基于VR技術(shù)的鐵路調(diào)車作業(yè)安全仿真系統(tǒng)研究

張曉冬

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 運輸部，上海 200071)

目前鐵路運輸生產(chǎn)中，基層站段的調(diào)車實訓(xùn)完全依賴傳統(tǒng)的理論授課方式進(jìn)行培訓(xùn)，缺少實景化、實物化培訓(xùn)條件，培訓(xùn)方法較為簡單，亟需構(gòu)建現(xiàn)代化鐵路調(diào)車作業(yè)安全仿真系統(tǒng)，以解決職工培訓(xùn)難度大、效果不理想等問題，最大程度提升調(diào)車作業(yè)人員的實作能力，使培訓(xùn)形式與時俱進(jìn)，達(dá)到職工真培、真學(xué)、真練、真用的目的。

1 鐵路調(diào)車實訓(xùn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

鐵路調(diào)車作業(yè)是指在鐵路生產(chǎn)運輸過程中，除列車的到達(dá)、出發(fā)以及區(qū)間運行外一系列有目的的移動作業(yè)，包括對車列進(jìn)行的解體、摘掛、轉(zhuǎn)場、編組、調(diào)移、取送等，調(diào)車作業(yè)流程如圖1所示。鐵路調(diào)車作業(yè)是一項技術(shù)性、實操性很強的工作，并具有一定的危險性，主要體現(xiàn)在3個方面：①時間方面，調(diào)車作業(yè)涉及夜間作業(yè)，作業(yè)人員可能會由于夜間視線不良或者精力不集中，增加安全風(fēng)險；②環(huán)境方面，調(diào)車作業(yè)受天氣因素影響較大，同時調(diào)車作業(yè)區(qū)域地形較差，易產(chǎn)生安全隱患；③設(shè)備方面，調(diào)車作業(yè)設(shè)備的老化對調(diào)車作業(yè)的安全帶來隱患，更換不及時易導(dǎo)致安全風(fēng)險增加。調(diào)車作業(yè)實訓(xùn)需要組織空閑站場、機(jī)車、車輛等，并需要大量人員進(jìn)行演練，且易受到繁忙運輸、惡劣天氣、場景制約等不利條件的影響，并存在人身安全、作業(yè)安全的隱患；同時，由于實訓(xùn)場景的差異，裁判員難以對調(diào)車實訓(xùn)人員進(jìn)行公平公正的考核評價，對所有操作也很難做到客觀準(zhǔn)確的分析。

圖1 調(diào)車作業(yè)流程圖Fig.1 Shunting operation flowchart

目前，虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)仿真實訓(xùn)技術(shù)具有一定前景，處于快速發(fā)展階段。仿真實訓(xùn)設(shè)備可再現(xiàn)真實鐵路調(diào)車作業(yè)過程，且具有投資少、易于操作、場景一致的特點，已成為當(dāng)前鐵路各崗位實訓(xùn)發(fā)展的趨勢。李培鎖[1]總結(jié)高速鐵路動車組應(yīng)急處置過程存在的問題，并利用VR技術(shù)研究應(yīng)急處置仿真培訓(xùn)方法。湯傳文[2]依托VR技術(shù)實施體驗式教學(xué)，將虛擬技術(shù)與課堂巧妙融合。沈海濱[3]等探討民航危險品運輸?shù)亩喾N事故應(yīng)急場景，設(shè)計開發(fā)了虛擬仿真系統(tǒng)，具有較高的實際應(yīng)用價值。武帥[4]等研究調(diào)車作業(yè)計劃在執(zhí)行過程中的問題，設(shè)計一種仿真平臺實現(xiàn)調(diào)車作業(yè)實時數(shù)據(jù)的可視化，有效消除存在的安全隱患。曲思源[5-6]等提出調(diào)車安全管控目前存在的問題和不足。王勇[7]分析調(diào)車作業(yè)安全事故的類型及相關(guān)采取的措施。中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司也提出VR應(yīng)用于調(diào)車培訓(xùn)的思路。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前國內(nèi)調(diào)車作業(yè)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用較遲緩，特別是符合鐵路現(xiàn)場調(diào)車作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的虛擬現(xiàn)實仿真實訓(xùn)系統(tǒng)仍是空白。

綜上所述，針對鐵路調(diào)車作業(yè)安全仿真系統(tǒng)，采用VR虛擬技術(shù)建模，創(chuàng)建高仿真調(diào)車站場環(huán)境，模擬調(diào)車作業(yè)全過程，設(shè)計調(diào)車人員相關(guān)作業(yè)實訓(xùn)，并實現(xiàn)對實訓(xùn)結(jié)果的記錄、分析和評價。

