李宇豪

(中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)有限公司西安動(dòng)車段 陜西西安 710000)

近年來(lái)，高速鐵路蓬勃發(fā)展，自黨的十八大以來(lái)，我國(guó)高速鐵路網(wǎng)的規(guī)模和質(zhì)量、技術(shù)裝備水平、運(yùn)輸安全水平等重要指標(biāo)都進(jìn)入了世界前列，成為了名副其實(shí)的鐵路大國(guó)。伴隨著各個(gè)動(dòng)車段的配屬車型的增加和檢修技術(shù)要求的提高，現(xiàn)有的檢修人員總體素質(zhì)不高、年輕化明顯、檢修經(jīng)驗(yàn)欠缺等問(wèn)題開(kāi)始凸顯[1]。因此，動(dòng)車檢修人員的教育培訓(xùn)十分重要，直接關(guān)系到檢修人員技術(shù)業(yè)務(wù)的提升，從而影響到動(dòng)車組的檢修質(zhì)量。在此背景下，動(dòng)車檢修單位的職工業(yè)務(wù)能力培訓(xùn)需采用多元化的方式，將“線上”與“線下”相結(jié)合，采用創(chuàng)新型的虛擬VR技術(shù)，是大勢(shì)所趨。

VR 技術(shù)發(fā)展至今，已步入成熟階段，并且在各行各業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用，比如：在醫(yī)學(xué)方面，裴育苗通過(guò)構(gòu)建出三維器官模型和在醫(yī)學(xué)教學(xué)中所需要的儀器、設(shè)備，建立一個(gè)有自然交互感的虛擬場(chǎng)景[2]。在工業(yè)裝備制造方面，ROLDAN J J等人針對(duì)復(fù)雜的裝配體的操作員利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)模擬工作環(huán)境，證明了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相比傳統(tǒng)培訓(xùn)模式更具有競(jìng)爭(zhēng)力[3]。另外，CIPRESSO P等人論證了虛擬現(xiàn)實(shí)在主要應(yīng)用領(lǐng)域中的使用過(guò)程中的演變和變化，并著重強(qiáng)調(diào)了未來(lái)預(yù)期虛擬現(xiàn)實(shí)的能力增長(zhǎng)和挑戰(zhàn)[4]。杜偉針對(duì)動(dòng)車組檢修實(shí)訓(xùn)設(shè)備價(jià)格昂貴，教學(xué)效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了多功能動(dòng)車組檢修技能實(shí)訓(xùn)平臺(tái)[5]。李旭洋等人通過(guò)建立了虛擬檢修車間漫游系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)培訓(xùn)人員對(duì)檢修車間設(shè)備操作和檢修流程的掌握能力[6]。張海峰等人提出了模塊化LOD檢修模型構(gòu)建方法，基于模型與仿真驅(qū)動(dòng)文件分離方法、復(fù)用性虛擬檢修仿真生成方法，實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組虛擬檢修系統(tǒng)[7]。周紹澤等人提出了虛擬檢修視點(diǎn)模擬方法以及改進(jìn)的漫游碰撞檢測(cè)算法模擬動(dòng)車組檢視檢修，建立了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的動(dòng)車組虛擬檢修培訓(xùn)系統(tǒng)[8]。

