基于虛擬現實技術鐵路接觸網維修仿真實訓系統設計與實現

成 騰，趙 博，趙會軍，胡召華，殷 明

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道技術研修學院， 北京 100081）

隨著鐵路高新技術的進一步發展及鐵路運營里程的持續增長，鐵路對高水平的管理及專業技術人才需求日趨顯著，對人才培養的手段和方式也不斷提出新的要求，仿真實訓逐漸成為人才培養方式的新趨勢[1]。從全路主要培訓基地來看，高鐵的實訓已在駕駛、動車組機械師、高鐵調度等專業建立了仿真實訓系統，但在系統故障維修、應急演練、經營管理等方面，仍然沒有成熟的仿真系統。傳統實訓目前存在以下幾個方面的問題：培訓數字化表現形式單一；培訓軟件缺乏，交叉開發，低層次重復；硬件設備缺乏；網絡遠程教育還未開展起來；鐵路教育培訓軟件缺乏標準規范。因此，傳統的培訓方式已無法滿足目前的實訓需求，亟需一種新的實訓模式[2]。

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

在傳統的接觸網維修培訓中，大多以現場實操形式為主，接觸網故障重現困難，隨機性高，學員操作危險性高。隨著虛擬現實技術及其應用的發展,本文使用虛擬現實技術設計并實現了接觸網維修仿真實訓系統，該系統可將接觸網維修環境以三維立體的方式呈現在學員的眼前，學員在維修過程中無需爬到高空，便可完成對接觸網工區中設備的維修；對于突發事故以及不常見但具有嚴重后果的事故，該系統能夠不斷再現，供學員反復自主訓練，具有可控性、安全性和經濟性[5-8]。

1 基于虛擬現實技術接觸網維修實訓系統架構設計

根據項目實際需求，文中維修仿真內容包含：接觸網腕臂組裝、接觸網驗電接地、電纜試驗、接觸網斷線接續、接觸網搶修支柱5個模塊，其中，接觸網腕臂組裝、接觸網驗電接地、電纜試驗為維修部分，接觸網斷線接續、接觸網搶修支柱為搶修部分。根據以上需求，系統總體架構,如圖1所示。

圖1 基于虛擬現實技術鐵路接觸網維修實訓系統總體架構

1.1 前端顯示層

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

1.2 業務應用層

本文系統業務應用層是業務的核心模塊，邏輯上功能模塊劃分為后臺管理、教師端和學員端。后臺管理運行于服務器上，為教師端和學員端提供服務，教師端和學員端從后臺管理獲得計算和資源服務。

（1）后臺管理運行在服務器上，為教師端和學員端使用用戶提供計算、存儲及帶寬服務，如教師端及學員端請求的響應，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、在線學習、在線練習、在線考試、在線監控、學習監控、練習監控、考試監控、組織機構管理、用戶管理、角色管理、權限管理、日志管理等功能，是實現系統具體功能設計的接口實現。

（2）教師端程序運行在教師機上，通過操作，負責對服務端上的資源進行管理維護，教師端可配置及發布教學資源、實訓資源及考試資源，并對學生在線情況、學習情況、練習情況、考試情況進行監控。

（3）學員端程序運行在學員機上，學員用戶登錄后，選取教師已配置好的學習、練習或考試任務，即可在該端進行接觸網在線維修學習、練習及考試。根據業務需求，學員端主要由資源管理、教學管理、練習管理、考試管理、過程監控、系統管理及數據接口組成。

其中，資源管理功能對接觸網維修過程中的各類維修資源進行管理，教學管理為學員提供接觸網維修培訓功能，練習管理為學員提供接觸網維修實訓練習功能，考試管理為學員提供接觸網維修考試功能，過程監控可對考生使用系統的所有流程操作進行監控，系統管理實現系統的用戶、權限、角色、日志管理，數據接口實現與外部系統的數據交互及聯動。

1.3 應用支撐層

應用支撐層將分散的應用及信息資源進行整合，并為系統提供一個信息的集成環境，數據共享實現不同區域的用戶對系統數據進行讀取分析，元數據管理對系統中的元數據進行收集、組織與維持，日志記錄對系統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、規則引擎和流程引擎等組件。

1.4 基礎資源層

基礎資源層是系統實現的基礎，包括圖形處理器（GPU）主機提供顯示設備中的圖象渲染能力，空間定位器幫助系統對使用者進行定位追蹤，系統應用服務器提供后端的應用服務，存儲陣列保存系統中的各項資源，防火墻負責安全監控等。

1.5 運行保障體系

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

2 接觸網維修實訓系統功能設計

系統的功能設計圍繞學員訓練、學員考試與教學的需求進行設計，包括教師教學、學員學習、考試模式。其中，教師教學部分主要實現的是教學、練習與考試3方面的任務發布與配置。相對應地，學員學習主要分為教學、練習與考試3種模式。后臺管理主要包括管理員對學員信息、學習課程、考試信息的綜合管理，以及學員對個人信息的維護與查詢等功能。

2.1 教師教學任務配置及發布

教師為讓學員掌握接觸網維修知識點，可根據教學維修計劃及學員學習需要，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），配置形成學習任務，定向發布到特定學員，學員即能在登錄系統后進行教學任務學習。

2.2 教師教學任務配置及發布

教師配置完學習任務并發布到學員后，為使學員進一步掌握接觸網維修方法，可配置接觸網維修練習任務。練習任務是已經制作好的帶有操作提示的實訓場景及操作流程，學員可在場景中自由操作練習，練習的時間和次數不受約束。教師配置完成后發布到特定學員，學員登錄系統后便可進行實訓練習。

