تصویر اشیاء محیطی
خط یک قطار شهری مشهد از ایستگاه غدیر در سمت شرق تا ایستگاه وکیلآباد در سمت غرب ادامه دارد، دارای 22 ایستگاه - 11 ایستگاه در زیرزمین و 11 ایستگاه بر روی زمین - و دو محوطه دپوی شرق و غرب میباشد که با توجه به طرح توسعه خط یک از ایستگاه غدیر تا ایستگاه فرودگاه - به طول تقریبی 5 کیلومتر - ، حدود 22 کیلومتر مدلسازی و چیدمان اشیاء محیطی انجام شد.
-2-1-1 برداشت اطالعات محيطي
برداشت اطلاعات محیطی شامل عکسبرداری، فیلمبرداری و موقعیتیابی از ایستگاهها، مسیر حرکت قطارها، ساختمانها، المانهای سیگنالینگ و راهبری - مثل مدار محورشمار، تراک فرکانسی، ماشین سوزن، دکلها، پایانهها، چراغ علائم، تابلوهای راهنما و اطلاعرسان - میباشد.
-2-1-2 مدلسازی اشياء محيطي
مدلسازی جزئیات ایستگاهها یکی از مهمترین موارد در مدلسازی اشیاء محیطی میباشد. مدلسازی جزئیات ایستگاهها شامل طراحی و جانمایی المانها و دیگر تسهیلات و امکانات موجود در ایستگاهها بر روی زمین مانند صندلیها، ظروف جمعآوری زباله، فضای سبز، پنلهای تبلیغاتی، چراغها، وسایل اطفاء حریق، اتاقک نگهبانی، گیتهای ورود و خروج مسافران میباشد. مدلسازی تونلها، مسیر بین ایستگاهها بصورتکاملاً واقعگرایانه انجامشده است.
در بخش مدلسازی تونلها و مسیر بین ایستگاهها، قسمت طراحی ریل و سازههای محوطه مانند زمین - پستیوبلندیها و زوایا - ، سیم برق، نرده، جدول، فضای سبزکاملاً لحاظ شده است. در مسیر روباز پلهای عابر پیاده و پلهای ماشینرو بهخوبی طراحیشدهاند که قابلیت تخریب نیز در آنها وجود دارد. برای مدلسازی خیابانهای فرعی مسیر بلوار وکیلآباد به جدولبندی حاشیه خیابانها، روشنایی چراغهای خیابان به همراه فضای سبز و نیز گونههای گیاهی آنها توجه ویژهای شده است.
مدلسازی تابلوهای خیابانها، پلهای عابر پیاده نیز بایستی در این بخش انجام گیرد. جهت ایجاد محیطی واقعیتر مدلسازی کوههای اطراف مشهد جهت قرارگیری در اطراف محیط سهبعدی قرار دادهشده است. در انتها حداقل 12 نمونه از اشیاء محیطی مهم در طول مسیر - مثل فان فار پارک ملت، بلندیهای وکیلآباد، بیمارستان فارابی، پل انتهای بلوار وکیلآباد و کانال زیرین آن در شهر مشهد که در مسیر مشخص هستند - طراحی شد. حرکت مسافران در محوطه ایستگاهها و ورود آنها به داخل قطار و نیز خروج آنها از قطار بصورتکاملاً هوشمند و واقعگرایانه بر اساس موقعیت قطار انجامشده است. تمامی مسافران کوتاهترین مسیر را جهت حرکت به سمت دربهای قطار استفاده میکنند.[2,3]
-2-1-3 جلوههای خاص تصويری و تشخيص برخورد
طراحی جلوههای خاصی مثل تغییر روز و شب، آسمان صاف و ابری باقابلیت تغییر حجم ابرها، بارش برف و باران باقابلیت تنظیم شدت بارش، تنظیم شدت مه گرفتگی و حجم آن، ایجاد طوفان و باد، آبگرفتگی روی ریل، دود در نمای بیرونی قطار، تنظیم شدت نور محیطی در تونل و فضای باز انجامشده است. هماهنگ شدن بافتها همزمان با بارش برف و تغییر روز و شبهنگام تنظیم ساعت قابلمشاهده است. تشخیص برخورد اشیاء توسط موتور فیزیک داخلی 32 بیتی نرمافزار واقعیت مجازی انجام شد که در آن با لایهبندی اشیاء و نیز دستهبندی اشیاء به زیر دستههای سرعتبالا، سرعت کم و بدون حرکت به کارایی بالایی رسیده است.[2,4]
4؛1؛-2 کارایی واقعیت مجازی
تمامی آزمودنها بر روی کارت گرافیک GTX1080 از شرکت انویدیا انجام شد که با تولید 30 فریم در ثانیه بهخوبی قادر به نمایش تصاویر تولیدشده بر روی تمامی نمایشدهندهها میباشد. حداقل تعداد اشیایی که در هرلحظه رندر میشود 000،58 مورد میباشد که هرکدام بهطور متوسط 000،2 چندضلعی را در خود جای میدهند.[4]
