一种防作弊的机车模拟实训系统论文和设计-冯献华

全文摘要

本实用新型提供了一种防作弊的机车模拟实训系统，机车模拟实训系统上安装有图像采集装置，图像采集装置对机车乘务员的人脸进行实时识别、捕捉和跟踪，当检测不到该机车乘务员的人脸图像时，或者检测到其他机车乘务员的人脸图像时，进行相关的操作，防止了机车乘务员在实训仿真时找人代替的情况发生，而且还能检测机车乘务员是否早退，防止了机车乘务员提前离开机车模拟实训系统，该机车模拟实训系统能够有效保证机车乘务员按时、不缺席的来实训，提升了机车乘务员实训教育的管理水平，降低了责任事故的风险。

主设计要求

1.一种防作弊的机车模拟实训系统，其特征在于，包括工控机，所述工控机连接有数据采集装置及至少一个显示装置，所述数据采集装置包括控制模块、开关按钮电路及操作手柄电路，所述控制模块采样连接所述开关按钮电路和操作手柄电路，所述控制模块与所述工控机通讯连接，所述工控机还连接有图像采集装置。

设计方案

2.根据权利要求1所述的防作弊的机车模拟实训系统，其特征在于，还包括报警装置，所述报警装置与所述工控机连接。

3.根据权利要求1所述的防作弊的机车模拟实训系统，其特征在于，显示装置为两个，两个显示装置均为电容触摸屏。

4.根据权利要求2或3所述的防作弊的机车模拟实训系统，其特征在于，所述工控机上设置有USB接口，所述图像采集装置通过所述USB接口连接所述工控机。

5.根据权利要求4所述的防作弊的机车模拟实训系统，其特征在于，所述开关按钮电路与所述控制模块输入端之间设置有第一光耦隔离电路，所述控制模块输出端连接有指示开关按钮工作状态的指示电路，所述控制模块输出端与所述指示电路之间设置有第二光耦隔离电路。

6.根据权利要求4所述的防作弊的机车模拟实训系统，其特征在于，所述操作手柄电路与所述控制模块之间设置有信号调整电路；所述操作手柄电路包括电位器，所述信号调整电路包括AD转换模块。

7.根据权利要求1所述的防作弊的机车模拟实训系统，其特征在于，所述控制模块与所述工控机通过RS232总线通讯连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于监控教培技术领域，特别涉及一种防作弊的机车模拟实训系统。

背景技术

机车乘务员在铁路安全运输中肩负着重大责任，机车乘务员的工作直接关系到铁路运输的安全性，因此，机车乘务员机车驾驶实训教育环节越来越受到铁路运输部门领导的关注和重视。其中机车乘务员的误操作是引起较大安全事故的重大隐患，一旦发生安全事故，其后果相当严重，轻则导致铁路运输中断，重则导致列车线路等运输设施损坏乃至人员伤亡，造成重大的经济损失和恶劣的社会影响，所以，对每个机车乘务员的驾驶技术要求相当高。

然而，利用实车对机车乘务员的驾驶技术进行实训，在现实中是难以实现的，为了提高机车乘务员的驾驶技术，授权公告号为“CN20648976U”，名称为“一种模拟机车行车装置”的中国实用新型专利文件，该专利的模拟机车行车装置包括工控机主板，与工控机主板连接的液晶显示单元、手柄信号采集单元及LKJ仿真单元，该模拟机车行车装置可以用于仿真实训，不需要参加实训的机车乘务员到实车上进行培训。

但是，目前机车乘务员在实训仿真时存在人为代替实训作弊和机车乘务员早退的情况，由于教员数量有限，无法靠人可靠的监管学员，因此，亟待需要一种可靠地手段解决机车乘务员在实训仿真时找人代替实训作弊及早退的现象。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种防作弊的机车模拟实训系统，用于解决现有技术中在实训仿真时，机车乘务员找人代替实训作弊及早退的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种防作弊的机车模拟实训系统，所述机车模拟实训系统包括工控机，所述工控机连接有数据采集装置及至少一个显示装置，所述数据采集装置包括控制模块、开关按钮电路及操作手柄电路，所述控制模块采样连接所述开关按钮电路和操作手柄电路，所述控制模块与所述工控机通讯连接，所述工控机还连接有图像采集装置。

