VR技術在動車檢修培訓中的應用

李宇豪

(中國鐵路西安局集團有限公司西安動車段 陜西西安 710000)

近年來，高速鐵路蓬勃發展，自黨的十八大以來，我國高速鐵路網的規模和質量、技術裝備水平、運輸安全水平等重要指標都進入了世界前列，成為了名副其實的鐵路大國。伴隨著各個動車段的配屬車型的增加和檢修技術要求的提高，現有的檢修人員總體素質不高、年輕化明顯、檢修經驗欠缺等問題開始凸顯[1]。因此，動車檢修人員的教育培訓十分重要，直接關系到檢修人員技術業務的提升，從而影響到動車組的檢修質量。在此背景下，動車檢修單位的職工業務能力培訓需采用多元化的方式，將“線上”與“線下”相結合，采用創新型的虛擬VR技術，是大勢所趨。

VR 技術發展至今，已步入成熟階段，并且在各行各業都得到了廣泛應用，比如：在醫學方面，裴育苗通過構建出三維器官模型和在醫學教學中所需要的儀器、設備，建立一個有自然交互感的虛擬場景[2]。在工業裝備制造方面，ROLDAN J J等人針對復雜的裝配體的操作員利用虛擬現實技術來模擬工作環境，證明了虛擬現實技術相比傳統培訓模式更具有競爭力[3]。另外，CIPRESSO P等人論證了虛擬現實在主要應用領域中的使用過程中的演變和變化，并著重強調了未來預期虛擬現實的能力增長和挑戰[4]。杜偉針對動車組檢修實訓設備價格昂貴，教學效率低的問題，設計了多功能動車組檢修技能實訓平臺[5]。李旭洋等人通過建立了虛擬檢修車間漫游系統，實現了增強培訓人員對檢修車間設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檢修模型構建方法，基于模型與仿真驅動文件分離方法、復用性虛擬檢修仿真生成方法，實現并應用了基于虛擬現實的標準動車組虛擬檢修系統[7]。周紹澤等人提出了虛擬檢修視點模擬方法以及改進的漫游碰撞檢測算法模擬動車組檢視檢修，建立了基于虛擬現實技術的動車組虛擬檢修培訓系統[8]。

目前，VR 技術在動車檢修培訓行業的應用過程中，面臨動車設備的多樣性，設備操作流程的復雜性及虛擬實操考核的不確定等問題，所以將動車檢修的作業環境與虛擬現實技術高度的臨場感及定制性相結合，實現“VR+動車檢修培訓”的培訓模式已經是迫在眉睫。

1 虛擬現實技術

虛擬現實技術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。它利用外接設備，提供虛擬的感受空間，利用位置跟蹤器、數據手套以及其他手控輸入等傳感器設備，并以聲音輔助使用者產生身臨其境、全身心投入和沉浸其中的感覺。將真實的動車檢修作業場景搬進計算機，采用三維仿真模型導入系統平臺中，學員直接參與現場，如身臨其境、置身其中，通過集成數字多媒體的應用，寓教于樂、融會貫通、邊體驗邊學習，從而讓學員輕松地掌握大型設備作業現場的安全基礎知識、安全操作技能以及設備檢修等相關培訓教學內容。

虛擬現實技術是采用以計算機技術為核心，以逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境，是目前仿真培訓系統3D多媒體技術的延伸[9]。將傳統的計算機從一種需要人用鍵盤鼠標對其進行操作的設備變成了人處于計算機創造的人工環境中，實現了更加直接明晰的培訓效果。

2 虛擬操作系統的設計

2.1 系統設計原則

根據虛擬現實及培訓內容的特點，在設計時應遵循以下幾個主要主要原則：（1）集約化原則；（2）實用性；（3）規范化原則；（4）可擴充性原則；（5）易用性原則；（6）先進性原則。此平臺以此為基礎，能夠快速地構建出復雜場景虛擬仿真，具有良好的交互性和真實感。

2.2 關鍵技術選型

從圖1可以看出，在虛擬設計的過程中，將各類設備的設計圖紙的二維模型通過數字化三維仿真技術（VRT）轉化成三維模型，借助虛擬環境，采用運用象池模式、運用Shader Model、運用Shader Model 技術，降低內存空間的使用率避免內存溢出導致的死機，提高渲染的清晰度和逼真度。利用仿真過程中的數據來實現虛擬操作培訓及考核。

圖1 虛擬設計主體拓撲圖

2.3 構建虛擬系統

構建虛擬學習系統時，需要用到的軟件為Unity3D+Visual Studio 2017虛擬現實設計平臺，開發場景元素及相關組件。硬件為HTC VIVE 與虛擬現實平臺相連接。

2.3.1 虛擬場景

在構建虛擬系統時，首先需要搭建一個場景，然后利用其中的攝像機對場景元素進行投影以及配合操作，從而構建一個完整的虛擬系統。我們將通過4 個場景元素來構建虛擬場景[2]。

（1）操作對象：是unity 場景內所有實體的基礎。例如：CRH380B型動車組轉向架、車下設備等，通過現場調研及資料收集，采用3Dmax 軟件來進行模型的制造。

（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，使虛擬場景更加真實。通過設計不同的燈光效果，還原真實檢修庫內車下燈光環境或車內環境。

