25G 型AC380V 空調客車干線絕緣故障處理VR 實訓系統的應用研究

許廣強 中國鐵路上海局集團有限公司合肥車輛段

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是一項綜合集成技術,涉及計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術、人機交互技術、網絡技術以及人工智能等領域。通過多種傳感設備，用戶可以根據自身的感覺，使用人的自然技能對虛擬世界中的物體進行考察與操作，參與其中的事件，同時提供視、聽、觸覺等直觀而又自然的實時感知，并使參與者“沉浸”于模擬環境之中。虛擬現實為人們對復雜場景進行可視化操作提供了新的途徑。用戶可以利用構建好的虛擬現實環境，將自己置身其中，探索和體驗由于客觀現實的限制而不能直接體驗的事物。虛擬現實技術主要應用于各種仿真模擬系統，例如航天實驗室、虛擬駕駛、工程設計、房屋裝修、醫療培訓、軍事演習等。虛擬現實技術在鐵路行業主要應用在實作技能培訓方面，例如機車駕駛、接發列車、信號控制等，用于客車車輛檢修培訓還處于起步階段。

1 項目背景

客車車輛檢修是一項實操性非常強的技術能力，培養一名技能高超的職工既要有車輛構造、系統原理、檢修技術等理論知識體系培訓，又要有拆卸、組裝、故障處置等實操技能訓練，因此無論采用什么樣的培訓方式，這兩種類型的培訓內容是缺一不可的。但是不同的培訓方式，在培訓效果、效率、成本等方面差別較大。客車車輛檢修理論知識培訓主要采用PPT、音視頻影像的形式，配合題庫練習、理論考試的方式對規章、工藝、作業指導書進行學習。實作技能培訓采用建立實訓基地，通過模型、報廢車輛來進行演練。這樣的傳統培訓方式存在如下問題：

（1）規章、工藝、作業指導書及題庫等文本型資料比較枯燥，而對于生產一線的職工來說，接受度很低，學習培訓效果較差。大部分職工基本依靠死記硬背的方式來學習，缺乏對實物感官的想象空間。PPT、音視頻影像等資料直觀性、興趣性較好，比文本型資料的培訓效果要好一些，但PPT 主要以圖文方式，對維修過程連續性的展現并不具備優勢，而音視頻影像等通常只能錄制外觀等表面現象，對客車車輛部件內部結構的展現不夠精細。

（2）實作技能培訓通常利用現車、報廢車輛、實訓基地實訓設施來進行實作訓練。利用現車培訓受場地、車型、生產運輸及天氣因素的限制，每次訓練的人數有限，部分作業環節有危險，新職工缺乏實作經驗，可能造成人身傷害、實作訓練還會消耗大量的工具、配件和物料，成本較高。隨著客車車輛新車型、新裝備、新技術更新速度加快，很多新車型還沒到報廢年限，沒有可以用于新技術實作訓練的報廢車輛；建立實訓基地，配備大型的車輛部件成本較高而且占用場地空間大，通過模型只能對外觀結構進行了解，無法反復實作練習。

（3）傳統“傳、幫、帶”的師帶徒實作技能培養方式由于受師父個人技術能力的差異及時間精力的限制，不可能實現多次重復講解演示，帶徒數量有限，而且即使是優秀的技術骨干，也不可能方方面面都精通，也會存在能力短板和不擅長的部分，因此培養出來的徒弟技能水平也是參差不齊。

而基于虛擬現實技術的客車車輛檢修實訓系統具有多角度立體展現車輛內外結構、動態模擬拆裝過程、高度還原現實場景，能夠集成優秀專家的經驗，培訓內容統一、占用場地空間小、受訓人數多、不受時間及天氣限制、可反復實作練習、新車型更新及時、操作安全、無工件輔材損耗等優點。因此結合當前主流的虛擬現實技術和設備，根據實際現狀和需求制定了一個鐵路客車VR 實訓系統的整體方案，并從25G型AC 380 V 空調客車干線絕緣故障處理VR 實訓系統開始進行試點研制，以期通過系統的建設，提高培訓效率，降低培訓成本，促進客車車輛檢修人員整體技能水平的提升。

2 研究目標

引入VR 技術，充分利用多媒體、傳感器、人機交互、三維建模等技術，通過定位器、VR 頭盔、VR 手柄等設備，結合客車車輛庫檢作業實際，建立基于真實場景和檢修規程的鐵路客車車輛檢修實訓系統。通過系統化、直觀化的理論講解，規范化、標準化的作業過程演示，沉浸式、交互型的實操演練，隨機性、遠程化的自測考評，再現鐵路客車干線絕緣檢測和故障處理的作業過程，實現客車車輛段對25G 型AC 380 V空調客車干線絕緣故障處理的人員實作培訓。提高客車車輛檢修人員的技術能力和作業水平，保證客車車輛檢修質量，實現客車運用安全。

