調車仿真培訓系統的研發與應用

2021-07-28 08:32:51路燾

現代信息科技 2021年2期

關鍵詞：VR技術

摘? 要：鐵路調車作業是鐵路交通正常運營的重要保障。然而，由于鐵路調車作業也存在一定的風險，因此營造一個安全的調車培訓環境對于鐵路交通人才的培養至關重要。基于上述需求，首先對調車作業的定義和調車作業的作用進行了闡述，然后從時間、環境、設備、管控、人員、機制六個方面分別分析了調車作業的安全風險，最后基于VRay渲染技術、3ds MAX素材建模技術、Unity3D引擎技術、數據庫技術對VR調車仿真培訓系統進行了設計。

關鍵詞：調車作業;VR技術;仿真培訓系統

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）02-0104-04

Abstract：Railway shunting operation is an important guarantee for the normal operation of railway transportation，but there are some risks in railway shunting operation，so it is very important to create a safe shunting training environment for the cultivation of railway transportation talents. Based on this demand，this paper first expounds the definition of shunting operation and the function of shunting operation，then analyzes the safety risk of shunting operation from six aspects of time，environment，equipment，management and control，personnel and mechanism，and finally designs VR shunting simulation training system based on VRay rendering technology，3ds MAX material modeling technology，Unity3D engine technology and database technology.

Keywords：shunting operation;VR technology;simulation training system

0? 引? 言

隨著我國鐵路交通的飛速發展，對鐵路交通運營效率的要求越來越高。調車作業是鐵路交通運行的一個重要環節，傳統的調車作業需要人力調度，整體調車過程難度系數大、復雜程度高，同時缺乏高效且優化的算法程序，只能采用邊走邊看的調度模式，人員培訓的成本也隨之增加。本文基于調車仿真培訓系統進行研究，并結合筆者自身的工作經驗，從根本上對調車作業進行解構，利用信息技術提高調車培訓的效率，進而為我國鐵路交通發展做出貢獻。

1? 調車作業概述

1.1? 調車作業的定義

鐵路交通的調車作業是指針對鐵路機車進行的解體、摘掛、轉場、編組、調移、取送等一系列有目的的移動作業。調車作業是鐵路行車工作的基本內容之一，大體可以分為到達作業（列車進入編組站，相關人員進行檢查和確認解編方向）、解體作業（確認解體條件，對列車進行推峰、溜放等解體操作）、集結編組作業（完成預定的編組調車計劃，并把機車牽引到出發場）、出發作業（檢查車輛狀態，通知外勤出車）。一般由調車領導人負責統一編制，指揮人員及相關人員進行具體作業的執行工作。調車作業流程如圖1所示。

1.2? 調車作業的作用

調車作業是先將列車解體，然后將相同目的的車輛重新集結，其是鐵路系統能否順利運營的重要保障之一。調車作業可以分為解體調車、摘掛調車、編組調車和取送調車等不同類型，鐵路交通的調車作業直接決定了鐵路運輸部門的運營效率，當前我國針對鐵路車站的調車作業從未間斷過研究，雖然和以前的調車作業相比效率大有提高，但因為調車作業的作業面廣、線路長、室外流動性大等特點，使得調車作業仍存在較大的危險性。

2? 調車作業風險研究

當前對調車作業安全性的影響主要源于以下五個方面的問題。

2.1? 時間問題

調車作業經常需要夜間作業，這使得作業人員可能因偷懶而簡化操作流程的違章行為，進而使安全事故風險增加;而接班人員因為夜間精力不集中的緣故，有時會出現無法立刻進入工作狀態，這也增加了安全事故風險。

2.2? 環境問題

因為調車作業是室外作業，所以受天氣環境因素的影響較大。同時部分地區車站的地形因素也容易對調車作業產生影響，比如道口多、彎道多、瞭望條件差、坡度大等地形都容易阻礙調車作業的順利進行。

2.3? 設備問題

設備問題主要在于設備老化、技術防控不足等。一方面，調車作業設備如果沒有做到及時更換，就會增加調車作業風險，比如“人工手扳道岔”就對作業人員有著非常高的要求;另一方面，在設備完成更換后，也需要相應地優化調車作業流程，杜絕出現設備控制方面的違章行為。

2.4? 管控問題

以往的調車作業管控主要是互相管理和互相監督，這會使得在雙方崗位編制不同的情況下容易出現監管不力的情況。同時人力管控的整體效率不高，個人對調車作業重點的認知又有所差異，很容易出現一方妥協的局面，進而使得管控力不足，增加調車作業的安全風險。