2؛-2 نمایش تصویر
سازه نمایش یک فریم فلزی است و صفحه نمایش که از جنس کامپوزیت ساخته میشود بر روی آن نصب شده است و کل این فریم از طریق دستکهای فلزی به بدنه کابین متصل میشود، لذا در هنگام حرکت کابین قطار، صفحه نمایش نیز همراه با کابین، حرکت خواهد کرد. سازه نمایش به گونهای ساخته شده است که حرکت کابین باعث ایجاد لرزشهای اضافی در آن نشود. جهت نمایش محیط روبروی راهبر، از ویدئوپروژکتور استفاده شده است این وسیله قادر است تا با دریافت تصویر از کامپیوتر تولید تصویر، آنرا بر روی صفحه نمایش منعکس کند. چیدمان ویدئوپروژکتور بصورت Front Projection می باشد. این ویدئوپروژکتور بر روی سقف کابین نصب شده است. در این پروژه، جهت کاهش فاصله صفحه نمایش از کابین راهبر و پوشش حداکثری فضای قابل دید راهبر، از ویدئوپروژکتور Ultra Short-Throw مدل Vivitek D7180 HD استفاده شده است.
-3 سامانه حرکتی
این بلوک مسئول ایجاد حرکات برای کابین راهبر شبیهسازی شده میباشد که این حرکات باید متناسب با حرکات کابین اصلی قطار و وضعیتهای مختلف مسیر باشد، این امر توسط یک سکوی متحرک شش درجه آزادی و مدل دینامیکی مربوطه ایجاد شده است.
1؛-3 سکوی شش درجه آزادی
سکوی متحرک طراحی و ساخته شده برای این شبیهسازی، ربات استوارت با تحمل بار 2500 کیلو گرم به همراه سه جک پنومات غیر فعال می باشد. طراحی بهینه ربات ازنظر سینماتیکی، یکی از اهداف اصلی در طراحی این سکو بود. با بهینهسازی ربات و انتخاب مناسب موقعیت مفاصل، فضای کاری ربات بیشینه و بهدوراز تکینگی قرار گرفت. دستیابی به شتابها و سرعت و موقعیتهای مطلوب در فضای کاری ربات، با بیشترین چالاکی و کمترین نیروی دینامیکی ربات در طول مسیر حرکتی، همچنین حداقل ساختن نیروی ایستایی در کل فضای کاری پیمایش شده ربات بصورت انتقالی، دورانی و ترکیبی ازجمله مواردی است که در طراحی مکانیکی سکوی متحرک موردتوجه قرار گرفت.
شبیهسازی و تطبیق نتایج دینامیکی و سینماتیکی سکو به چهار روش: Matlab codes، SolidWorks، Adams و Simulink صورت گرفت. طراحی صحیح محرک ربات نقش بسزایی در عملکرد آن دارد. در طراحی محرک بال اسکرویی، روی قسمتهایمتفاوتِ آن مطالعات زیادی شد. در محرکهای سکوی متحرک، حرکت توسط یک سروو موتور تأمین میشود. در طراحی این محرک، تسمه و پولی به علت دقت بیشتر نسبت به سیستم انتقال قدرت چرخدندهای مورداستفاده قرارگرفته است.
محرک طراحیشده بایستی جوابگوی سرعت، نیرو و کورس حاصل از نتایج بهینهسازی در فرآیند طراحی میبود. کورس محرک نیز بر حداکثر بار و سرعت بحرانی بال اسکرو تأثیرگذار است. یاتاقانبندی ابتدا و انتهای بالاسکرو عامل دیگری است که بار و سرعت مجاز بال اسکرو را تحت تأثیر قرار میدهد. در طراحی صفحات بالا و پایین سکو کم کردن وزن و افزایش استحکام و سهولت نصب از مهمترین محورهای طراحی بود.[5]
در رویکردی جدید ترکیبی از محرکهای بادی غیرفعال، بهمنظور کاهش اثر وزن بار در کنار محرکهای فعال استفاده شد. درنتجهی توان موتورها صرفاً جهت ایجاد حرکتهای دینامیکی مورد استفاده قرار میگیرد. در فرآیند طراحی دینامیکی و با توجه به ابعاد و هندسه سکوی متحرک، ابعاد و راستای جکهای بادی تعیینشده است. فشار هوای سیستم بادی با توجه به مقداری که به عنوان میزان بار در نرمافزار حرکتی سکو وارد شده است، تنظیم می شود.
