基于虚拟现实技术铁路接触网维修仿真实训系统设计与实现

成 腾，赵 博，赵会军，胡召华，殷 明

（中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道技术研修学院， 北京 100081）

随着铁路高新技术的进一步发展及铁路运营里程的持续增长，铁路对高水平的管理及专业技术人才需求日趋显著，对人才培养的手段和方式也不断提出新的要求，仿真实训逐渐成为人才培养方式的新趋势[1]。从全路主要培训基地来看，高铁的实训已在驾驶、动车组机械师、高铁调度等专业建立了仿真实训系统，但在系统故障维修、应急演练、经营管理等方面，仍然没有成熟的仿真系统。传统实训目前存在以下几个方面的问题：培训数字化表现形式单一；培训软件缺乏，交叉开发，低层次重复；硬件设备缺乏；网络远程教育还未开展起来；铁路教育培训软件缺乏标准规范。因此，传统的培训方式已无法满足目前的实训需求，亟需一种新的实训模式[2]。

虚拟现实技术（VR，Virtual Reality），使用者借助特殊的交互设备，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物，并可获得与真实世界相同的感受，如同身临其境一般[3]。虚拟现实技术集计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术于一体，通过计算机创建一种虚拟环境（Virtual Environment），使用户产生身临其境的感觉，并可实现用户与该环境的直接交互[4]。

在传统的接触网维修培训中，大多以现场实操形式为主，接触网故障重现困难，随机性高，学员操作危险性高。随着虚拟现实技术及其应用的发展,本文使用虚拟现实技术设计并实现了接触网维修仿真实训系统，该系统可将接触网维修环境以三维立体的方式呈现在学员的眼前，学员在维修过程中无需爬到高空，便可完成对接触网工区中设备的维修；对于突发事故以及不常见但具有严重后果的事故，该系统能够不断再现，供学员反复自主训练，具有可控性、安全性和经济性[5-8]。

1 基于虚拟现实技术接触网维修实训系统架构设计

根据项目实际需求，文中维修仿真内容包含：接触网腕臂组装、接触网验电接地、电缆试验、接触网断线接续、接触网抢修支柱5个模块，其中，接触网腕臂组装、接触网验电接地、电缆试验为维修部分，接触网断线接续、接触网抢修支柱为抢修部分。根据以上需求，系统总体架构,如图1所示。

图1 基于虚拟现实技术铁路接触网维修实训系统总体架构

1.1 前端显示层

虚拟现实场景的呈现是由相应的硬件设备与图形处理软件结合实现虚拟场景的运算，在本文的总体架构中，前端显示层为系统使用者提供虚拟现实成像服务，并且使用者能够通过无线手柄等外部设备与虚拟现实系统进行交互，是实现立体感与沉浸感的重要部分。

1.2 业务应用层

本文系统业务应用层是业务的核心模块，逻辑上功能模块划分为后台管理、教师端和学员端。后台管理运行于服务器上，为教师端和学员端提供服务，教师端和学员端从后台管理获得计算和资源服务。

（1）后台管理运行在服务器上，为教师端和学员端使用用户提供计算、存储及带宽服务，如教师端及学员端请求的响应，零部件资源、维修工具、课件资源、场景资源的存储，维修资源派发时流量的输出，均由后台管理程序完成，包括部件管理、维修工具管理、课件资源管理、场景管理、在线学习、在线练习、在线考试、在线监控、学习监控、练习监控、考试监控、组织机构管理、用户管理、角色管理、权限管理、日志管理等功能，是实现系统具体功能设计的接口实现。

（2）教师端程序运行在教师机上，通过操作，负责对服务端上的资源进行管理维护，教师端可配置及发布教学资源、实训资源及考试资源，并对学生在线情况、学习情况、练习情况、考试情况进行监控。

（3）学员端程序运行在学员机上，学员用户登录后，选取教师已配置好的学习、练习或考试任务，即可在该端进行接触网在线维修学习、练习及考试。根据业务需求，学员端主要由资源管理、教学管理、练习管理、考试管理、过程监控、系统管理及数据接口组成。

其中，资源管理功能对接触网维修过程中的各类维修资源进行管理，教学管理为学员提供接触网维修培训功能，练习管理为学员提供接触网维修实训练习功能，考试管理为学员提供接触网维修考试功能，过程监控可对考生使用系统的所有流程操作进行监控，系统管理实现系统的用户、权限、角色、日志管理，数据接口实现与外部系统的数据交互及联动。