目前，VR 技術(shù)在動(dòng)車檢修培訓(xùn)行業(yè)的應(yīng)用過(guò)程中，面臨動(dòng)車設(shè)備的多樣性，設(shè)備操作流程的復(fù)雜性及虛擬實(shí)操考核的不確定等問(wèn)題，所以將動(dòng)車檢修的作業(yè)環(huán)境與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)高度的臨場(chǎng)感及定制性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“VR+動(dòng)車檢修培訓(xùn)”的培訓(xùn)模式已經(jīng)是迫在眉睫。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠給使用者深度沉浸的感受，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺(jué)。它利用外接設(shè)備，提供虛擬的感受空間，利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套以及其他手控輸入等傳感器設(shè)備，并以聲音輔助使用者產(chǎn)生身臨其境、全身心投入和沉浸其中的感覺(jué)。將真實(shí)的動(dòng)車檢修作業(yè)場(chǎng)景搬進(jìn)計(jì)算機(jī)，采用三維仿真模型導(dǎo)入系統(tǒng)平臺(tái)中，學(xué)員直接參與現(xiàn)場(chǎng)，如身臨其境、置身其中，通過(guò)集成數(shù)字多媒體的應(yīng)用，寓教于樂(lè)、融會(huì)貫通、邊體驗(yàn)邊學(xué)習(xí)，從而讓學(xué)員輕松地掌握大型設(shè)備作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全基礎(chǔ)知識(shí)、安全操作技能以及設(shè)備檢修等相關(guān)培訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，以逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，是目前仿真培訓(xùn)系統(tǒng)3D多媒體技術(shù)的延伸[9]。將傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)從一種需要人用鍵盤(pán)鼠標(biāo)對(duì)其進(jìn)行操作的設(shè)備變成了人處于計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的人工環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了更加直接明晰的培訓(xùn)效果。

2 虛擬操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)及培訓(xùn)內(nèi)容的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下幾個(gè)主要主要原則：（1）集約化原則；（2）實(shí)用性；（3）規(guī)范化原則；（4）可擴(kuò)充性原則；（5）易用性原則；（6）先進(jìn)性原則。此平臺(tái)以此為基礎(chǔ)，能夠快速地構(gòu)建出復(fù)雜場(chǎng)景虛擬仿真，具有良好的交互性和真實(shí)感。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)選型

從圖1可以看出，在虛擬設(shè)計(jì)的過(guò)程中，將各類設(shè)備的設(shè)計(jì)圖紙的二維模型通過(guò)數(shù)字化三維仿真技術(shù)（VRT）轉(zhuǎn)化成三維模型，借助虛擬環(huán)境，采用運(yùn)用象池模式、運(yùn)用Shader Model、運(yùn)用Shader Model 技術(shù)，降低內(nèi)存空間的使用率避免內(nèi)存溢出導(dǎo)致的死機(jī)，提高渲染的清晰度和逼真度。利用仿真過(guò)程中的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬操作培訓(xùn)及考核。

圖1 虛擬設(shè)計(jì)主體拓?fù)鋱D

2.3 構(gòu)建虛擬系統(tǒng)

構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)時(shí)，需要用到的軟件為Unity3D+Visual Studio 2017虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)場(chǎng)景元素及相關(guān)組件。硬件為HTC VIVE 與虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)相連接。

2.3.1 虛擬場(chǎng)景

在構(gòu)建虛擬系統(tǒng)時(shí)，首先需要搭建一個(gè)場(chǎng)景，然后利用其中的攝像機(jī)對(duì)場(chǎng)景元素進(jìn)行投影以及配合操作，從而構(gòu)建一個(gè)完整的虛擬系統(tǒng)。我們將通過(guò)4 個(gè)場(chǎng)景元素來(lái)構(gòu)建虛擬場(chǎng)景[2]。

（1）操作對(duì)象：是unity 場(chǎng)景內(nèi)所有實(shí)體的基礎(chǔ)。例如：CRH380B型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架、車下設(shè)備等，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及資料收集，采用3Dmax 軟件來(lái)進(jìn)行模型的制造。

（2）燈光：燈光效果在VR 軟件中能夠烘托氣氛感染操作人員的情緒，使虛擬場(chǎng)景更加真實(shí)。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的燈光效果，還原真實(shí)檢修庫(kù)內(nèi)車下燈光環(huán)境或車內(nèi)環(huán)境。

（3）相機(jī)：用于捕捉顯示虛擬環(huán)境的設(shè)備。

（4）音效：在對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景下，制作出動(dòng)車組設(shè)備擬真音效、按鈕音效、背景音樂(lè)、語(yǔ)音配音，讓操作人員在虛擬世界中感官更加真實(shí)、更立體。