2.5? 人員問題

人員因素主要取決于執行調車作業職工自身的素質水平。如果相關人員出現安全意識不強、業務素質不高、敬業精神不足等問題，那么很容易造成調度事故的出現。

3? 調車仿真培訓系統的研發與應用

3.1? 研發目的

對于技術嫻熟、經驗豐富的老調度作業人員來說尚存在一定的安全風險，而對于尚處在實踐學習期的預備役人員來說更可想而知了。所以對這部分人員采取行之有效的培訓，最大限度地減少事故發生的風險，成了鐵路部門首當其沖的頭等大事。基于上述的調車作業安全問題，筆者認為開發一款調車仿真培訓系統是幫助培訓人員做好安全培訓的關鍵。隨著信息技術的不斷發展，同時學生也不再受時間和環境的限制，相應的系統開發成本也大大降低，系統開發和應用的成本相較于實際調車作業培訓的安全成本和設備成本來說可謂是一目了然。所以本次調車模擬系統主要是從培訓人員的安全角度和實際應用的成本角度兩個方面來考慮。同時選擇了當前較為熱門的VR（虛擬仿真系統）來彌補傳統調車作業培訓的局限性，在增加安全性的同時減少投入成本。

3.2? 研發內容

根據調車作業的實際需求，本次VR培訓系統主要實現的目標是人機交互、培訓練習、場景漫游和考試等功能，分為教師機、學員機（連接員、調車長、司機、值班員等）、觀眾端（投放設備）三個系統，系統之間由局域網進行連接。其中HTC Vive將為學員提供視聽和振動的反饋效果。系統架構如圖2所示。

在模擬系統方面，本次系統的具體模塊可以分為操作輸入模塊、碰撞檢測模塊、數據通信模塊、仿真場景模塊和輸出場景模塊，其中仿真場景模塊是系統的核心，其他模塊都需要基于仿真場景模塊得到反饋。

3.3? 系統關鍵技術

本次系統關鍵技術包括VRay渲染技術、3ds MAX素材建模技術、Unity3D引擎技術、數據庫技術。其中3ds MAX素材建模技術是本次調車系統的基礎，負責針對調車組的實際情況完成相應的多邊形建模。構建中的車站模型如圖3所示。

VRay渲染技術主要負責對虛擬場景進行渲染，讓場景呈現效果更加逼真，提供更為真實的視覺效果，如圖4所示，讓學員更有代入感。

如圖5所示，Unity3D引擎技術主要負責給模型搭建骨架，讓建模場景能夠真正動起來，基于射線檢測技術、碰撞檢測技術和粒子追蹤技術讓建模場景能夠與參與者形成交互。

數據庫技術主要提供管理者和學員信息的實現查詢、錄入和導出等功能，核心是針對此類型的信息數據建立相應的儲存、檢索和管理框架。整個數據庫系統架構共分為三個數據模塊，分別是數據儲存模塊、數據檢索模塊和數據管理模塊。針對這三個模塊的特點筆者采用綜合了HDFS、MySQL和Redis的數據庫技術方案與以MVVM為主的前后端分離式Web系統設計。

3.4? 部分代碼

本次VR調車仿真系統的部分代碼為：

1.CountDownCanvas

using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using UnityEngine;

using UnityEngine.UI;

publicclass CountDownCanvas ： MonoBehaviour

{

publicstatic CountDownCanvas Instance;

private Text txt_CountDown;

privateint m_Time = 3;

privatevoid Awake（）

{

Instance = this;

txt_CountDown = transform.Find（"txt_CountDown"）.GetComponent（）;

SystemObject.SetActive（false）;

}

publicvoid ReduceTime（）

{

if （m_Time >0）

{

SystemObject.SetActive（true）;

txt_CountDown.text = m_Time.ToString（）;

m_Time--;

}

2.SystemItemSelectPanel

using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using UnityEngine;

using UnityEngine.UI;

publicclass SystemItemSelectPanel ： MonoBehaviour

{

private Button btn_Forward;

private Button btn_Back;

private Button btn_Select;

private Text txt_Title;

privatestring[] m_SystemItemNameArr;

privatevoid Awake（）

{

ReadSystemItemNameText（）;

Init（）;

}

privatevoid Update（）

{

txt_Title.text = m_SystemItemNameArr[SystemItemSpawn.Instance.Index];

}

privatevoid ReadSystemItemNameText（）

{

TextAsset textAsset = Resources.Load（"培訓項目名字"）;

m_SystemItemNameArr = textAsset.text.Split（'＼n'）;

}

privatevoid Init（）

{

txt_Title = transform.Find（"txt_Title"）.GetComponent （）;

btn_Forward = transform.Find（"btn_Forward"）.GetComponent