本实用新型的机车模拟实训系统上安装有图像采集装置，图像采集装置对机车乘务员的人脸进行实时识别、捕捉和跟踪，当检测不到该机车乘务员的人脸图像时，或者检测到其他机车乘务员的人脸图像时，进行相关的操作，防止了机车乘务员在实训仿真时找人代替的情况发生，而且还能检测机车乘务员是否早退，防止了机车乘务员提前离开机车模拟实训系统，该机车模拟实训系统能够有效保证机车乘务员按时、不缺席的来实训，提升了机车乘务员实训教育的管理水平，降低了责任事故的风险。

当出现机车乘务员找人代替作弊或早退的情况时，能够提醒教员，所述机车模拟实训系统还包括报警装置，所述报警装置与所述工控机连接。

为了分别显示操作过程中的操作指令信息及机车仿真信息，显示装置为两个，其中一个为显示触摸屏，另外一个为电容触摸屏。

为了方便图像采集装置与工控机的插接，所述工控机上设置有USB接口，所述图像采集装置通过所述USB接口连接所述工控机。

为了对开关按钮电路输出的开关量滤除杂波信号，所述开关按钮电路与所述控制模块输入端之间设置有第一光耦隔离电路，所述控制模块输出端连接有指示开关按钮工作状态的指示电路，所述控制模块输出端与所述指示电路之间设置有第二光耦隔离电路。

为了将操作手柄电路输出的模拟量信号转换成数字量信号，所述操作手柄电路与所述控制模块之间设置有信号调整电路；所述操作手柄电路包括电位器，所述信号调整电路包括AD转换模块。

为了提高控制模块与工控机通讯的可靠性，所述控制模块与所述工控机通过RS232总线通讯连接。

附图说明

图1为本实用新型的防作弊的机车模拟实训系统的结构框图；

图2为本实用新型的数据采集装置的结构框图；

图3为本实用新型的数据采集装置的电路原理图；

图4为本实用新型的第二光耦隔离电路与指示电路的原理图；

图5为本实用新型的MAX232E芯片与工控机的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明：

一种防作弊的机车模拟实训系统，如图1所示，该机车模拟实训系统包括工控机、图像采集装置、数据采集装置及两个电容触摸屏，工控机还连接有扩音器模块及供电模块。工控机上设置有USB接口，图像采集装置通过USB接口与工控机连接，数据采集装置通过RS232总线与工控机通讯连接，下面对机车实训系统中的每个装置的结构特定及功能进行说明。

两个电容触摸屏均作为显示装置使用，两个电容触摸屏用于显示不同的内容，一个电容触摸屏用来显示操作指令信息，另一个电容触摸屏用来显示机车仿真信息(包括各种仪表信息)，用于更加真实的模拟机车操作台，两个电容触摸屏的规格均为21.5寸，当然电容触摸屏也可以是其他不同大小规格的，可以根据机车模拟实训系统的大小适应性修改。作为其他实施方式，显示装置可以仅设置一个，或者设置更多。

工控机通过音频线还连接扩音器模块，扩音器模块通过AUDIO数据线与工控机连接，扩音器模块作为报警装置使用，作为其他实施方式，报警装置还可以为声光报警器，用于在机车乘务员不在实训区域、找人顶替及在实训操作中出现错误时进行报警提醒，提醒教员有机车乘务员作弊或早退。

工控机上设置有电源接口，用于连接AC220V电源模块，AC220V电源模块用于为整个机车模拟实训系统供电，由于机车模拟实训系统中不同的器件供电电压不一样，AC220V电源模块经过转换得到不同大小的电压为工控机的不同器件供电。

图像采集装置为一个用于人脸图像采集的摄像头，作为优选的方式，摄像头设置于显示装置的上方，若摄像头为一个，摄像头设置于触摸显示屏和电容显示屏正中间的位置，若摄像头为两个或两个以上，则分别设置于触摸显示屏和电容显示屏的正上方。在机车乘务员进行实训之前，首先利用图像采集模块采集机车乘务员的人脸图像，确认机车乘务员的身份，确认身份的机车乘务员的人脸图像作为目标人脸图像在整个实训过程中持续进行跟踪，判断是否能一直跟踪到目标人脸，若出现跟踪的目标人脸离开一定区域，或者跟踪到其他机车乘务员的人脸图像，该其他机车乘务员的人脸图像与刚开始跟踪到的机车乘务员的人脸图像不一致，说明刚开始参加实训的机车乘务员中途找人代替参加实训，此时工控机控制终止实训，并进行报警提示。作为其他实施方式，为了能够采集更多更大范围的人脸图像也可以设置两个或两个以上的摄像头，摄像头的数目不做限定。