（3）相機：用于捕捉顯示虛擬環境的設備。

（4）音效：在對應的場景下，制作出動車組設備擬真音效、按鈕音效、背景音樂、語音配音，讓操作人員在虛擬世界中感官更加真實、更立體。

2.3.2 HTC VIVE

HTC VIVE 是一款VR 虛擬現實頭盔產品，由頭盔顯示器定位系統、手柄控制器組成，具有像素高、刷新率快、精度高的優點，但同時存在延遲問題導致的操作者眩暈等問題。

3 動車組檢修仿真培訓系統

動車檢修仿真培訓系統采用先進的技術對動車組車下、車內、車頂、車側的檢查進行了全面的仿真，滿足了動車組機械師對實操作業、技術攻關、現場管理等方面的培訓、考核、訓練等要求，適用于動車組各項設備檢查和維修的虛擬仿真培訓。

3.1 動車檢修仿真系統功能介紹

動車組檢修分為5 個修程，此次仿真系統的介紹主要針對動車組一、二級檢修，也統稱為動車組的運用修。針對標準動車組配備1個作業小組，其中4名作業人員分別為①號、②號、③號、④號。針對各個號位的檢修點，制定特定的培訓內容。

動車檢修培訓系統采用先進的仿真支撐技術、仿真建模技術、建立了動車組車下、車頂、車側的精確的數學模型、逼真地模擬了動車檢修過程中各個關鍵配件工況和各種檢查點。

仿真系統在詳細仿真動車組檢修的動態過程同時，要考慮到動車組大型設備的開啟、關停、檢修都需要大量工序，導致的場景交互數據量大的問題。因此，該仿真系統具有自動拓撲分析、動態潮流計算、暫態穩定計算等功能。

動車組檢修模擬系統應實現對相關人員正常操作和設備運行監視的培訓，在系統的教學模式下，首先操作者在虛擬場景中觀看視頻資料，然后以通過手勢發出的射線，進行設備的拆裝，每個拆卸的部件都有對應的文字和語音描述，最后根據語音和虛擬人物以及UI的引導，完成設備的操作。教學的目的是讓操作人員熟悉設備的構成和掌握設備的使用方法。同時在系統的訓練模式下，可以做到多人聯機協同作業，網絡連接采用TCP/IP方式連接。

圖2 HTC VIVE頭顯實物圖

圖3 訓練模式多人協同作業示例圖

仿真系統的教師端提供了多種對系統的控制手段，對于學員操作的監控手段及教學管理手段，學員考核當中，考核評判系統會記錄學員錯誤的操作信息，并進行打分，學員考核完成后，點擊考核完成，此次考核信息會發送到教師端，教師端會收到反饋，教師端可以查看學員的成績及操作錯誤信息。考核整體流程圖見圖4。

從圖4 可以看出，該培訓系統能夠提供智能的培訓評價考核系統，滿足相關專業人員理論和技能考核、比武、新職人員鑒定等要求。仿真系統應運行穩定，功能實用，考慮到地理信息系統的發展和計算機技術的進步，軟硬件產品更新換代快，在系統設計中既要考慮系統的完整性，又要考慮系統的可擴充性[10]。此系統要預留多處接口，以便于以后進行改進、擴充，使該系統不斷完善。

圖4 考核流程圖

3.2 動車組檢修仿真系統數據庫特點

3.2.1 平臺數據資源的空間化

該培訓系統的數據分析、場景交互、UI 效果等多項重要工作，都必須依托于空間化的信息資源支撐。

3.2.2 高可靠性和高穩定性

在實現虛擬場景交互的過程中，系統必須達到很高的可靠性與穩定性，如果沒有穩定可靠的信息資源獲取保證，就有可能使應急處置工作缺少依據而做出錯誤的決策，從而造成人員、財產損失。

3.2.3 安全性

數據信息資源作為系統對虛擬交互的決策依據與載體，必須做到高度的安全可靠。要充分考慮到各方面的因素對平臺數據信息資源的攻擊與破壞，充分利用現有成熟的信息安全技術手段、采用容災備份機制等方法，確保數據資源在受到異常攻擊時的安全穩定。

3.2.4 可快速恢復性

考慮到系統數據庫同樣存在著系統崩潰或數據丟失的可能性，在規劃信息資源管理體系及搭建系統平臺時，必須充分考慮在系統崩潰或數據丟失后的系統重新搭建及恢復功能。

該培訓系統主要采用面向對象數據庫設計技術及海量空間數據讀取技術來實現相關數據的存取。該項目利用SDX 實現海量空間數據的存儲與訪問，通過空間數據索引技術和金字塔技術提高數據的訪問效率。特點為面向對象數據庫設計。

4 結語

基于虛擬現實技術在動車組檢修仿真培訓系統采用先進的軟硬件技術，將真實的場景、設備、操作過程、檢修、考核等內容還原到計算機中。相較于傳統的書本式教學、視頻教學、設備模型、現車實景培訓等，節約了大量的人力、物力、財力，并且能夠保障學員安全。同時，在實操實訓方面具有操作可重復性、設備場景更新快、維護費用低、培訓方式新穎等優點，經濟效益顯著。在社會效益方面，虛擬仿真培訓系統堅持“以學員為本、以現場需要為核心、多維度協調發展”的實踐教學培訓思想，創建多層次、綜合性、研究型的培訓教學體系，培養高素質動車組檢修人才。