1.3 应用支撑层

应用支撑层将分散的应用及信息资源进行整合，并为系统提供一个信息的集成环境，数据共享实现不同区域的用户对系统数据进行读取分析，元数据管理对系统中的元数据进行收集、组织与维持，日志记录对系统的操作实际进行记录。此外，还包括身份认证、安全审计、报表引擎、规则引擎和流程引擎等组件。

1.4 基础资源层

基础资源层是系统实现的基础，包括图形处理器（GPU）主机提供显示设备中的图象渲染能力，空间定位器帮助系统对使用者进行定位追踪，系统应用服务器提供后端的应用服务，存储阵列保存系统中的各项资源，防火墙负责安全监控等。

1.5 运行保障体系

运行保障体系包括：（1）采用加密技术（对重要敏感信息进行加密，如登录）、账户重复登录控制、页面加强安全控制等技术措施；（2）安装硬件防火墙，使用防火墙或其他安全设备对数据包进行过滤，启用访问控制策略对重要服务器进行访问控制，有效隔离内部网络和Web服务器；（3）采用高可靠性容错处理以及双机热备策略，出现故障及时恢复，对系统数据进行有效备份。

2 接触网维修实训系统功能设计

系统的功能设计围绕学员训练、学员考试与教学的需求进行设计，包括教师教学、学员学习、考试模式。其中，教师教学部分主要实现的是教学、练习与考试3方面的任务发布与配置。相对应地，学员学习主要分为教学、练习与考试3种模式。后台管理主要包括管理员对学员信息、学习课程、考试信息的综合管理，以及学员对个人信息的维护与查询等功能。

2.1 教师教学任务配置及发布

教师为让学员掌握接触网维修知识点，可根据教学维修计划及学员学习需要，在既有的课件资源中，选取并组合课件（课件类型可包括视频、ppt、word文档等），配置形成学习任务，定向发布到特定学员，学员即能在登录系统后进行教学任务学习。

2.2 教师教学任务配置及发布

教师配置完学习任务并发布到学员后，为使学员进一步掌握接触网维修方法，可配置接触网维修练习任务。练习任务是已经制作好的带有操作提示的实训场景及操作流程，学员可在场景中自由操作练习，练习的时间和次数不受约束。教师配置完成后发布到特定学员，学员登录系统后便可进行实训练习。

2.3 教师考试任务配置及发布

为对学员的学习及练习效果进行检验，考察是否掌握接触网的维修技能，教师可根据培训需要，配置考试任务。考试任务是已经制作好的不带操作提示的实训场景及操作流程，学员可根据自身掌握维修知识情况在场景中自由操作，操作结果将被记录在系统中，作为考试评分依据，考试的时间和次数由教师自行设置。教师完成考试任务配置后发布到特定学员，学员登录系统后便可进行考试。

2.4 学员教学模式

教学模式下，学员根据自身学习需要，在学习列表中选择相应的课件资源，点击即可进行针对性的接触网维修知识学习。学习次数和学习时间不受限制，通过各种类型的课件，如：ppt、word、视频，能随时进行学习。

2.5 学员练习模式

练习模式下，学员可结合自身维修知识掌握情况，选取需要的练习任务，进入练习场景，对特定的维修流程进行反复练习操作，练习时间及次数不受限制，直到熟悉为止，以达到最终掌握接触网维修方法的目的。

2.6 学员考试模式

学员在考试模式下，需在限定时间内，点击进入考试场景，找出场景模型中设定的故障点并进行维修作业，学员的操作过程被记录到系统中，系统根据学员考试操作，计算得出其考试成绩。

2.7 后台管理

分为用户管理和成绩管理两大部分。可根据需要设置场景、播放速度及背景音乐等。考试结果和记录均可进行保存和查询。

3 接触网维修实训系统的硬件集成方案设计

接触网维修实训系统的硬件设施包括定位装置、显示设备、图形工作站、虚拟资源数据库、交互设备与其他辅助设备。为了提高学员使用系统的沉浸感，增加了单机多屏的画面显示方案，这可以使得未使用头显参加实训的学员也能够身临其境地体验实训过程，从而可以使得学员们更快地上手，提高学习效率。系统的硬件由虚拟现实头戴显示设备HTC vive和工作站组成，硬件集成的示意图，如图2所示。

3.1 定位装置

将两个激光器设置好频道后，通过三脚架将或支架2～3个激光器对角连接，将虚拟设备使用者围在形成的几何空间的中心位置并将向下倾斜30。～45。，确保使用者在定位设备的精确定位范围内活动，完成空间定位基站的搭建。

