成 騰，趙 博，趙會軍，胡召華，殷 明

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道技術(shù)研修學(xué)院， 北京 100081）

隨著鐵路高新技術(shù)的進一步發(fā)展及鐵路運營里程的持續(xù)增長，鐵路對高水平的管理及專業(yè)技術(shù)人才需求日趨顯著，對人才培養(yǎng)的手段和方式也不斷提出新的要求，仿真實訓(xùn)逐漸成為人才培養(yǎng)方式的新趨勢[1]。從全路主要培訓(xùn)基地來看，高鐵的實訓(xùn)已在駕駛、動車組機械師、高鐵調(diào)度等專業(yè)建立了仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，但在系統(tǒng)故障維修、應(yīng)急演練、經(jīng)營管理等方面，仍然沒有成熟的仿真系統(tǒng)。傳統(tǒng)實訓(xùn)目前存在以下幾個方面的問題：培訓(xùn)數(shù)字化表現(xiàn)形式單一；培訓(xùn)軟件缺乏，交叉開發(fā)，低層次重復(fù)；硬件設(shè)備缺乏；網(wǎng)絡(luò)遠程教育還未開展起來；鐵路教育培訓(xùn)軟件缺乏標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。因此，傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式已無法滿足目前的實訓(xùn)需求，亟需一種新的實訓(xùn)模式[2]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR，Virtual Reality），使用者借助特殊的交互設(shè)備，可以及時、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物，并可獲得與真實世界相同的感受，如同身臨其境一般[3]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)集計算機技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)于一體，通過計算機創(chuàng)建一種虛擬環(huán)境（Virtual Environment），使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺，并可實現(xiàn)用戶與該環(huán)境的直接交互[4]。

在傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)維修培訓(xùn)中，大多以現(xiàn)場實操形式為主，接觸網(wǎng)故障重現(xiàn)困難，隨機性高，學(xué)員操作危險性高。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展,本文使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了接觸網(wǎng)維修仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將接觸網(wǎng)維修環(huán)境以三維立體的方式呈現(xiàn)在學(xué)員的眼前，學(xué)員在維修過程中無需爬到高空，便可完成對接觸網(wǎng)工區(qū)中設(shè)備的維修；對于突發(fā)事故以及不常見但具有嚴重后果的事故，該系統(tǒng)能夠不斷再現(xiàn)，供學(xué)員反復(fù)自主訓(xùn)練，具有可控性、安全性和經(jīng)濟性[5-8]。

1 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)接觸網(wǎng)維修實訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)項目實際需求，文中維修仿真內(nèi)容包含：接觸網(wǎng)腕臂組裝、接觸網(wǎng)驗電接地、電纜試驗、接觸網(wǎng)斷線接續(xù)、接觸網(wǎng)搶修支柱5個模塊，其中，接觸網(wǎng)腕臂組裝、接觸網(wǎng)驗電接地、電纜試驗為維修部分，接觸網(wǎng)斷線接續(xù)、接觸網(wǎng)搶修支柱為搶修部分。根據(jù)以上需求，系統(tǒng)總體架構(gòu),如圖1所示。

圖1 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)鐵路接觸網(wǎng)維修實訓(xùn)系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 前端顯示層

虛擬現(xiàn)實場景的呈現(xiàn)是由相應(yīng)的硬件設(shè)備與圖形處理軟件結(jié)合實現(xiàn)虛擬場景的運算，在本文的總體架構(gòu)中，前端顯示層為系統(tǒng)使用者提供虛擬現(xiàn)實成像服務(wù)，并且使用者能夠通過無線手柄等外部設(shè)備與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行交互，是實現(xiàn)立體感與沉浸感的重要部分。

1.2 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

本文系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用層是業(yè)務(wù)的核心模塊，邏輯上功能模塊劃分為后臺管理、教師端和學(xué)員端。后臺管理運行于服務(wù)器上，為教師端和學(xué)員端提供服務(wù)，教師端和學(xué)員端從后臺管理獲得計算和資源服務(wù)。