数据采集装置包括控制模块、开关按钮电路及操作手柄电路，控制模块采样连接开关按钮电路和操作手柄电路。数据采集装置的结构框图具体如图2所示，开关按钮电路对应图2中的开关量输入模块，开关量输入模块具有16路输入开关量，操作手柄电路对应图2中的模拟量输入模块，模拟量输入模块具有4路模拟输入量，控制模块为图2中的微控制单元MCU(Microcontroller Unit)，作为其他实施方式控制模块可以为FPGA、DSP等具有控制功能的芯片。模拟量输入模块与MCU输入端之间设置有第一光耦隔离电路，MCU输出端连接有指示开关按钮工作状态的指示电路，MCU输出端与指示电路之间设置有第二光耦隔离电路。指示电路可以为指示灯，也可以为指示不同状态的不同的图案、不同的符号等，本实施例中指示电路为指示灯，每个指示灯对应相应的开关按钮，当某一个开关按钮被按下的时候，对应的指示灯亮，该开关按钮对应的相关电路工作。

为了提高机车乘务员实训操作的可行性，操作手柄电路与MCU之间设置有信号调整电路，操作手柄电路包括电位器，可以实时对操作手柄电路输出的模拟量信号进行调整。MCU输入端还连接有电源转换模块，该电源转换模块可以将15V直流电压转换为3.3V，从而为MCU供电。

本实施例还提供了数据采集装置的电路原理图，具体如图3所示，开关按钮操作电路包括两个开关按钮，分别开关按钮S1和开关按钮S2，第一光耦隔离电路包括光耦隔离器OP1A和光耦隔离器OPIC，MCU采用的是STC12C5A芯片，光耦隔离器OPIA和光耦隔离器OPIC均是TLP291-4芯片，开关按钮S1与光耦隔离器OP1A原边连接，光耦隔离器OP1A副边与STC12C5A芯片的引脚40连接，开关按钮S2与光耦隔离器OP1C原边连接，光耦隔离器OP1C副边与STC12C5A芯片的引脚41连接，当按下开关按钮S1和开关按钮S2时，输出开关量IA0和IA1到STC12C5A芯片，经过转换STC12C5A芯片的引脚30输出数字量信号OA7到第二光耦隔离电路，如图4所示，第二光耦隔离电路包括光耦隔离器OP1B和三极管Q1，数字量信号OA7经过光耦隔离器OP1B和三极管Q1的相关处理后，输出处理后的开关量到指示电路，指示电路中的指示灯会被相应点亮。

操作手柄电路输出模拟量信号AD0到STC12C5A芯片的引脚42，由于STC12C5A芯片的引脚具备模数转换功能，将模拟量信号AD0转换为数字量信号，若控制模块不具备模数转换功能，在操作手柄电路输出模拟量信号后，还需再增加一个AD转换模块(对应上述信号调整电路)，经过AD转换模块将模拟量信号转换为数字量信号后，输出到控制模块。

由于数据采集装置采集完开关量信号与模拟量信号并进行相关的信号转换后，需将转换后的信号发送给工控机，所以数据采集装置中的MCU(即STC12C5A芯片)通过RS232总线与工控机连接，由于当STC12C5A芯片与工控机连接时，尽管STC12C5A芯片具备串行通信的功能，但STC12C5A芯片提供的信号电平与RS232总线的标准不一样，因此要通过MAX232E芯片进行电平转换，如图5所示。MAX232E芯片是专为RS232总线标准串口设计的单电源转换芯片，所以，STC12C5A芯片的引脚5和引脚7分别与MAX232E芯片的引脚10和引脚9连接，实现了数据采集装置与工控机的通讯连接。数据采集装置将操作的开关模拟量经过处理转换成数字量并传输给工控机后，通过和工控机数据库中的实训标准进行对比分析，实时判断机车乘务员的操作步骤是否合规，如果合规继续实训，如果不合规，不合规步骤记录到视频录像和文字中，等实训结束按照项点及扣分规则自动计算分数，并提示扣分项及扣分原因。作为其他实施方式，MCU可通过RS485与工控机连接。

本实用新型的防作弊的机车模拟实训系统不但可以实现对机车乘务员在实训过程中的作弊、早退现象进行监控，而且在实训结束后查看机车乘务员扣分项及参加实训的视频，能够实时掌握机车乘务员的实训情况，特别适用于在院校、机务等场所的教育培训。

以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于以上所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本实用新型的保护范围内。

设计图

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