基于VR技术的铁路通信施工安全技术教程研制

郭永泉

安全教育培训在铁路工程施工中是必不可少的一项施工交底内容［1］,运用VR（虚拟现实）技术来辅助安全教育培训,有助于提高交底效率,可在施工前更为深刻地理解施工过程中可能发生的某个事件［2］,使施工技术人员得到指导,有预想地进行工程准备［3］,将现场实际情况具象化,强化施工安全意识。为此,本文结合大张客专通信专业施工与现场实际情况,根据标准规范,制作适用于施工安全技术交底的VR培训教程,通过硬件（VR体验平台）和软件的结合,使施工人员有身临其境的感觉,加强对技术规范内容的理解。

1 教程设计

1.1 功能设计

VR施工安全技术培训教程设计登录界面,以及铁塔设备安装高处作业安全、既有线施工安全、通信室内设备安装与配线施工安全等3个场景,实现在沉浸式虚拟操作环境下,受训人员独立完成施工安全技术标准化操作。

1.2 技术指标

1.2.1 刷新率与帧数

刷新率和帧数是影响虚拟现实体验的重要因素之一。刷新率与帧数低,则容易引起体验者眩晕感和不适感。本系统运行帧数保持90帧以上,同时采用的头戴式显示器刷新率达到90 Hz,可保证本培训系统稳定流程运行。

1.2.2 头显分辨率

分辨率是影响沉浸感的重要因素之一,分辨率越高,画面越清晰,越能使人产生身临其境的感觉；分辨率越低,则屏幕越容易产生颗粒感,易破坏人员在虚拟环境中的沉浸感。受硬件技术限制,目前主流VR头戴式显示器分辨率为单眼1 080×200像素,组合分辨率为2 160×1 200像素。

1.2.3 场景复杂度

场景是指应用中用户所处的虚拟环境,包括环境中的光照、阴影、模型设备、自然景观、角色人物等。

1）物品排布。虚拟物品与人在3～10 m范围内,体验效果最佳。

2）模型顶点数。经试验,单个场景中模型的顶点数不超过50万个,可保证系统稳定流畅运行。

3）视场角（FOV）。交互信息保证在60°以内显示,可达到培训的良好效果。

1.3 虚拟场景

虚拟场景设计主要包括模型构建要求、模型排布规范,以及对场景整体容纳资源的限制。场景中建造的模型,在满足当前虚拟场景渲染效果的前提下,尽量删减模型的顶点数,对隐藏的模型面片也不进行绘制处理,减少渲染运算,提升系统效能［4］。虚拟场景中的设备模型以及其他物品皆围绕观察者进行圆弧状排布,排布层次突出重点,满足人眼观察物体习惯,有效减弱视疲劳。一个虚拟场景在满足功能需求的前提下,尽量减少多余资源的出现,避免了加载场景过程中出现卡顿。

1.4 系统交互

受训人员首先进入登录界面场景,选择3个体验场景之一；进入体验场景后,通过手柄触发互动模拟展示；通过头显设备进行场景流程展示,经各个流程节点触发操作,部件高亮和工艺点文字提示提升体验效果；通过发射射线或者直接触碰虚拟部件的方式触发互动,及时将触发信息信号（如手柄振动感等）反馈给受训人员,达到真实的体验感觉。

2 关键技术

2.1 开发及运行环境

开发工具采用3D建模软件、Unity3D引擎和Visual Studio编译器。通过采集设备实景数据,利用3D建模软件对施工安装环境等进行三维模型的构建；将建好的模型导入Unity3D引擎中进行相应的配置；基于导入的模型和Unity3D引擎地形系统构建虚拟操作环境；利用C#编程语言进行各系统的逻辑编写调试；最终发布在VR设备进行培训。运行环境是Steam及SteamVR。

2.2 系统配置

系统硬件构成见图1,包括主机、VR套装,满足在虚拟环境中进行单独训练。

图1 系统硬件构成

根据需要培训系统也可由多台高性能图形工作站和多套VR套装组成,以实现多人同时培训。

1）高性能图形处理器。主机配置有专业图形处理显卡、高性能CPU、32 GB运行内存。主要负责系统虚拟环境的渲染以及核心运算的处理,主机配置性能参数见表1。

表1 主机配置性能参数

2）VR套装。包括头戴式显示器、激光定位器、无线操控手柄及相关配件,主要实现VR设备定位、虚拟环境显示及虚拟交互等功能。VR设备性能参数见表2。

表2 VR设备性能参数

2.3 建模技术

依据现场采集的设备尺寸、影像等资料,使用3D建模工具对设备模型进行1∶1建模,同时在保证系统呈现效果的前提下,对模型的面数、定点数进行综合优化,达到性能和渲染效果的平衡,保证模型在虚拟环境中的表现效果,运用贴图、渲染和烘焙等技术手段使模型接近真实［5］。