2 系統(tǒng)設(shè)計

鐵路調(diào)車作業(yè)安全仿真系統(tǒng)采用Unity3D引擎，基于3D技術(shù)建模[8]及搭建場景，通過結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計，接入HTC VIVE設(shè)備、KAT Walk VR跑步機(jī)等智能操作終端，并利用語音合成技術(shù)(Text To Speech，TTS)實現(xiàn)聲音動態(tài)提示功能。系統(tǒng)采用多種接口集成，將選取的數(shù)據(jù)庫、軟件開發(fā)平臺和第三方軟件都進(jìn)行完整集成測試，其中智能識別部分和接口處理部分采用SOA架構(gòu)，以便于擴(kuò)展和易維護(hù)。實訓(xùn)人員可基于視覺、聽覺、觸覺多重感官模擬調(diào)車作業(yè)，能較大提升其作業(yè)技能，強化其安全作業(yè)意識。

2.1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）計算機(jī)三維仿真技術(shù)。采用計算機(jī)三維仿真技術(shù)，搭建調(diào)車作業(yè)場景，并對調(diào)車作業(yè)流程、系統(tǒng)設(shè)備、業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行仿真，能夠節(jié)約實訓(xùn)人力成本、設(shè)備成本，提高培訓(xùn)質(zhì)量和效率。

（2）VR技術(shù)。使用HTC VIVE設(shè)備及KAT Walk VR跑步機(jī)等VR設(shè)備，能夠提高用戶沉浸感，讓學(xué)員在使用過程中感覺更加真實，操作更加接近實際現(xiàn)場作業(yè)，能夠極大提高培訓(xùn)效率和學(xué)習(xí)效果[9]。

（3）工作流(調(diào)車作業(yè)任務(wù))驅(qū)動技術(shù)。工作流技術(shù)是工作流程的計算模型，是將工作流程的邏輯和規(guī)則在計算機(jī)中以恰當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行表示，并對其實施計算。鐵路調(diào)車作業(yè)過程環(huán)環(huán)相扣，需要采用工作流技術(shù)來實現(xiàn)調(diào)車作業(yè)流程。

（4）TTS技術(shù)。鐵路調(diào)車作業(yè)過程中需要進(jìn)行多工種之間的語音聯(lián)控，通過TTS技術(shù)，將文本信息轉(zhuǎn)換并合成為聲音信息流，利用聲音設(shè)備進(jìn)行朗讀。操作人員使用麥克風(fēng)呼叫聯(lián)控用語，計算機(jī)系統(tǒng)能夠根據(jù)語音自動識別，并判斷該聯(lián)控用語的準(zhǔn)確性。

（5）UNet同步技術(shù)。UNet同步技術(shù)是Unity3D引擎目前最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)，系統(tǒng)將調(diào)車作業(yè)過程中調(diào)車作業(yè)人員對機(jī)車、車輛的設(shè)備操作，通過VR技術(shù)模擬仿真出來，動作形象逼真，貼近調(diào)車作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。各客戶端通過UNet進(jìn)行場景的同步顯示，實現(xiàn)場景下所有設(shè)備及人物的動態(tài)變化?？蛻舳送ㄟ^對自身人物的操作，完成調(diào)車作業(yè)每一個環(huán)節(jié)，并在屏幕上呈現(xiàn)出來標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)動作，其他客戶端也能夠同步顯示對應(yīng)崗位的作業(yè)過程。

2.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

基于VR技術(shù)的鐵路調(diào)車作業(yè)安全仿真系統(tǒng)，創(chuàng)建車站調(diào)車作業(yè)場景，將調(diào)車作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范生成調(diào)車作業(yè)任務(wù)，系統(tǒng)依據(jù)調(diào)車實訓(xùn)人員完成任務(wù)情況進(jìn)行實訓(xùn)及考評，系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.2 System functional architecture

系統(tǒng)主要有場控管理系統(tǒng)、仿真實訓(xùn)、考評管理3大功能。

（1）場控管理系統(tǒng)?？娠@示調(diào)車作業(yè)的站場圖，以紅光帶形式實時更新車輛位置，能夠為學(xué)員客戶端自由定制調(diào)車作業(yè)計劃、創(chuàng)建車組、設(shè)定車輛及站場設(shè)備狀態(tài)、天氣情況、設(shè)置貨物侵限、機(jī)動車搶越線路等非正常情況，系統(tǒng)通過設(shè)置靈活多變的調(diào)車作業(yè)場景，豐富學(xué)員調(diào)車作業(yè)的實訓(xùn)內(nèi)容，提高學(xué)員調(diào)車作業(yè)過程中非正常情況的處置能力。