2.3.2 HTC VIVE

HTC VIVE 是一款VR 虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔產(chǎn)品，由頭盔顯示器定位系統(tǒng)、手柄控制器組成，具有像素高、刷新率快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在延遲問(wèn)題導(dǎo)致的操作者眩暈等問(wèn)題。

3 動(dòng)車組檢修仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

動(dòng)車檢修仿真培訓(xùn)系統(tǒng)采用先進(jìn)的技術(shù)對(duì)動(dòng)車組車下、車內(nèi)、車頂、車側(cè)的檢查進(jìn)行了全面的仿真，滿足了動(dòng)車組機(jī)械師對(duì)實(shí)操作業(yè)、技術(shù)攻關(guān)、現(xiàn)場(chǎng)管理等方面的培訓(xùn)、考核、訓(xùn)練等要求，適用于動(dòng)車組各項(xiàng)設(shè)備檢查和維修的虛擬仿真培訓(xùn)。

3.1 動(dòng)車檢修仿真系統(tǒng)功能介紹

動(dòng)車組檢修分為5 個(gè)修程，此次仿真系統(tǒng)的介紹主要針對(duì)動(dòng)車組一、二級(jí)檢修，也統(tǒng)稱為動(dòng)車組的運(yùn)用修。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組配備1個(gè)作業(yè)小組，其中4名作業(yè)人員分別為①號(hào)、②號(hào)、③號(hào)、④號(hào)。針對(duì)各個(gè)號(hào)位的檢修點(diǎn)，制定特定的培訓(xùn)內(nèi)容。

動(dòng)車檢修培訓(xùn)系統(tǒng)采用先進(jìn)的仿真支撐技術(shù)、仿真建模技術(shù)、建立了動(dòng)車組車下、車頂、車側(cè)的精確的數(shù)學(xué)模型、逼真地模擬了動(dòng)車檢修過(guò)程中各個(gè)關(guān)鍵配件工況和各種檢查點(diǎn)。

仿真系統(tǒng)在詳細(xì)仿真動(dòng)車組檢修的動(dòng)態(tài)過(guò)程同時(shí)，要考慮到動(dòng)車組大型設(shè)備的開(kāi)啟、關(guān)停、檢修都需要大量工序，導(dǎo)致的場(chǎng)景交互數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題。因此，該仿真系統(tǒng)具有自動(dòng)拓?fù)浞治?、?dòng)態(tài)潮流計(jì)算、暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算等功能。

動(dòng)車組檢修模擬系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)人員正常操作和設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視的培訓(xùn)，在系統(tǒng)的教學(xué)模式下，首先操作者在虛擬場(chǎng)景中觀看視頻資料，然后以通過(guò)手勢(shì)發(fā)出的射線，進(jìn)行設(shè)備的拆裝，每個(gè)拆卸的部件都有對(duì)應(yīng)的文字和語(yǔ)音描述，最后根據(jù)語(yǔ)音和虛擬人物以及UI的引導(dǎo)，完成設(shè)備的操作。教學(xué)的目的是讓操作人員熟悉設(shè)備的構(gòu)成和掌握設(shè)備的使用方法。同時(shí)在系統(tǒng)的訓(xùn)練模式下，可以做到多人聯(lián)機(jī)協(xié)同作業(yè)，網(wǎng)絡(luò)連接采用TCP/IP方式連接。

圖2 HTC VIVE頭顯實(shí)物圖

圖3 訓(xùn)練模式多人協(xié)同作業(yè)示例圖

仿真系統(tǒng)的教師端提供了多種對(duì)系統(tǒng)的控制手段，對(duì)于學(xué)員操作的監(jiān)控手段及教學(xué)管理手段，學(xué)員考核當(dāng)中，考核評(píng)判系統(tǒng)會(huì)記錄學(xué)員錯(cuò)誤的操作信息，并進(jìn)行打分，學(xué)員考核完成后，點(diǎn)擊考核完成，此次考核信息會(huì)發(fā)送到教師端，教師端會(huì)收到反饋，教師端可以查看學(xué)員的成績(jī)及操作錯(cuò)誤信息?？己苏w流程圖見(jiàn)圖4。