هوای خروجی از پایین محرکهای بادی در زمان جمع شدن، به مخزن بر می گردد. کاربرد دیگر محرکهای بادی، ثابت نگه داشتن و حفظ تعادل سکو در زمان خرابی یا خطر و برگرداندن شبیه ساز به موقعیت ایمن در زمان قطع برق است. در زمان سفارش سرووموتورهای سکو اشتباها به جای این که موتورها متناسب با برق 220 ولت سفارش داده شوند، متناسب با برق 110 ولت سفارش داده شدند. این موضوع سبب اضافه شدن یک ترانس مبدل به تابلو برق سکو شد. تابلو برق و اتصالات الکتریکی با دیدگاه حداکثر ایمنی کاربر و سکو طراحی و پیادهسازی شد.
؛-3 نرمافزار حرکتی
در این سکو نرمافزارکنترلی و نظارتی در یک EPC صنعتی که از امکان ارتباطی EtherCat بهره میبَرد، پیاده سازی شد. امکان ارتباطی EtherCat، تأثیر زیادی در بلادرنگ شدن سکو داشته است. فرآیند طراحی و پیادهسازی کنترل و نرمافزار سکو به کمک گروهی متخصص توسعه یافت. این گروه پس از یک فاز مطالعاتی و بررسی روشهای مختلف کنترلی، نرمافزار کنترلی و نظارتی را حین طراحی و ساخت مکانیکی، توسعه داد. در فرآیند نظارتی به کمک انواع سنسورهای موقعیت، سنسور فشار، سنسورهای حدی و همچنین بازخوردهای دریافتی از درایور موتور، شرایط ایمن برای عملکرد سکو فراهم شده و فرآیند نگهداری و تعمیرات به خوبی تسهیل شده است.[6]
3؛-3 آزمونهای کیفیت
برای اطمینان از طراحی، ساخت و کنترل صحیح محرکها، یک دستگاه آزمون با قابلیتهای ویژه ساخته شد. به کمک این دستگاه، آزمونهایتحتِ بار برای شبیهسازی شرایط واقعی، بر روی محرکهای سکو و مفاصل آن انجام شد. نحوه قرار گرفتن محرکها در ساختار سکو در فاز طراحی سینماتیکی مشخص شد. انجام آزمونهای کیفیت و دقت در تمامی مراحل ساخت و نصب سکو جزو مراحل الزامی کار شمرده میشد. پس از مونتاژ سکوکی بارِ آزمون به جرم 2500 کیلوگرم با طراحی ویژه که لختی دورانی مشخصی را در هر راستا دارد، طراحی و ساخته شد. با استفاده از این بار و با کمک امکاناتی که در نرمافزار حرکتی سکو برای پایش مقادیر مهم و تأثرگذارِی طراحی، ایجاد شده است، فرآیند اصلاح، صحه گذاری و تحویل به شکل مناسبی انجام شد.
-4 شبیهساز تجهیزات
این بلوک شامل نمونه شبیهسازی شده کلیه تجهیزاتی میباشد که در کابین راهبر قطار موجود بوده و راهبر با آنها در ارتباط میباشد. این تجهیزات به لحاظ ظاهری و عملکردی مشابه نمونه واقعی بوده و علاوه بر آنها شامل یک مانیتور 19 اینچ با صفحه لمسی میباشد - VTN - که جهت آموزش عیب یابی و رفع خطا از آن استفاده میشود.
1؛-4 تجهیزات - کنترلرها، نمایشگرها، کلید و چراغ ها -
استخراج اطلاعات مربوط به سیستم های مورد استفاده در قطار از جمله سیستم ATP , MCCP , CCTV , IDU ، تجهیزات مخابراتی و دیگر تجهیزات میز راهبری بسیار حائز اهمیت بوده و در این امر کارشناسان محترم شرکت بهره برداری قطار شهری نقش بسزائی داشتند.
2؛-4 شبیهساز VTN
مانیتور - Virtual Train Navigator - VTN یک صفحه تماسی - Touch Screen - است که درون کابین شبیهساز ، جهت آموزش عیب یابی و رفع خطا، نصب میگردد.