（2）仿真實訓(xùn)。通過三維建模、VR技術(shù)仿真調(diào)車作業(yè)場景，模擬調(diào)車作業(yè)流程，實現(xiàn)人物移動、交互、視角切換等仿真操作，復(fù)現(xiàn)調(diào)車作業(yè)現(xiàn)場的調(diào)車信令、崗位聯(lián)控、車輛設(shè)備操作等作業(yè)內(nèi)容，完成學(xué)員操作成績的分析、評判。

（3）考評管理。考評系統(tǒng)能夠依據(jù)學(xué)員的操作步驟自動進(jìn)行考評，當(dāng)接收到學(xué)員所有的答題后，可與標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行校核，統(tǒng)計出當(dāng)前學(xué)員的得分情況，為教員提供學(xué)員的考試信息，學(xué)員考試結(jié)束后，能夠從考評系統(tǒng)中查找到自己的錯誤操作項點。

2.3 系統(tǒng)界面及操作終端

2.3.1 系統(tǒng)界面

（1）系統(tǒng)主界面。系統(tǒng)有2種模式，即實訓(xùn)模式和考核模式。實訓(xùn)模式需要對試題進(jìn)行選擇，也可以通過場控管理系統(tǒng)生成調(diào)車作業(yè)任務(wù)進(jìn)行自由練習(xí)，考核模式需要登錄自身賬號和密碼，由教師機(jī)下發(fā)試題。系統(tǒng)主界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主界面Fig.3 System main interface

（2）系統(tǒng)功能界面。系統(tǒng)主要功能界面由主功能菜單視圖、電臺用語視圖、電臺信令視圖、調(diào)車作業(yè)計劃和提示信息視圖構(gòu)成。主功能菜單視圖，可實現(xiàn)用戶操作的主要交互功能，左手柄集成聯(lián)控、角色移動、檢查線路等常用功能按鍵，通過右手柄射線點擊操作；右手柄觸控板集成了電臺信令、語音聯(lián)控等常用功能電鈕，點擊觸控板相應(yīng)位置即可實現(xiàn)操作。電臺用語視圖是把調(diào)車作業(yè)中用到的語句按照不同的作業(yè)環(huán)節(jié)分類，點擊相應(yīng)的作業(yè)環(huán)節(jié)后彈出對應(yīng)的語句，選取相應(yīng)的語句進(jìn)行對話。電臺信令視圖，模擬顯示了電臺的按鈕顯示，包括紅鍵、綠鍵、黃鍵，點擊相應(yīng)的按鈕發(fā)出電臺信令。調(diào)車作業(yè)計劃視圖，通過點擊左手柄作業(yè)計劃按鈕，彈出調(diào)車作業(yè)通知單，查看本次調(diào)車作業(yè)計劃內(nèi)容。提示信息視圖，可在實訓(xùn)模式下點擊左手柄任務(wù)按鈕，會顯示任務(wù)提示框，在提示框中會提示將要進(jìn)行的調(diào)車作業(yè)環(huán)節(jié)。

2.3.2 操作終端

系統(tǒng)操作模式為VR模式，以穿戴HTC VIVE Pro眼鏡和手持VR手柄操作設(shè)備進(jìn)行交互，完成調(diào)車作業(yè)任務(wù)。HTC VIVE Pro設(shè)備有2個VR手柄，右手柄主要用來對系統(tǒng)功能界面的操控，左手柄主要用來操作人物走行和主菜單按鈕顯示。實訓(xùn)人員通過按壓VR手柄扳機(jī)，用射線進(jìn)行選取后，右手柄觸控板出現(xiàn)相應(yīng)設(shè)備的操作按鍵，即可完成實訓(xùn)操控折角塞門、道岔、車鉤、制動軟管、車梯等車輛設(shè)備，實訓(xùn)人員使用手柄觸摸相應(yīng)設(shè)備，設(shè)備被觸摸后，設(shè)備會高亮顯示，然后就可以模擬設(shè)備操作動作進(jìn)行操作，增加現(xiàn)場作業(yè)的沉浸感。操作上下車如圖4所示，操作折角塞門如圖5所示，操作道岔如圖6所示。