2.3 教師考試任務配置及發布

為對學員的學習及練習效果進行檢驗，考察是否掌握接觸網的維修技能，教師可根據培訓需要，配置考試任務。考試任務是已經制作好的不帶操作提示的實訓場景及操作流程，學員可根據自身掌握維修知識情況在場景中自由操作，操作結果將被記錄在系統中，作為考試評分依據，考試的時間和次數由教師自行設置。教師完成考試任務配置后發布到特定學員，學員登錄系統后便可進行考試。

2.4 學員教學模式

教學模式下，學員根據自身學習需要，在學習列表中選擇相應的課件資源，點擊即可進行針對性的接觸網維修知識學習。學習次數和學習時間不受限制，通過各種類型的課件，如：ppt、word、視頻，能隨時進行學習。

2.5 學員練習模式

練習模式下，學員可結合自身維修知識掌握情況，選取需要的練習任務，進入練習場景，對特定的維修流程進行反復練習操作，練習時間及次數不受限制，直到熟悉為止，以達到最終掌握接觸網維修方法的目的。

2.6 學員考試模式

學員在考試模式下，需在限定時間內，點擊進入考試場景，找出場景模型中設定的故障點并進行維修作業，學員的操作過程被記錄到系統中，系統根據學員考試操作，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。可根據需要設置場景、播放速度及背景音樂等。考試結果和記錄均可進行保存和查詢。

3 接觸網維修實訓系統的硬件集成方案設計

接觸網維修實訓系統的硬件設施包括定位裝置、顯示設備、圖形工作站、虛擬資源數據庫、交互設備與其他輔助設備。為了提高學員使用系統的沉浸感，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的學員也能夠身臨其境地體驗實訓過程，從而可以使得學員們更快地上手，提高學習效率。系統的硬件由虛擬現實頭戴顯示設備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。～45。，確保使用者在定位設備的精確定位范圍內活動，完成空間定位基站的搭建。

圖2 基于虛擬現實的鐵路接觸網維修實訓系統示意圖

3.2 圖形工作站

圖形工作站是虛擬現實系統的核心運算硬件，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的，虛擬現實系統的圖象實時渲染任務量遠遠高于一般的圖象顯示任務，這就對虛擬現實系統中圖形工作站的性能提出了更高的要求。HTC vive顯示設備與工作站的連接，將HTC vive搭建完成后，通過串流盒將虛擬現實頭顯與圖形工作站相接，即可完成系統硬件的集成。

3.3 顯示設備

系統顯示裝置包括虛擬現實頭盔與多屏顯示系統。沉浸式多屏顯示系統，將多個虛擬場景顯示終端或顯示設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置多屏顯示即完成了多屏顯示系統的搭建，該系統能夠將虛擬顯示眼鏡中的圖像在多屏系統中進行同步顯示。

3.4 虛擬資源數據庫

虛擬資源數據庫，一般非大型或網絡虛擬現實系統，虛擬資源數據可直接保存在圖形工作站中進行調用，模塊化方案中，可將其獨立，并根據圖形工作站的接口進行連接，可隨時對虛擬資源數據庫進行更新升級。

3.5 交互設備與其他輔助設備

無線接收設備，系統的交互手柄是HTC vive中的適配手柄，通過藍牙傳輸的形式進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備。

4 接觸網維修實訓系統的實現

接觸網維修實訓系統開發流程包括開發方式選擇、模型構建、渲染處理、交互開發5個階段。

4.1 開發方式選擇

虛擬現實開發工具根據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 接觸網維修系統開發流程

4.2 模型構建

培訓場景的建立主要包括5個階段：素材收集，數據采集，單體3D模型制作，虛擬三維場景的搭建和模型導出。其中，數據采集階段，測量實物點云數據（可采用三維激光掃描儀）后進行數據篩選，數據平滑處理以及數據補差、重復數據刪除等步驟以便得到有價值的數據信息；數據采集的內容，應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、立面和屋頂結構，交通設施的位置、形狀和結構，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

虛擬現實渲染處理與以往的圖象渲染最直接的不同是渲染規模成倍增長，吞吐量激增。渲染的關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，使屏幕圖像的更新不經過完整的圖形管線，用戶頭部的追蹤數據可以直接進入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實圖象的渲染任務。

4.4 交互開發

本系統以虛擬現實開源工具包SteamVR Toolkit（VRTK）為基礎，開展對其交互方案的設計，交互過程在Unity3D軟件中開發。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 系統測試

本文仿真實訓的系統測試是基于V模型和黑盒測試技術，包括系統環境測試、系統功能測試、UI界面美觀性測試、交互性能測試、沉浸感測試等項目。結果顯示系統操作反饋良好，交互性好，沉浸感強，用戶通過佩戴虛擬現實頭顯，可身臨其境般地進行維修操作，有效提升接觸網維修仿真實訓的實作性，達到了較高的仿真實訓水平，為接觸網維修培訓提供了良好的技術支持和新途徑。訓場景再現給學員，提供了真實作業流程與各種突發情況的解決方案，有利于學員反復學習，熟練操作，使得現實技術在鐵路實訓中發揮重要的作用。

5 結束語

虛擬現實技術良好的交互性和沉浸感可以逼真地反映現實實物，綜合運用圖形、圖像、動畫和聲音等多種媒體可模擬接觸網維修現場的實際情況，使學員處于一個虛擬的鐵路現場環境空間。既可以滿足不斷發展的企業人才標準，符合鐵路職業教學需求，又節省開銷，并可根據需求繼續開發擴展功能。目前，作為一項前沿技術，基于沉浸式、增強式虛擬現實的研究與應用正處于快速發展期。本文系統充分發揮虛擬現實系統的優越性，將鐵路接觸網維修的培