VR技术在动车检修培训中的应用

李宇豪

(中国铁路西安局集团有限公司西安动车段 陕西西安 710000)

近年来，高速铁路蓬勃发展，自党的十八大以来，我国高速铁路网的规模和质量、技术装备水平、运输安全水平等重要指标都进入了世界前列，成为了名副其实的铁路大国。伴随着各个动车段的配属车型的增加和检修技术要求的提高，现有的检修人员总体素质不高、年轻化明显、检修经验欠缺等问题开始凸显[1]。因此，动车检修人员的教育培训十分重要，直接关系到检修人员技术业务的提升，从而影响到动车组的检修质量。在此背景下，动车检修单位的职工业务能力培训需采用多元化的方式，将“线上”与“线下”相结合，采用创新型的虚拟VR技术，是大势所趋。

VR 技术发展至今，已步入成熟阶段，并且在各行各业都得到了广泛应用，比如：在医学方面，裴育苗通过构建出三维器官模型和在医学教学中所需要的仪器、设备，建立一个有自然交互感的虚拟场景[2]。在工业装备制造方面，ROLDAN J J等人针对复杂的装配体的操作员利用虚拟现实技术来模拟工作环境，证明了虚拟现实技术相比传统培训模式更具有竞争力[3]。另外，CIPRESSO P等人论证了虚拟现实在主要应用领域中的使用过程中的演变和变化，并着重强调了未来预期虚拟现实的能力增长和挑战[4]。杜伟针对动车组检修实训设备价格昂贵，教学效率低的问题，设计了多功能动车组检修技能实训平台[5]。李旭洋等人通过建立了虚拟检修车间漫游系统，实现了增强培训人员对检修车间设备操作和检修流程的掌握能力[6]。张海峰等人提出了模块化LOD检修模型构建方法，基于模型与仿真驱动文件分离方法、复用性虚拟检修仿真生成方法，实现并应用了基于虚拟现实的标准动车组虚拟检修系统[7]。周绍泽等人提出了虚拟检修视点模拟方法以及改进的漫游碰撞检测算法模拟动车组检视检修，建立了基于虚拟现实技术的动车组虚拟检修培训系统[8]。

目前，VR 技术在动车检修培训行业的应用过程中，面临动车设备的多样性，设备操作流程的复杂性及虚拟实操考核的不确定等问题，所以将动车检修的作业环境与虚拟现实技术高度的临场感及定制性相结合，实现“VR+动车检修培训”的培训模式已经是迫在眉睫。

1 虚拟现实技术

虚拟现实技术能够给使用者深度沉浸的感受，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用外接设备，提供虚拟的感受空间，利用位置跟踪器、数据手套以及其他手控输入等传感器设备，并以声音辅助使用者产生身临其境、全身心投入和沉浸其中的感觉。将真实的动车检修作业场景搬进计算机，采用三维仿真模型导入系统平台中，学员直接参与现场，如身临其境、置身其中，通过集成数字多媒体的应用，寓教于乐、融会贯通、边体验边学习，从而让学员轻松地掌握大型设备作业现场的安全基础知识、安全操作技能以及设备检修等相关培训教学内容。

虚拟现实技术是采用以计算机技术为核心，以逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，是目前仿真培训系统3D多媒体技术的延伸[9]。将传统的计算机从一种需要人用键盘鼠标对其进行操作的设备变成了人处于计算机创造的人工环境中，实现了更加直接明晰的培训效果。

2 虚拟操作系统的设计

2.1 系统设计原则

根据虚拟现实及培训内容的特点，在设计时应遵循以下几个主要主要原则：（1）集约化原则；（2）实用性；（3）规范化原则；（4）可扩充性原则；（5）易用性原则；（6）先进性原则。此平台以此为基础，能够快速地构建出复杂场景虚拟仿真，具有良好的交互性和真实感。

2.2 关键技术选型

从图1可以看出，在虚拟设计的过程中，将各类设备的设计图纸的二维模型通过数字化三维仿真技术（VRT）转化成三维模型，借助虚拟环境，采用运用象池模式、运用Shader Model、运用Shader Model 技术，降低内存空间的使用率避免内存溢出导致的死机，提高渲染的清晰度和逼真度。利用仿真过程中的数据来实现虚拟操作培训及考核。

图1 虚拟设计主体拓扑图

2.3 构建虚拟系统

构建虚拟学习系统时，需要用到的软件为Unity3D+Visual Studio 2017虚拟现实设计平台，开发场景元素及相关组件。硬件为HTC VIVE 与虚拟现实平台相连接。

2.3.1 虚拟场景

在构建虚拟系统时，首先需要搭建一个场景，然后利用其中的摄像机对场景元素进行投影以及配合操作，从而构建一个完整的虚拟系统。我们将通过4 个场景元素来构建虚拟场景[2]。

（1）操作对象：是unity 场景内所有实体的基础。例如：CRH380B型动车组转向架、车下设备等，通过现场调研及资料收集，采用3Dmax 软件来进行模型的制造。