（1）后臺管理運行在服務(wù)器上，為教師端和學(xué)員端使用用戶提供計算、存儲及帶寬服務(wù)，如教師端及學(xué)員端請求的響應(yīng)，零部件資源、維修工具、課件資源、場景資源的存儲，維修資源派發(fā)時流量的輸出，均由后臺管理程序完成，包括部件管理、維修工具管理、課件資源管理、場景管理、在線學(xué)習(xí)、在線練習(xí)、在線考試、在線監(jiān)控、學(xué)習(xí)監(jiān)控、練習(xí)監(jiān)控、考試監(jiān)控、組織機構(gòu)管理、用戶管理、角色管理、權(quán)限管理、日志管理等功能，是實現(xiàn)系統(tǒng)具體功能設(shè)計的接口實現(xiàn)。

（2）教師端程序運行在教師機上，通過操作，負責(zé)對服務(wù)端上的資源進行管理維護，教師端可配置及發(fā)布教學(xué)資源、實訓(xùn)資源及考試資源，并對學(xué)生在線情況、學(xué)習(xí)情況、練習(xí)情況、考試情況進行監(jiān)控。

（3）學(xué)員端程序運行在學(xué)員機上，學(xué)員用戶登錄后，選取教師已配置好的學(xué)習(xí)、練習(xí)或考試任務(wù)，即可在該端進行接觸網(wǎng)在線維修學(xué)習(xí)、練習(xí)及考試。根據(jù)業(yè)務(wù)需求，學(xué)員端主要由資源管理、教學(xué)管理、練習(xí)管理、考試管理、過程監(jiān)控、系統(tǒng)管理及數(shù)據(jù)接口組成。

其中，資源管理功能對接觸網(wǎng)維修過程中的各類維修資源進行管理，教學(xué)管理為學(xué)員提供接觸網(wǎng)維修培訓(xùn)功能，練習(xí)管理為學(xué)員提供接觸網(wǎng)維修實訓(xùn)練習(xí)功能，考試管理為學(xué)員提供接觸網(wǎng)維修考試功能，過程監(jiān)控可對考生使用系統(tǒng)的所有流程操作進行監(jiān)控，系統(tǒng)管理實現(xiàn)系統(tǒng)的用戶、權(quán)限、角色、日志管理，數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互及聯(lián)動。

1.3 應(yīng)用支撐層

應(yīng)用支撐層將分散的應(yīng)用及信息資源進行整合，并為系統(tǒng)提供一個信息的集成環(huán)境，數(shù)據(jù)共享實現(xiàn)不同區(qū)域的用戶對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行讀取分析，元數(shù)據(jù)管理對系統(tǒng)中的元數(shù)據(jù)進行收集、組織與維持，日志記錄對系統(tǒng)的操作實際進行記錄。此外，還包括身份認證、安全審計、報表引擎、規(guī)則引擎和流程引擎等組件。

1.4 基礎(chǔ)資源層

基礎(chǔ)資源層是系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，包括圖形處理器（GPU）主機提供顯示設(shè)備中的圖象渲染能力，空間定位器幫助系統(tǒng)對使用者進行定位追蹤，系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器提供后端的應(yīng)用服務(wù)，存儲陣列保存系統(tǒng)中的各項資源，防火墻負責(zé)安全監(jiān)控等。

1.5 運行保障體系

運行保障體系包括：（1）采用加密技術(shù)（對重要敏感信息進行加密，如登錄）、賬戶重復(fù)登錄控制、頁面加強安全控制等技術(shù)措施；（2）安裝硬件防火墻，使用防火墻或其他安全設(shè)備對數(shù)據(jù)包進行過濾，啟用訪問控制策略對重要服務(wù)器進行訪問控制，有效隔離內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和Web服務(wù)器；（3）采用高可靠性容錯處理以及雙機熱備策略，出現(xiàn)故障及時恢復(fù)，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行有效備份。