3 關鍵技術

3.1 三維建模技術

主要通過3ds MAX 工具對車輛及相關場景進行數字建模，然后在VR 開發軟件平臺內對模型進一步優化，并在材質、貼圖、光影關系、骨骼動畫等方面進行一系列處理，生成車輛內外部結構的虛擬場景。系統顯示采用國際通行的720p標準；畫面尺寸：1280×720；畫幅比例：16：9；幀率：25 幀/秒。

3.2 人機交互技術

虛擬現實要求人機交互能夠讓操作者能在虛擬空間(virtual environment，VE) 逼真的感受到真實世界一樣的視覺、聽覺、觸覺等感官反饋。VE 空間的浸入體驗，讓學員能夠體會到操作真實客車車輛帶來的感官感受。系統應用目前世界最先進的HTC Vive 系統作為終端平臺，將傳感手套、觸覺和力反饋裝置、頭盔式顯示器、3D 聲音生成器等應用到客車車輛檢修培訓系統中，增加學員的沉浸感。該系統還能實現多人通過投屏觀看操作人員在場景內的實際操作流程。

4 系統性能及功能概述

（1）系統符合客車車輛段《25G 型AC 380 V 空調客車電力連接座絕緣不良故障處理作業指導書》作業流程要求。

施蟄存（1905年12月3日-2003年11月19日）中國現代著名作家、文學翻譯家、學者，華東師范大學中文系教授。原名施青萍，筆名青萍、安華、薛蕙等。施蟄存是中國新感覺派小說的代表作家，以心理描寫見長。

（2）系統以一列18 輛25G 型AC 380 V 空調客車客車為整體框架（見圖1），模擬庫檢作業檢測空調客車干線絕緣不良狀態，按作業指導書流程對可能存在的故障項點進行排查。

圖1 整體框架

（3）系統涵蓋作業前準備、相關檢查檢測、排查故障車輛、查找故障點、故障處理及安裝修復等功能環節。

作業前準備：

①按規定穿戴勞動保護用品，帶好常用作業工具，作業前使用對講機聯系確認插設防護信號（見圖2、圖3）。

圖2 穿戴勞動保護用品

圖3 確認防護信號

②檢查絕緣表校驗不過期，進行開、短路試驗，核對環境濕度（見圖 4、圖 5）。

圖4 絕緣表校驗

圖5 溫濕度校驗

檢測絕緣，排查并處理故障過程：

①確認發電車柴油機組停機，DC24V/48V 已斷電（見圖6、圖 7）。

圖6 柴油機組停機

圖7 確認斷電

②進行車體Ⅰ、Ⅱ路干線絕緣檢測：打開車列首（尾）部車輛車端電力插座防護蓋，用絕緣表依次檢測線間（U-V、VW、U-W）、線對地間絕緣（U-N、V-N、W-N）（見圖 8）。

圖8 干線絕緣檢測

③將絕緣不良的一側車輛與發電車連接的電力連接線摘除分離，按照1/2 分段查找的方法找到故障車輛（見圖9）。

圖9 排查故障車輛

④將絕緣不良的干線分線盒打開，使用套筒扳手將分線盒內的三相干線及N 線接線柱螺母拆下，使用絕緣表分別檢測一、二位端三相干線與N 線間絕緣，使用套筒扳手將一位端上、下電力連接座螺栓拆下，檢查判斷出故障點并處理故障（見圖 10、圖 11）。

圖10 查找故障點

圖11 處理故障

故障處理結果確認并恢復車輛連掛：使用絕緣表檢測一位端三相干線與N 線間絕緣良好，分別安裝恢復二路干線分線盒配線及一位端上、下電力連接座。恢復結束再次檢測確認三相干線與N 線間絕緣良好后，依次將電力連接線分離的全部連掛恢復并確認良好（見圖12）。

圖12 恢復連掛

5 應用情況

系統運行穩定，操作簡便，效果逼真，可解決傳統培訓方式存在的時空受限、培訓人次受限、物料消耗多、故障類型單一等問題，實現培訓內容的標準化、多樣化和考核內容的隨機性，提升培訓質量和效果。主要體現在以下幾個方面：

（1）節約培訓成本。培訓場地小，可節約大量實訓基地占地面積及實訓場館建設費用。

（2）培訓過程安全環保。通過軟件系統學習和演練可避免新學員因為誤操作而引發的人身傷害事故，可避免因天氣或其他原因導致無法進行培訓教學；

（3）提升教學質量。采用課堂現場計算機組合，既增加了趣味性，又使教學過程具有立體感、真實感，學員接受度高，且培訓故障可隨機生成，學習多樣性、新穎性強。

6 結論

25G 型AC 380 V 空調客車干線絕緣故障處理VR 實訓系統場景逼真、動畫流暢、功能合理、操作簡便、沉浸感強，仿真教學與實際作業可完美契合，不僅創新了培訓形式，提高了培訓效果，同時也具有良好的推廣應用價值，對于旅客列車檢修作業人員培訓的創新發展具有重要意義。