圖4 操作上下車Fig.4 Operate the boarding and alighting

圖5 操作折角塞門Fig.5 Operate the angle cock

圖6 操作道岔Fig.6 Operate the switch

2.4 系統(tǒng)模塊

鐵路調(diào)車安全實作仿真系統(tǒng)主要包括站場圖模塊、協(xié)議模塊、預(yù)設(shè)方案模塊和實訓(xùn)考評模塊。

（1）站場圖模塊。管理員通過客戶端操作后，站場信息會與調(diào)車實訓(xùn)系統(tǒng)客戶端進(jìn)行同步更新，可以點擊信號機(jī)、道岔，進(jìn)行站場設(shè)備的操作，修改其設(shè)備狀態(tài)。

（2）協(xié)議模塊。協(xié)議模塊由調(diào)車作業(yè)計劃、車組創(chuàng)建、車輛設(shè)備操作、車輛附屬設(shè)備操作、人物控制、站場操作、天氣變化、故障設(shè)置等模塊功能組成，管理員通過填選相關(guān)信息后，點擊發(fā)送按鈕，即可將操作協(xié)議發(fā)送到選擇的客戶端。調(diào)車作業(yè)計劃如圖7所示，車組創(chuàng)建如圖8所示。

圖7 調(diào)車作業(yè)計劃Fig.7 Shunting operation plan

圖8 車組創(chuàng)建Fig.8 Crew creation

（3）預(yù)設(shè)方案模塊。管理員通過協(xié)議模塊發(fā)送的協(xié)議，都被系統(tǒng)記錄并在該窗口顯示。選定方案中的所有協(xié)議會自動發(fā)送到客戶端，實現(xiàn)了一鍵設(shè)置自定義調(diào)車作業(yè)實訓(xùn)場景的功能，預(yù)設(shè)方案模塊如圖9所示。

圖9 預(yù)設(shè)方案模塊Fig.9 Preset scheme module

（4）實訓(xùn)考評模塊。實訓(xùn)考評模塊由學(xué)員管理、分組管理、試題管理、考試管理、成績統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析6部分組成。學(xué)員管理，能夠自動導(dǎo)入或手動輸入新增學(xué)員并在分組管理中添加該新增學(xué)員；分組管理，可將學(xué)員以編組形式進(jìn)行管理，支持創(chuàng)建、修改、刪除編組、查看編組成員等操作；試題管理，涵蓋多種不同類型的鐵路調(diào)車作業(yè)試題；考試管理，能夠使用試題管理中的試題，安排多場培訓(xùn)或者考試，考試可以同時進(jìn)行，也可以單獨進(jìn)行，考試過程中還能實時觀察學(xué)員的試卷和試題得分詳情；成績統(tǒng)計，可以瀏覽各次考試每個學(xué)員的考試成績；統(tǒng)計分析，可查看學(xué)員成績，便于教員綜合分析。

3 系統(tǒng)應(yīng)用評價

基于VR技術(shù)的鐵路調(diào)車作業(yè)安全仿真系統(tǒng)，由鐵路調(diào)車作業(yè)安全仿真系統(tǒng)和考評管理系統(tǒng)組成，完整展現(xiàn)整個調(diào)車作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化流程，實現(xiàn)學(xué)員對調(diào)車作業(yè)的模擬實訓(xùn)及考核。

3.1 應(yīng)用特性

（1）實用性。基于VR技術(shù)的鐵路調(diào)車作業(yè)安全仿真系統(tǒng)，利用虛擬技術(shù)建模，創(chuàng)建高仿真調(diào)車站場環(huán)境，模擬調(diào)車作業(yè)全過程，對調(diào)車人員進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)實訓(xùn)，并對實訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行記錄、分析和評價，能夠有效降低培訓(xùn)各類資源的投入，提高培訓(xùn)效率和培訓(xùn)管理水平[10]。

（2）先進(jìn)性。系統(tǒng)采用U3D引擎，搭建和現(xiàn)場高度相似的虛擬現(xiàn)實，所設(shè)置的人物可以在其中進(jìn)行協(xié)同聯(lián)合操作，對操作的過程和結(jié)果有直觀的展現(xiàn)，采用TTS實現(xiàn)了聲音動態(tài)提示功能。

（3）安全性。系統(tǒng)不受天氣、場地、車輛和人員等因素的限制，能夠在確保人身和行車安全的環(huán)境下模擬各種調(diào)車作業(yè)場景。同時，加入嚴(yán)格的身份認(rèn)證，保證使用人員賬戶的安全，接口數(shù)據(jù)和關(guān)鍵配置參數(shù)都采用了加密處理，可防止信息泄漏。

