三维仿真技术在铁路培训系统中的应用

韩 龙

（呼和浩特铁路局 信息技术所，助理工程师，内蒙古 呼和浩特 010020）

随着我国铁路事业的快速发展，铁路设备的安全更加引人关注，同时，铁路新线大量建设和新职人员不断增加，而且设备结构复杂、维修时间紧迫、现场无法实施演练等因素，对现场工作人员的业务水平以及设备维修能力提出更高的要求。为了实现对设备维护和桥修的标准化作业流程，提高作业人员处理故障的效率，开发一套基于熟悉设备结构、掌握常见故障处理方法、规范作业流程的三维仿真系统具有十分重要的意义。

1 三维仿真技术介绍

三维仿真技术是虚拟现实技术（VirtualReality，简称VR）的一部分，是一种创建和体验虚拟世界的计算机系统〔1〕。它通过对实体进行三维计算和图形处理而构成三维数字模型，编制到计算机中产生逼真的“虚拟环境”，并利用三维引擎将模型进行一定的组织和再现，使用户体验到身临其境的感觉，实现人机交互。三维仿真技术研究已经成为计算机图形学领域的热点之一，并随着计算机仿真技术、动态监测以及三维Web技术的发展，其表现形式更加真实、直观、生动〔2〕。三维技术广泛应用在资源环境模型、地形模拟、CAD辅助设计、影视特技、广告设计等方面。它具有可视化程度高、表现形式灵活多样、动态感和真实感强、资料更新方便等优点，还可以应用于政府辅助决策、防洪减灾、地形勘查与野外作业设计、水电、建筑工程规划设计与选址、环境评估、城市与社区规划设计、房屋装修设计、旅游景点规划、医学、生物、大气及军事等各个领域。随着计算机与图形、图像处理技术的发展，数字产品三维化已经成为当今信息产品的一大趋势〔3〕。

三维仿真技术，通常与图像处理技术、计算机视频、音频技术、光学电子学处理技术一同应用于各种仿真模拟系统的开发当中。三维模型的建立包括设计模型的结构形状、纹理效果、光照效果、相关位置、整体环境效果等〔4〕。应用三维引擎将模型按照实体的真实环境进行可视化模拟再现，也可以通过数据手套、数据头盔以及其他虚拟现实硬件，提供全新的交互方法。

2 三维仿真培训系统设计

根据现场生产实际，结合标准化作业流程，应用三维仿真技术开发铁路培训系统，通过建立设备模型，依据实际作业办法，详细演示设备结构、日常维护方法、常见故障处理等内容，形成一套集学习、练习、考试3种模式的教学培训系统见图1。

图1 系统3种模式登录窗口

2.1 学习模式 该模式以音频、视频、解说等方法对设备工作原理及结构、标准化作业流程、检修方法进行说明，主要让职工了解设备的详细结构，并提供设备的拆装过程，可以对各个部分进行全方位的观察。学习模式以解说的方式引导培训人员按照标准化作业方法，对设备进行日常的维护和检修。如学习色灯信号机检修时登录窗口见图2所示。

图2 色灯信号机检修登录窗口

2.2 练习模式 练习模式为培训人员提供虚拟的操作体验，真正实现人机交互，提高职工实践动手操作能力，按照学习模式的方法对设备进行规范的操作，对每一步操作都会有语音提示，如果操作错误，会及时提示进行更正，帮助职工掌握标准化作业方法。TDCS故障处理模块练习见图3所示。

图3 TDCS故障处理模块练习

2.3 考试模式 考试模式作为检验学习、练习效果和培训质量的考核方法，将标准化作业流程的每一步依据各自的重要性和安全性划分为相应的分数值，职工在没有任何提示的条件下，在规定的时间内完成所有的维护检修项目，系统根据作业人员的操作是否正确给出最后的得分，并记录在职工培训教育考核中。

3 设备模型建立

本系统采用3dsMax对设备进行三维建模、图片渲染以及动画制作。3dsMax是Autodesk公司推出的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，具有性价比高、操作简单、对硬件系统的要求相对较低等特点。该软件提供建模、动画制作等工具，广泛应用于电影电视后期特效、游戏、建筑设计、室内设计、工业设计、多媒体制作与辅助教学等领域。