2 接觸網(wǎng)維修實訓(xùn)系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)的功能設(shè)計圍繞學(xué)員訓(xùn)練、學(xué)員考試與教學(xué)的需求進行設(shè)計，包括教師教學(xué)、學(xué)員學(xué)習(xí)、考試模式。其中，教師教學(xué)部分主要實現(xiàn)的是教學(xué)、練習(xí)與考試3方面的任務(wù)發(fā)布與配置。相對應(yīng)地，學(xué)員學(xué)習(xí)主要分為教學(xué)、練習(xí)與考試3種模式。后臺管理主要包括管理員對學(xué)員信息、學(xué)習(xí)課程、考試信息的綜合管理，以及學(xué)員對個人信息的維護與查詢等功能。

2.1 教師教學(xué)任務(wù)配置及發(fā)布

教師為讓學(xué)員掌握接觸網(wǎng)維修知識點，可根據(jù)教學(xué)維修計劃及學(xué)員學(xué)習(xí)需要，在既有的課件資源中，選取并組合課件（課件類型可包括視頻、ppt、word文檔等），配置形成學(xué)習(xí)任務(wù)，定向發(fā)布到特定學(xué)員，學(xué)員即能在登錄系統(tǒng)后進行教學(xué)任務(wù)學(xué)習(xí)。

2.2 教師教學(xué)任務(wù)配置及發(fā)布

教師配置完學(xué)習(xí)任務(wù)并發(fā)布到學(xué)員后，為使學(xué)員進一步掌握接觸網(wǎng)維修方法，可配置接觸網(wǎng)維修練習(xí)任務(wù)。練習(xí)任務(wù)是已經(jīng)制作好的帶有操作提示的實訓(xùn)場景及操作流程，學(xué)員可在場景中自由操作練習(xí)，練習(xí)的時間和次數(shù)不受約束。教師配置完成后發(fā)布到特定學(xué)員，學(xué)員登錄系統(tǒng)后便可進行實訓(xùn)練習(xí)。

2.3 教師考試任務(wù)配置及發(fā)布

為對學(xué)員的學(xué)習(xí)及練習(xí)效果進行檢驗，考察是否掌握接觸網(wǎng)的維修技能，教師可根據(jù)培訓(xùn)需要，配置考試任務(wù)。考試任務(wù)是已經(jīng)制作好的不帶操作提示的實訓(xùn)場景及操作流程，學(xué)員可根據(jù)自身掌握維修知識情況在場景中自由操作，操作結(jié)果將被記錄在系統(tǒng)中，作為考試評分依據(jù)，考試的時間和次數(shù)由教師自行設(shè)置。教師完成考試任務(wù)配置后發(fā)布到特定學(xué)員，學(xué)員登錄系統(tǒng)后便可進行考試。

2.4 學(xué)員教學(xué)模式

教學(xué)模式下，學(xué)員根據(jù)自身學(xué)習(xí)需要，在學(xué)習(xí)列表中選擇相應(yīng)的課件資源，點擊即可進行針對性的接觸網(wǎng)維修知識學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)次數(shù)和學(xué)習(xí)時間不受限制，通過各種類型的課件，如：ppt、word、視頻，能隨時進行學(xué)習(xí)。

2.5 學(xué)員練習(xí)模式

練習(xí)模式下，學(xué)員可結(jié)合自身維修知識掌握情況，選取需要的練習(xí)任務(wù)，進入練習(xí)場景，對特定的維修流程進行反復(fù)練習(xí)操作，練習(xí)時間及次數(shù)不受限制，直到熟悉為止，以達到最終掌握接觸網(wǎng)維修方法的目的。

2.6 學(xué)員考試模式

學(xué)員在考試模式下，需在限定時間內(nèi)，點擊進入考試場景，找出場景模型中設(shè)定的故障點并進行維修作業(yè)，學(xué)員的操作過程被記錄到系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)員考試操作，計算得出其考試成績。

