三維模擬仿真在鐵路機車駕駛上的應用

張 贏

（呼和浩特鐵路局科學技術研究所 內蒙古呼和浩特 010052）

三維模擬仿真在鐵路機車駕駛上的應用

張 贏

（呼和浩特鐵路局科學技術研究所 內蒙古呼和浩特 010052）

本文是通過運用3D Studio Max軟件，建立適當的三維模擬仿真場景和電力機車模型，運用VRP交互虛擬現實平臺軟件進行編譯開發，使機車司機通過電腦操控三維模擬仿真的HXD3D電力機車模型，在三維模擬仿真虛擬現實場景中進行電力機車駕駛標準化作業的學習。這將對機車司機的標準化作業提供真實可靠的模擬仿真環境，是一種比較實用的培訓新入職機車司機標準化作業的方法。

三維仿真 3D Studio Max VRP

1 引言

鐵路系統對新入職機車司機的培訓一般采用比較傳統的培訓方式，即：授課、現場學習、練習、實際操作等方式來培訓機車司機，這種傳統的培訓模式與方法具有一定的局限性和危險因素。運用三維仿真模擬的方式來培訓司機，這樣不僅可以使新入職的司機快速學習、了解、掌握機車駕駛的基本原理和標準化作業流程，而且可以避免去現場學習、練習時候所產生的局限性、危險因素。因此，三維仿真模擬在鐵路機車駕駛上的應用具有很重要的意義，它不僅僅為新入職的機車司機提供一個快速入手、良好、真實、安全、可靠的培訓環境與手段，而且三維仿真模擬駕駛培訓系統，對新入職的培訓司機而言，具有安全、經濟、高效、培訓過程可控可重復、便于進行突發事件及故障狀態模擬等優點，有助于培訓司機在特殊條件下的駕駛技能及應變能力。據相關資料統計，在三維仿真模擬駕駛設備上培訓新入職的鐵路司機，一般可節省30%的經費。

國內目前針對鐵路機車駕駛的三維仿真模擬系統相關研究已取得了不少成果，并將其轉化成產品投入使用，應用效果良好。市場上現有各種針對鐵路系統研發設計的三維仿真模擬系統，盡管系統在設計界面和操作方式、方法上存在差異，但基本的原理與設計思路都是一致的。這類仿真模擬系統，雖然有效的解決了新入職機車司機的培訓，但是并沒有完全解決司機對實際現場環境的駕駛培訓，而且價格較高，安裝過程復雜，耗時長。對鐵路局來說是一個較大的經濟負擔。

2 總體方案設計

開展研究，經過與鐵路局機務處、總工室等部門共同研究，最終確定制作呼和浩特到呼和浩特東站的區間線路視景和HXD3D型電力機車模型。

（1）選定的區間線路距離工作場所較近，為現場數據采集提供便利，并可節約研究成本和縮短研究周期。

（2）選定的區間線路視景可滿足基本的培訓功能要求。

（3）HXD3D型電力機車是我局擔當客運牽引任務的主力機型。

（4）我局已有的模擬操縱臺還沒有對HXD3D型機車的模擬操作功能，該項目的研究成果可彌補這一空白。

3 三維模型的確定

（1）呼和浩特站與呼和浩特東站站場視景制作。包括站房、站臺、線路、道岔、信號機、接觸網及周邊建筑。

（2）呼和浩特站到呼和浩特東站區間二股正線線路及主要建筑。

（3）HXD3D型電力機車完全仿真模型的制作。

4 三維模型設計與建立

4.1 場景建模

建筑的三維模型的搭建相對簡單，重點是對建筑模型的貼圖。建模過程中，基本都是采用創建簡單模型，然后對模型進行編輯、變形后，形成最終模型。需要注意的兩點：第一，由于這個大場景的底圖坐標是帶一定角度的，所以在創建基本體后，使用修改命令對其進行編輯的時候要注意，因為模型會沿一定角度變化而非垂直或水平方向（比如擠出、移動等操作），造成模型嚴重變形，所以在對模型進行編輯修改時應先將其旋轉為標準坐標方向，編輯完成后再旋轉回來即可。第二，每建立一個模型，及時修改它的名字，命名最好有一定規律和特征，便于與其他制作人員所做的模型區分開，同時模型的名字也不易太長、太復雜，否則在VRP中導出或烘焙時容易報錯。

4.2 HXD3D型電力機車建模

HXD3D型電力機車的三維建模屬于高級建模，模型的構建比較復雜。建模過程中，采用的基本方法和技巧與場景建模基本一致，有所區別的是，在建模時，必須對模型的尺寸掌握的比較詳細，以確保模型建好后不失真的同時，還可以完全可以裝配起來，特別是機車內部機械間內的每個設備、部件的三維模型，必須按相應的比例進行建模，只有這樣才能夠裝配到整個機車上，同時做好模型的命名工作，這樣可以使后期的相關工作更加容易進行。