從圖4 可以看出，該培訓(xùn)系統(tǒng)能夠提供智能的培訓(xùn)評(píng)價(jià)考核系統(tǒng)，滿足相關(guān)專業(yè)人員理論和技能考核、比武、新職人員鑒定等要求。仿真系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能實(shí)用，考慮到地理信息系統(tǒng)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，軟硬件產(chǎn)品更新?lián)Q代快，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中既要考慮系統(tǒng)的完整性，又要考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)充性[10]。此系統(tǒng)要預(yù)留多處接口，以便于以后進(jìn)行改進(jìn)、擴(kuò)充，使該系統(tǒng)不斷完善。

圖4 考核流程圖

3.2 動(dòng)車組檢修仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)特點(diǎn)

3.2.1 平臺(tái)數(shù)據(jù)資源的空間化

該培訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、場(chǎng)景交互、UI 效果等多項(xiàng)重要工作，都必須依托于空間化的信息資源支撐。

3.2.2 高可靠性和高穩(wěn)定性

在實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景交互的過(guò)程中，系統(tǒng)必須達(dá)到很高的可靠性與穩(wěn)定性，如果沒(méi)有穩(wěn)定可靠的信息資源獲取保證，就有可能使應(yīng)急處置工作缺少依據(jù)而做出錯(cuò)誤的決策，從而造成人員、財(cái)產(chǎn)損失。

3.2.3 安全性

數(shù)據(jù)信息資源作為系統(tǒng)對(duì)虛擬交互的決策依據(jù)與載體，必須做到高度的安全可靠。要充分考慮到各方面的因素對(duì)平臺(tái)數(shù)據(jù)信息資源的攻擊與破壞，充分利用現(xiàn)有成熟的信息安全技術(shù)手段、采用容災(zāi)備份機(jī)制等方法，確保數(shù)據(jù)資源在受到異常攻擊時(shí)的安全穩(wěn)定。

3.2.4 可快速恢復(fù)性

考慮到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)同樣存在著系統(tǒng)崩潰或數(shù)據(jù)丟失的可能性，在規(guī)劃信息資源管理體系及搭建系統(tǒng)平臺(tái)時(shí)，必須充分考慮在系統(tǒng)崩潰或數(shù)據(jù)丟失后的系統(tǒng)重新搭建及恢復(fù)功能。

該培訓(xùn)系統(tǒng)主要采用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)技術(shù)及海量空間數(shù)據(jù)讀取技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的存取。該項(xiàng)目利用SDX 實(shí)現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與訪問(wèn)，通過(guò)空間數(shù)據(jù)索引技術(shù)和金字塔技術(shù)提高數(shù)據(jù)的訪問(wèn)效率。特點(diǎn)為面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在動(dòng)車組檢修仿真培訓(xùn)系統(tǒng)采用先進(jìn)的軟硬件技術(shù)，將真實(shí)的場(chǎng)景、設(shè)備、操作過(guò)程、檢修、考核等內(nèi)容還原到計(jì)算機(jī)中。相較于傳統(tǒng)的書(shū)本式教學(xué)、視頻教學(xué)、設(shè)備模型、現(xiàn)車實(shí)景培訓(xùn)等，節(jié)約了大量的人力、物力、財(cái)力，并且能夠保障學(xué)員安全。同時(shí)，在實(shí)操實(shí)訓(xùn)方面具有操作可重復(fù)性、設(shè)備場(chǎng)景更新快、維護(hù)費(fèi)用低、培訓(xùn)方式新穎等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。在社會(huì)效益方面，虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)堅(jiān)持“以學(xué)員為本、以現(xiàn)場(chǎng)需要為核心、多維度協(xié)調(diào)發(fā)展”的實(shí)踐教學(xué)培訓(xùn)思想，創(chuàng)建多層次、綜合性、研究型的培訓(xùn)教學(xué)體系，培養(yǎng)高素質(zhì)動(dòng)車組檢修人才。