2.7 后臺管理

分為用戶管理和成績管理兩大部分?？筛鶕?jù)需要設(shè)置場景、播放速度及背景音樂等?？荚嚱Y(jié)果和記錄均可進行保存和查詢。

3 接觸網(wǎng)維修實訓(xùn)系統(tǒng)的硬件集成方案設(shè)計

接觸網(wǎng)維修實訓(xùn)系統(tǒng)的硬件設(shè)施包括定位裝置、顯示設(shè)備、圖形工作站、虛擬資源數(shù)據(jù)庫、交互設(shè)備與其他輔助設(shè)備。為了提高學(xué)員使用系統(tǒng)的沉浸感，增加了單機多屏的畫面顯示方案，這可以使得未使用頭顯參加實訓(xùn)的學(xué)員也能夠身臨其境地體驗實訓(xùn)過程，從而可以使得學(xué)員們更快地上手，提高學(xué)習(xí)效率。系統(tǒng)的硬件由虛擬現(xiàn)實頭戴顯示設(shè)備HTC vive和工作站組成，硬件集成的示意圖，如圖2所示。

3.1 定位裝置

將兩個激光器設(shè)置好頻道后，通過三腳架將或支架2～3個激光器對角連接，將虛擬設(shè)備使用者圍在形成的幾何空間的中心位置并將向下傾斜30?！?5。，確保使用者在定位設(shè)備的精確定位范圍內(nèi)活動，完成空間定位基站的搭建。

圖2 基于虛擬現(xiàn)實的鐵路接觸網(wǎng)維修實訓(xùn)系統(tǒng)示意圖

3.2 圖形工作站

圖形工作站是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心運算硬件，沉浸式的圖象顯示是依靠圖形處理器大量的并行運算實現(xiàn)的，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的圖象實時渲染任務(wù)量遠遠高于一般的圖象顯示任務(wù)，這就對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中圖形工作站的性能提出了更高的要求。HTC vive顯示設(shè)備與工作站的連接，將HTC vive搭建完成后，通過串流盒將虛擬現(xiàn)實頭顯與圖形工作站相接，即可完成系統(tǒng)硬件的集成。

3.3 顯示設(shè)備

系統(tǒng)顯示裝置包括虛擬現(xiàn)實頭盔與多屏顯示系統(tǒng)。沉浸式多屏顯示系統(tǒng)，將多個虛擬場景顯示終端或顯示設(shè)備連接在圖形工作站的同一個GPU運算卡下，并且在圖形工作站中設(shè)置多屏顯示即完成了多屏顯示系統(tǒng)的搭建，該系統(tǒng)能夠?qū)⑻摂M顯示眼鏡中的圖像在多屏系統(tǒng)中進行同步顯示。

3.4 虛擬資源數(shù)據(jù)庫

虛擬資源數(shù)據(jù)庫，一般非大型或網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，虛擬資源數(shù)據(jù)可直接保存在圖形工作站中進行調(diào)用，模塊化方案中，可將其獨立，并根據(jù)圖形工作站的接口進行連接，可隨時對虛擬資源數(shù)據(jù)庫進行更新升級。

3.5 交互設(shè)備與其他輔助設(shè)備

無線接收設(shè)備，系統(tǒng)的交互手柄是HTC vive中的適配手柄，通過藍牙傳輸?shù)男问竭M行近距離的無限傳輸，無線接收裝置為圖形工作站中的藍牙設(shè)備。

4 接觸網(wǎng)維修實訓(xùn)系統(tǒng)的實現(xiàn)

接觸網(wǎng)維修實訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)流程包括開發(fā)方式選擇、模型構(gòu)建、渲染處理、交互開發(fā)5個階段。

4.1 開發(fā)方式選擇

虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具根據(jù)其通用性的強弱以及對底層操作的支持程度主要分為以下4個層次，如表1所示。

