道岔转辙设备的三维仿真及自动化学习培训系统

张 滔 李海玉 张坤通 梅 萌

道岔转辙设备作为信号系统的安全关键设备，在城市轨道交通领域的应用正在迅猛增长。目前，针对各种型号转辙机的故障分析和维修培训，尚未形成完善的维修指引。为此，在三维仿真、多媒体与虚拟现实技术的背景下，提出了一种全新的数字化培训系统。该系统主体结构是基于Internet的远程教学系统，包括理论和实践教学2个主要模块。理论教学以网络教学课件形式存在；实践教学由于涉及拆装、维修等实际操作，主要采用虚拟现实技术，使用者在虚拟世界可以真切体会转辙机的结构分解和维修操作的感觉。

1 系统硬件和软件结构

培训系统的硬件架构是由服务器、网关、路由器、和远程客户端等组成；软件架构包括学习、训练、能力评估和辅助维修等模块。

2 理论知识学习和拆装训练

学习模块具有对设备机械结构、工作原理 （机械和电气）、操作流程、检修作业规程、常见故障及排除指引等仿真学习功能。主要以知识讲解为主，借助Flash、3DMAX软件制作演示型动画，以图文并茂形式将设备的机械结构、电气原理等生动地展示出来，使得知识体系完整、统一，可在比较短的时间里让学员获得透彻、深刻的理解。

训练模块具有对设备拆装，维修规程及工艺流程，故障演练模式等情景下的仿真训练功能。主要以拆装、操作、试验为主，以3D模型为基础，借助虚拟实现技术，力求达到现场实际操作设备的感觉，获得动手实践的效果。

3 开发能力评估

能力评估模块是在全仿真环境下对员工的日常检修技能、故障处理技能、等级晋升技能等进行的智能化评估，并自动生成各种评估档案，包括学员管理、试题库、计分系统等。其中试题部分既包含一些静态知识，也包括训练过的拆装和故障判断，以及维护流程的虚拟操作等。该模块还包括设计基于B／S结构的网络化考试管理系统，可进行多用户在线考试、自动计分、查询等，既能实现整个系统的培训，也能针对某个项目单独培训。由于软件的考试数据有大量的三维操作信息，与常规考试系统不同，将采用多层级访问控制和多线程技术，实现后台服务器与前台浏览器页面之间的大数据流动式考试系统。

4 辅助维修

辅助维修模块是基于故障案例和故障处理指南数据库建立的。通过用户提供故障特征输入，系统将自动搜索匹配可能的故障原因，输出维修指导或建议，并自动给出维修建议及在虚拟场景中显示故障处理流程。通过建立的维修维护专家库系统，将常用的故障现象和可能的原因及对应的维修步骤，归纳成规则数据表 （此规则表可在使用过程中动态增删）。当发生故障需要维修时，只要用户提供一定的故障现象 （需要用户按规范格式表述出故障特征），系统将自动搜索出匹配的若干维修规则，用户可结合其他特征自行选择合适的条款，由系统给出三维场景的维修流程，指导现场人员按步骤完成维修操作。该模块包含演练模式，即计算机自动进行三维动画形式的虚拟维修仿真，使得未在现场的操作人员也可以按照演练步骤指导具体维修操作。

5 基于虚拟现实技术的建模和仿真

三维仿真培训系统的整体框架是基于win－Form框架实现。主要技术由3个模块组成：Unity3D渲染模块、XML数据驱动模块和依赖于SQL Server数据库管理技术的考试／维护模块。如前所述，Unity3D渲染模块主要用于对三维模型进行渲染；而XML数据驱动模块则是把三维模型的运动状态，文字提示信息等XML文本在需要仿真时进行翻译与解释，并反馈到Unity3D渲染引擎中，使三维模型能够按需求进行运动。

其中，对于转辙机机械结构的培训，采用C／S架构。首先使用Solidworks三维设计与建模软件，对设备进行几何建模；当几何建模完成后，再通过3DMAX软件对其各个部件进行主从关系、约束关系定义，即在3DMAX软件内进行物理建模，如图1所示。这是转辙机设备能够在虚拟环境中真正动起来的关键。系统在建立虚拟现实模型和动画制作之后，采用Unity3D＋Visual C＃实现。其中，Unity3D为实时渲染引擎，负责将已经数字化的虚拟三维模型进行实时绘画与渲染，实现三维虚拟场景与虚拟转辙机的三维显示，如图2所示，而Visual C＃则负责对三维虚拟模型进行数据驱动，以便让三维虚拟模型能够按要求进行动作。此外，用户的登录数据、管理数据、考试成绩等的管理均靠Visual C＃来完成。

图2 Unity3D环境内的动作数据分割

三维仿真培训系统的主界面如图3所示。系统的顶端是登录用户的信息；左侧为拆装课程的详细信息，用户可在这里选择相应的课程、查看操作要点；右侧是三维虚拟场景，对整个拆装过程进行模拟。

图3 三维仿真培训系统的主界面

6 总结

系统综合了其他培训系统的优点，将网络教学与虚拟现实技术引入转辙机的仿真教学培训系统中。通过对道岔转辙机的机械结构和电气特性建立完整、精细的三维模型，从原理、操作、维护等方面构建培训体系，实现知识的一体化、动态化和具有真实感的表达方式。

目前该系统在广州地铁转辙机学习培训过程中运行良好，后期将不断优化和升级。该系统为广州地下铁道总公司节省了大量的培训师，使培训学习不受时间限制。同时提高了道岔转辙机培训学习效率，节省了大量的财力和物力，得到了广州地下铁道总公司领导和学员的一致好评。

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