3.1 建模步骤 采用3dsMax建立模型的过程基本按照以下4个步骤进行：

1）基础数据获取。由于本系统基于现场生产实际，模型主要为现场设备，操作流程为标准化作业方法，因此在前期准备工作中，需要对设备进行全方位的图片采集，尽可能多的获取设备的几何参数以及特征。并依据标准化作业流程录制教学视频，为系统开发者提供制作依据。

2）设备结构分析。设备结构分析是建立模型前非常重要的一个环节，它将决定整个系统的运行效率，避免后期进行交互设计时的重复修改。首先对设备的结构进行认真的分析和合理的分解，确定三维建模时采用的层次结构。其次要根据各模块的脚本，了解设备的动作原理，确定模型的动画制作方法。实体照片与设备模型如图4所示。

图4 实体照片与模型对照

3）模型建立。在获取了基础数据并分析设备结构后，通过3dsMax软件建立设备模型，在建模过程中要按照模块脚本需要，对有动画、需要拆分的模型要单独制作。对模型进行UV贴图，并根据需要设置光源进行烘焙，并制作动画。矮型信号机设备的模型贴图前后如图5所示。

图5 矮型信号机设备模型

4）模型优化。模型优化是对模型进行后期处理，它关系到整个系统的大小、运行速率以及对操作系统的环境要求。由于三维引擎在组织模型时要计算模型的个数以及三角面数，因此模型优化通常是对模型进行合理的合并以及删除多余面和不可见的面，使模型的个数与面数尽量的少。

3.2 建模原则与技巧 三维模型的质量对于虚拟仿真系统是十分重要的，采用良好的建模规范以及原则技巧，都将为系统的可靠运行提供有力的保障。对模型命名、贴图文件等都要规范操作，并按照实体分类对模型分层次管理〔5〕。

1）在三维建模中，原则上模型的个数和面数越少越好，这样有利于提高系统的运行速率。因此在保证模型的可视化效果下，尽量减少模型的个数和面数。建模采用简模的方法，在满足光滑柔和的效果条件下尽量分段数要小，也可使用曲面工具和改进的NURBS技术制作复杂模型。多个模型以及一类模型尽量选用同一张贴图，以便模型的塌陷和合并，以达到减少模型个数的目的。

2）在制作贴图文件时，要尽量压缩纹理，并采用tga的格式，贴图文件的像素大小应为2的N次幂，有利于模型的最优化显示和缩短渲染贴图的时间，同时这样保证实时渲染时跳帧率较低和图像的连续性最高。

3）对显示效果要求高的场景，可以通过建立复杂的模型，加入光照等特效后再渲染出效果图，用其作为仿真模型的贴图，制作天空盒，可以取得很好的视觉效果，信号机所在的场景中天空、山、树木和围栏是利用贴图文件建立的。如图6所示。

图6 信号机场景

4 结束语

本系统已经应用于呼和浩特局的职工培训当中，为铁路职工培训提供了新方法，缓解大量新职人员入路培训的压力，缩短了培训周期，降低了培训成本，提高了培训效率。系统中逼真的虚拟环境让培训人员犹如身临现场，对设备结构及原理有了更全面的认识，并通过设备常见故障案例库的学习，提高现场应急处理的能力和专业技能及业务水平。本系统可以方便的加入新增设备模块，增加培训内容。并可以扩展功能，利用数据手套等交互工具对三维模型进行体感操作，提高系统的实用性。

〔1〕余莉，王乘.基于虚拟现实技术的数字校园三维仿真系统〔J〕.计算机仿真，2004，21（4）:98-101.

〔2〕刘渭洁.建立实用型三维地理信息系统〔J〕.中国图形图像学报，1999，4（A）（1）:72-75.

〔3〕孙敏，陈军.三维城市模型的数据获取方法评述〔J〕.测绘通报，2000，（11）:4-6.

〔4〕余明，过静珺.三维仿真虚拟现实技术在城市规划中的应用〔J〕.测绘科学，2004，29（3）:52-54.

〔5〕赵玲.基于3DMAX的模型优化的而研究〔J〕.科学技术与工程，2010，26（10）:66-68.