4.3 模型的合并調整

由于建立的建筑模型中，許多是一個小區內，模型完全相同或相似，都使用同一貼圖，因此可以合并，以減少模型數量。合并的方法是：選擇其中一個建筑模型a，點擊右鍵選“Attach”，然后移動鼠標，在可以合并的另一模型b上鼠標指針變為“+”字形，點擊鼠標左鍵，b模型外輪廓線顏色變成與a模型的一樣，表示合并成功，依次點擊c、d、e……多個模型就合并為一個。需要注意的是，不同貼圖的模型絕對不能合并；另外實例復制的模型，需先點擊“Make Unique”將其獨立，再進行合并，因此實例復制也要謹慎使用。

4.4 模型的貼圖制作

模型貼圖的制作在整個建模過程中是非常重要的一個環節，如果貼圖制作的不理想，會影響整個模型的質量，甚至會影響到后期在VRP中的編譯。盡量不使用像素很大的貼圖，一般新建大小為512*512或256*256的圖片即可；其次，在一張圖片上放置盡量多的修改好的圖片，甚至可以是多個物體的貼圖，以供多個模型使用，這樣不僅可以減少了貼圖數量，又將使用同一貼圖的模型合并為一個物體，這也就減少了模型數量，并且避免了多維材質的產生，為后期這個場景導入VRP提供了良好的基礎條件。

5 三維模型的效果

5.1 線路及站場模型

呼和站線路三維模型主要分為（線路、路基、接觸網、電桿以及信號機等模型），具體如下圖所示：

（1）呼和東站東側線路三維模型，如圖1所示：

（2）呼和東站西側線路三維模型，如圖2所示：

圖1 東站東側線路三維模型

圖2 東站西側線路三維模型

5.2 周圍建筑及光影

（1）東站周圍建筑及光影信息，如圖3所示：

（2）呼和站建筑及光影信息，如圖4所示：

圖3 東站周圍建筑及光影

圖4 呼和站周圍建筑及光影

5.3 機車模型與站場場景組合

HXD3D型電力機車模與站場場景模型合并后的整體模型，如圖5所示：

6 三維模型與VRP交互編譯

6.1 功能設計

在充分采納現場工作人員的意見后，最終確定試驗性的完成機車檢查及一般操縱練習兩個功能模塊的模擬培訓功能。主要包括：

（1）機車駕駛室檢查標準化作業程序的學習、練習和考試。

圖5 HXD3D型電力機車三維模型

（2）機車一般操縱程序的練習。

（3）機車駕駛模擬演練平臺的開發。其主要功能是將上述培訓模塊集成到一起。

6.2 主要制作過程

（1）根據業務需求設計虛擬現實程序互動腳本。

（2）將前期制作的線路視景和機車模型導入到VRP編輯器中。

（3）按照互動腳本的設計要求，利用VRP編輯器的功能完成作業程序的模擬演練程序編制。（4）利用VRP編輯器打包生成可獨立運行的可執行文件。

（5）將制作完成的培訓模塊集成到機車駕駛模擬演練平臺中。

6.3 VRP的編譯

（1）機車駕駛模擬演練平臺。如圖6所示。

（2）機車駕駛室檢查標準化作業程序的練習模塊。如圖7所示。

圖6 機車駕駛模擬演練平臺主界面

圖7 機車駕駛室檢查練習模塊操作界面

（3）機車駕駛室檢查標準化作業程序的考試模塊，如圖8所示。

（4）機車操縱程序的練習模塊。如圖9所示。

7 結語

通過對實際現場用戶需求的了解，由于開發人員非鐵路專業技術人員，不熟悉鐵路規章制度，對實際現場提出的很多實際需求無法實現，因此，現有三維仿真模擬系統與實際現場作業情況仍然存在諸多差異。同時，由于造價昂貴，各局各站段以及全路其它單位擁有三維仿真模擬系統設備數量較少、培訓機會匱乏。所以，采用自主研發的方式不僅能最大程度滿足現場實際需求，還可以成本低，并且使學習資源變得充足，具有廣闊的市場空間，良好的推廣前景。

圖8 機車駕駛室檢查考試模塊操作界面

圖9 機車操縱程序練習模塊

三維仿真模擬的系統開發，作為提高駕駛員操作技能、保證運輸安全的重要工具，受到越來越多的鐵路部門所青睞，而且市場上從事該系統開發的其它公司屈指可數，因此由我局獨立研發擁有完全自主知識產權的列車模擬駕駛培訓系統意義重大，既可節約采購成本，又可豐富培訓資源，其研究成果的推廣也將帶來良好的社會和經濟效益。

Application of Three-Dimensional Simulation in Railway Locomotive Driving

ZHANG Ying
(Science and Technology Research Institute of Hohhot Railway Bureau Hohhot Inner Mongolia 010052 China)

Through the use of three-dimensional Studio Max software, this thesis aims to establish appropriate three-dimensional simulation scene and electric locomotive model, compiled by VRP interactive virtual reality development platform software, locomotive drivers can control HXD3D electric locomotive model in three-dimensional environment with computers, and carry out the learning of standard driving in three-dimensional virtual reality. This will provide a true and reliable simulation environment for the standard operation of locomotive drivers, and is a more practical method for training the new drivers.

three-dimensional simulation 3D Studio Max VRP

A

1673-1816(2016)04-0080-05

2016-03-10

張贏（1982-），男，內蒙古呼倫貝爾人，工程師，碩士研究生。