为确保场景模型、设备模型的真实性,模型制作将采用次世代建模技术,通过3D建模软件对铁路场景、通信信号设备、施工工艺点场景等进行建模,采用绘图软件对照片数据进行纹理提取,并进行贴图与模型烘焙渲染［6］。构建完成后,将高保真模型导入VR开发引擎中进行相应配置。通过VR开发引擎读取导出数据,使每一个设备模型数据的面数减少到最低,以节省系统运行负荷；同时保证视觉效果的逼真度。为使本系统设备模型与场景环境更加逼真展示,使用基于物理渲染（PBR）技术,采用光影烘焙技术对渲染效果升级优化,应用专业材质优化软件,降低模型渲染带给CPU、GPU的高负荷运算量,从而解决由此带来的帧率（FPS）下降,Draw Call升高等渲染性能问题。

本系统建模过程中采用Simplygon、Mesh Baker等对模型进行减面优化,采用多细节层次（LOD）、遮挡剔除（Occlusion Culling）等技术,对模型进行整体优化。在各项技术支持下,最终保证受训人员在视觉上、交互上的高质量、高流畅性体验。

2.4 系统交互

系统的交互方案基于steamVR插件提供的底层交互机制进行构建,同时综合运用Unity3D引擎内置的功能组件,包括粒子系统、动画系统、灯光静态烘焙、物理系统,以及VRTK、DoTween等成熟的第三方插件,有效保证了系统的功能实现。

2.5 整体优化

系统开发中后期,利用Unity3D引擎内置的Proflier性能分析工具对系统进行优化测试,从CPU、GPU以及内存三大方面,对系统进行逐级优化,保证系统发布之前各项运行指标满足性能要求。

系统场景开发中,利用异步加载方式,快速对功能场景进行加载,保证软件运行的流畅度,提高代码的执行效率［7］。在登录界面主场景和3个体验场景之间,利用主场景进行衔接,避免出现加载后大量资源没有被调用而导致场景材质丢失的情况,保证系统运行过程中用户的体验。在整个调用过程中,完成快速指定路径与资源规划的功能,提高软件的执行速度,增加用户在系统中的操作流畅度,减少系统的内存占用。

3 功能实现

VR培训课程由通信铁塔高处作业安全、既有线施工安全、通信机房设备安装与配线安全3个场景构成,采用手柄交互方式对设备进行操作,这种交互方式具有更接近人的自然交互特点,让受训人员快速掌握标准规范的操作要领。

3.1 通信铁塔高处作业安全场景

该场景以通信铁塔上安装天馈线和视频监控设备的操作,结合施工安全注意事项,实现通信铁塔高处作业安全场景的模拟。天线吊装场景见图2。

图2 天线吊装场景

体验步骤：①定向天线、馈线、摄像机地面组装；②施工人员在地面依次佩戴好安全带、安全帽；③到达作业位置附近固定好安全带；④在塔顶固定好滑轮,将大绳一头放至地面；⑤地面辅助人员绑扎固定天线、馈线、摄像机,并拉动大绳；⑥利用滑轮将天线、馈线、摄像机上升至安装位置,测量天线方位角、俯仰角及摄像机安装角度；⑦在安装位置将天线、馈线、摄像机固定好。未执行完前道工序,无法开始下道工序的体验。

3.2 既有线施工安全场景

根据既有线铁路施工安全的相关注意事项［8］,顺序体验以下3个场景：①接触网下不准高举施工物具,施工人员在路肩行走时,所携带施工物料、机具要平行于铁路,避免发生触电事故,携带工具体验见图3；②横跨轨道时,注意“一停、二看、三通过”［9］,施工人员所扛长大物件在路肩行走,必须与铁路线平行,避免物件侵限与来车发生刮碰,行走体验见图4；③严禁在既有线上行走看手机,施工人员在既有铁路线施工时、必须保持高度警惕,听从现场防护员和安全员的指引行走,避免因注意力不集中,发生列车刮碰事件。未按要求进行模拟操作,会触发人身危险体验,手机使用体验见图5。

图3 携带工具体验

图4 行走体验

图5 手机使用体验

3.3 通信室内设备安装与配线安全场景

根据施工现场通信设备安装、配线等工序,包括划线钻孔、固定底座机柜安装、走线架安装、线缆布放和配线成端等,展现通信机房设备安装与配线安全及工艺提升相关要求［10］。

体验顺序：①划线钻孔（图6）,按照标注摆放好设备底座,划线定位打孔深度,手柄选择电钻并打孔；②固定底座,手柄选择膨胀螺栓,放入4个孔内,将设备底座对地安装孔套入膨胀螺栓,并固定紧固；③机柜安装,通过手柄将机柜移放在支架上,将安装孔与底座上的安装孔对齐,安装螺栓自上而下穿过安装孔并紧固,用水平尺测量应放在机柜正面、侧面,水平尺的气泡应居中,安装螺栓见图7；④走线架安装及施工要点（见图8）；⑤线缆布放及施工要点；⑥配线成端及施工要点。未执行完前道工序,无法开始下道工序的体验。

图6 划线钻孔

图7 安装螺栓

图8 走线架安装

4 结束语

针对铁路施工安全技术和工艺标准,调研了现有培训模式及效果,研究通用性铁路场景和专用工艺场景界面,搭建VR培训系统整体架构、交互设计架构,研发完成施工安全技术、施工流程的过程展示应用教程。截至目前,本系统已在大张、赣深、连徐、吉首等工程项目中投入使用,对施工安全流程、技术交底等提供了指导和操作依据,取得了良好的效果。