表1 接觸網(wǎng)維修系統(tǒng)開發(fā)流程

4.2 模型構(gòu)建

培訓(xùn)場景的建立主要包括5個階段：素材收集，數(shù)據(jù)采集，單體3D模型制作，虛擬三維場景的搭建和模型導(dǎo)出。其中，數(shù)據(jù)采集階段，測量實物點云數(shù)據(jù)（可采用三維激光掃描儀）后進行數(shù)據(jù)篩選，數(shù)據(jù)平滑處理以及數(shù)據(jù)補差、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除等步驟以便得到有價值的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容，應(yīng)包括地表及其特征點的位置、高程，建筑物的位置、高度、基底形狀、立面和屋頂結(jié)構(gòu)，交通設(shè)施的位置、形狀和結(jié)構(gòu)，管線特征點的位置、高程、管線的斷面尺寸，植被的位置和高度及其他物體的位置、形狀和尺寸；采用3dsMax進行單體3D模型制作。

4.3 渲染處理

虛擬現(xiàn)實渲染處理與以往的圖象渲染最直接的不同是渲染規(guī)模成倍增長，吞吐量激增。渲染的關(guān)鍵難點在高負荷下的圖象高延遲，頭戴式鏡片的圖象畸變和色差。渲染過程中首先使用“時間扭曲”技術(shù)，使屏幕圖像的更新不經(jīng)過完整的圖形管線，用戶頭部的追蹤數(shù)據(jù)可以直接進入GPU完成渲染。同時，對圖象進行畸變處理與色差矯正完成虛擬現(xiàn)實圖象的渲染任務(wù)。

4.4 交互開發(fā)

本系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實開源工具包SteamVR Toolkit（VRTK）為基礎(chǔ)，開展對其交互方案的設(shè)計，交互過程在Unity3D軟件中開發(fā)。交互方案包含7種交互方式：漫游，攀爬，檢查工具，工具選取，抓取工具，使用工具，安裝、拆卸零件。

4.5 系統(tǒng)測試

本文仿真實訓(xùn)的系統(tǒng)測試是基于V模型和黑盒測試技術(shù)，包括系統(tǒng)環(huán)境測試、系統(tǒng)功能測試、UI界面美觀性測試、交互性能測試、沉浸感測試等項目。結(jié)果顯示系統(tǒng)操作反饋良好，交互性好，沉浸感強，用戶通過佩戴虛擬現(xiàn)實頭顯，可身臨其境般地進行維修操作，有效提升接觸網(wǎng)維修仿真實訓(xùn)的實作性，達到了較高的仿真實訓(xùn)水平，為接觸網(wǎng)維修培訓(xùn)提供了良好的技術(shù)支持和新途徑。訓(xùn)場景再現(xiàn)給學(xué)員，提供了真實作業(yè)流程與各種突發(fā)情況的解決方案，有利于學(xué)員反復(fù)學(xué)習(xí)，熟練操作，使得現(xiàn)實技術(shù)在鐵路實訓(xùn)中發(fā)揮重要的作用。

5 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)良好的交互性和沉浸感可以逼真地反映現(xiàn)實實物，綜合運用圖形、圖像、動畫和聲音等多種媒體可模擬接觸網(wǎng)維修現(xiàn)場的實際情況，使學(xué)員處于一個虛擬的鐵路現(xiàn)場環(huán)境空間。既可以滿足不斷發(fā)展的企業(yè)人才標(biāo)準(zhǔn)，符合鐵路職業(yè)教學(xué)需求，又節(jié)省開銷，并可根據(jù)需求繼續(xù)開發(fā)擴展功能。目前，作為一項前沿技術(shù)，基于沉浸式、增強式虛擬現(xiàn)實的研究與應(yīng)用正處于快速發(fā)展期。本文系統(tǒng)充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的優(yōu)越性，將鐵路接觸網(wǎng)維修的培