图2 基于虚拟现实的铁路接触网维修实训系统示意图

3.2 图形工作站

图形工作站是虚拟现实系统的核心运算硬件，沉浸式的图象显示是依靠图形处理器大量的并行运算实现的，虚拟现实系统的图象实时渲染任务量远远高于一般的图象显示任务，这就对虚拟现实系统中图形工作站的性能提出了更高的要求。HTC vive显示设备与工作站的连接，将HTC vive搭建完成后，通过串流盒将虚拟现实头显与图形工作站相接，即可完成系统硬件的集成。

3.3 显示设备

系统显示装置包括虚拟现实头盔与多屏显示系统。沉浸式多屏显示系统，将多个虚拟场景显示终端或显示设备连接在图形工作站的同一个GPU运算卡下，并且在图形工作站中设置多屏显示即完成了多屏显示系统的搭建，该系统能够将虚拟显示眼镜中的图像在多屏系统中进行同步显示。

3.4 虚拟资源数据库

虚拟资源数据库，一般非大型或网络虚拟现实系统，虚拟资源数据可直接保存在图形工作站中进行调用，模块化方案中，可将其独立，并根据图形工作站的接口进行连接，可随时对虚拟资源数据库进行更新升级。

3.5 交互设备与其他辅助设备

无线接收设备，系统的交互手柄是HTC vive中的适配手柄，通过蓝牙传输的形式进行近距离的无限传输，无线接收装置为图形工作站中的蓝牙设备。

4 接触网维修实训系统的实现

接触网维修实训系统开发流程包括开发方式选择、模型构建、渲染处理、交互开发5个阶段。

4.1 开发方式选择

虚拟现实开发工具根据其通用性的强弱以及对底层操作的支持程度主要分为以下4个层次，如表1所示。

表1 接触网维修系统开发流程

4.2 模型构建

培训场景的建立主要包括5个阶段：素材收集，数据采集，单体3D模型制作，虚拟三维场景的搭建和模型导出。其中，数据采集阶段，测量实物点云数据（可采用三维激光扫描仪）后进行数据筛选，数据平滑处理以及数据补差、重复数据删除等步骤以便得到有价值的数据信息；数据采集的内容，应包括地表及其特征点的位置、高程，建筑物的位置、高度、基底形状、立面和屋顶结构，交通设施的位置、形状和结构，管线特征点的位置、高程、管线的断面尺寸，植被的位置和高度及其他物体的位置、形状和尺寸；采用3dsMax进行单体3D模型制作。

4.3 渲染处理

虚拟现实渲染处理与以往的图象渲染最直接的不同是渲染规模成倍增长，吞吐量激增。渲染的关键难点在高负荷下的图象高延迟，头戴式镜片的图象畸变和色差。渲染过程中首先使用“时间扭曲”技术，使屏幕图像的更新不经过完整的图形管线，用户头部的追踪数据可以直接进入GPU完成渲染。同时，对图象进行畸变处理与色差矫正完成虚拟现实图象的渲染任务。

4.4 交互开发

本系统以虚拟现实开源工具包SteamVR Toolkit（VRTK）为基础，开展对其交互方案的设计，交互过程在Unity3D软件中开发。交互方案包含7种交互方式：漫游，攀爬，检查工具，工具选取，抓取工具，使用工具，安装、拆卸零件。

4.5 系统测试

本文仿真实训的系统测试是基于V模型和黑盒测试技术，包括系统环境测试、系统功能测试、UI界面美观性测试、交互性能测试、沉浸感测试等项目。结果显示系统操作反馈良好，交互性好，沉浸感强，用户通过佩戴虚拟现实头显，可身临其境般地进行维修操作，有效提升接触网维修仿真实训的实作性，达到了较高的仿真实训水平，为接触网维修培训提供了良好的技术支持和新途径。训场景再现给学员，提供了真实作业流程与各种突发情况的解决方案，有利于学员反复学习，熟练操作，使得现实技术在铁路实训中发挥重要的作用。

5 结束语

虚拟现实技术良好的交互性和沉浸感可以逼真地反映现实实物，综合运用图形、图像、动画和声音等多种媒体可模拟接触网维修现场的实际情况，使学员处于一个虚拟的铁路现场环境空间。既可以满足不断发展的企业人才标准，符合铁路职业教学需求，又节省开销，并可根据需求继续开发扩展功能。目前，作为一项前沿技术，基于沉浸式、增强式虚拟现实的研究与应用正处于快速发展期。本文系统充分发挥虚拟现实系统的优越性，将铁路接触网维修的培