（4）便捷性。采用C/S架構(gòu)，使用配置非常方便，PC端只要安裝常規(guī)的系統(tǒng)軟件和基于VR技術(shù)的鐵路調(diào)車作業(yè)安全仿真系統(tǒng)的各子系統(tǒng)軟件即可正常使用，無需額外安裝任何插件及非常用的第三方軟件系統(tǒng)。

（5）可擴(kuò)充性。系統(tǒng)智能識別部分和接口處理部分采用SOA架構(gòu)便于擴(kuò)展和維護(hù)，系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計，可根據(jù)需要修改某個模塊來增加新的功能。

3.2 效益評價

基于VR技術(shù)的鐵路調(diào)車作業(yè)安全仿真系統(tǒng)，將各種調(diào)車作業(yè)場景集成于計算機(jī)軟件上，采用VR技術(shù)，以3D模式呈現(xiàn)整個鐵路車站站場，高度還原現(xiàn)場作業(yè)場景，采用工作流技術(shù)將鐵路調(diào)車作業(yè)以試題模塊的形式來呈現(xiàn)。系統(tǒng)以調(diào)車長、1號連結(jié)員、2號連結(jié)員作為考核對象，其他相關(guān)崗位均由系統(tǒng)擔(dān)任并自動配合，調(diào)車作業(yè)均在模擬場景進(jìn)行，利用TTS技術(shù)實現(xiàn)各崗位之間的聯(lián)控，可規(guī)避傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的弊端，將學(xué)員的實訓(xùn)考核由目前的書面考核形式變更為真正意義上的模擬實作，為鐵路調(diào)車培訓(xùn)帶來全新的培訓(xùn)理念，其在效益方面的優(yōu)化情況具體如下。

（1）節(jié)省設(shè)備設(shè)施投入。以往的調(diào)車實訓(xùn)，需要實體的站場線路、機(jī)車、車輛等設(shè)備設(shè)施以及司機(jī)、信號樓行車人員等多工種的配合，通過該系統(tǒng)進(jìn)行實訓(xùn)可有效節(jié)省以上投入。

（2）節(jié)約職工培訓(xùn)成本。按照中國國家鐵路集團(tuán)有限公司要求，鐵路對調(diào)車人員需進(jìn)行常態(tài)化實訓(xùn)，每年需產(chǎn)生大量的培訓(xùn)費用，使用該實作仿真系統(tǒng)后，能夠有效減少傳統(tǒng)培訓(xùn)消耗的成本。

（3）提升培訓(xùn)效率。鐵路調(diào)車作業(yè)安全仿真系統(tǒng)投入后，在設(shè)定相關(guān)的培訓(xùn)場景后，可通過系統(tǒng)完成指定的培訓(xùn)實作項目，實現(xiàn)快速行走等功能，極大壓縮培訓(xùn)的時間，節(jié)省非重點作業(yè)流程時間，有效提升培訓(xùn)效率。

（4）有效鞏固業(yè)務(wù)能力。通過系統(tǒng)綜合考評，分析記錄學(xué)員在實訓(xùn)過程中的問題，可進(jìn)一步考察學(xué)員對相關(guān)知識點的掌握情況，進(jìn)而鞏固和提高相關(guān)業(yè)務(wù)技能，提升安全意識。

4 結(jié)束語

基于VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)的鐵路調(diào)車安全實作仿真系統(tǒng)采用虛擬技術(shù)建模，創(chuàng)建高仿真調(diào)車站場環(huán)境，模擬調(diào)車作業(yè)全過程，對調(diào)車人員進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、突發(fā)應(yīng)急處置等方面的作業(yè)實訓(xùn)，并對實訓(xùn)結(jié)果進(jìn)行記錄、分析和評價，有效解決調(diào)車作業(yè)培訓(xùn)場地、環(huán)境、人員調(diào)配、安全隱患等問題。系統(tǒng)集實用性、先進(jìn)性、安全性、便捷性、可擴(kuò)充性于一體，極大降低設(shè)備設(shè)施投入及培訓(xùn)成本，有效提高培訓(xùn)效率、提升培訓(xùn)管理水平。隨著VR技術(shù)的成熟應(yīng)用，未來在鐵路調(diào)車領(lǐng)域可繼續(xù)深入研究能夠?qū)崿F(xiàn)班組多人同時在線操作的模式。