（2）灯光：灯光效果在VR 软件中能够烘托气氛感染操作人员的情绪，使虚拟场景更加真实。通过设计不同的灯光效果，还原真实检修库内车下灯光环境或车内环境。

（3）相机：用于捕捉显示虚拟环境的设备。

（4）音效：在对应的场景下，制作出动车组设备拟真音效、按钮音效、背景音乐、语音配音，让操作人员在虚拟世界中感官更加真实、更立体。

2.3.2 HTC VIVE

HTC VIVE 是一款VR 虚拟现实头盔产品，由头盔显示器定位系统、手柄控制器组成，具有像素高、刷新率快、精度高的优点，但同时存在延迟问题导致的操作者眩晕等问题。

3 动车组检修仿真培训系统

动车检修仿真培训系统采用先进的技术对动车组车下、车内、车顶、车侧的检查进行了全面的仿真，满足了动车组机械师对实操作业、技术攻关、现场管理等方面的培训、考核、训练等要求，适用于动车组各项设备检查和维修的虚拟仿真培训。

3.1 动车检修仿真系统功能介绍

动车组检修分为5 个修程，此次仿真系统的介绍主要针对动车组一、二级检修，也统称为动车组的运用修。针对标准动车组配备1个作业小组，其中4名作业人员分别为①号、②号、③号、④号。针对各个号位的检修点，制定特定的培训内容。

动车检修培训系统采用先进的仿真支撑技术、仿真建模技术、建立了动车组车下、车顶、车侧的精确的数学模型、逼真地模拟了动车检修过程中各个关键配件工况和各种检查点。

仿真系统在详细仿真动车组检修的动态过程同时，要考虑到动车组大型设备的开启、关停、检修都需要大量工序，导致的场景交互数据量大的问题。因此，该仿真系统具有自动拓扑分析、动态潮流计算、暂态稳定计算等功能。

动车组检修模拟系统应实现对相关人员正常操作和设备运行监视的培训，在系统的教学模式下，首先操作者在虚拟场景中观看视频资料，然后以通过手势发出的射线，进行设备的拆装，每个拆卸的部件都有对应的文字和语音描述，最后根据语音和虚拟人物以及UI的引导，完成设备的操作。教学的目的是让操作人员熟悉设备的构成和掌握设备的使用方法。同时在系统的训练模式下，可以做到多人联机协同作业，网络连接采用TCP/IP方式连接。

图2 HTC VIVE头显实物图

图3 训练模式多人协同作业示例图

仿真系统的教师端提供了多种对系统的控制手段，对于学员操作的监控手段及教学管理手段，学员考核当中，考核评判系统会记录学员错误的操作信息，并进行打分，学员考核完成后，点击考核完成，此次考核信息会发送到教师端，教师端会收到反馈，教师端可以查看学员的成绩及操作错误信息。考核整体流程图见图4。

从图4 可以看出，该培训系统能够提供智能的培训评价考核系统，满足相关专业人员理论和技能考核、比武、新职人员鉴定等要求。仿真系统应运行稳定，功能实用，考虑到地理信息系统的发展和计算机技术的进步，软硬件产品更新换代快，在系统设计中既要考虑系统的完整性，又要考虑系统的可扩充性[10]。此系统要预留多处接口，以便于以后进行改进、扩充，使该系统不断完善。

图4 考核流程图

3.2 动车组检修仿真系统数据库特点

3.2.1 平台数据资源的空间化

该培训系统的数据分析、场景交互、UI 效果等多项重要工作，都必须依托于空间化的信息资源支撑。

3.2.2 高可靠性和高稳定性

在实现虚拟场景交互的过程中，系统必须达到很高的可靠性与稳定性，如果没有稳定可靠的信息资源获取保证，就有可能使应急处置工作缺少依据而做出错误的决策，从而造成人员、财产损失。

3.2.3 安全性

数据信息资源作为系统对虚拟交互的决策依据与载体，必须做到高度的安全可靠。要充分考虑到各方面的因素对平台数据信息资源的攻击与破坏，充分利用现有成熟的信息安全技术手段、采用容灾备份机制等方法，确保数据资源在受到异常攻击时的安全稳定。

3.2.4 可快速恢复性

考虑到系统数据库同样存在着系统崩溃或数据丢失的可能性，在规划信息资源管理体系及搭建系统平台时，必须充分考虑在系统崩溃或数据丢失后的系统重新搭建及恢复功能。

该培训系统主要采用面向对象数据库设计技术及海量空间数据读取技术来实现相关数据的存取。该项目利用SDX 实现海量空间数据的存储与访问，通过空间数据索引技术和金字塔技术提高数据的访问效率。特点为面向对象数据库设计。

4 结语

基于虚拟现实技术在动车组检修仿真培训系统采用先进的软硬件技术，将真实的场景、设备、操作过程、检修、考核等内容还原到计算机中。相较于传统的书本式教学、视频教学、设备模型、现车实景培训等，节约了大量的人力、物力、财力，并且能够保障学员安全。同时，在实操实训方面具有操作可重复性、设备场景更新快、维护费用低、培训方式新颖等优点，经济效益显著。在社会效益方面，虚拟仿真培训系统坚持“以学员为本、以现场需要为核心、多维度协调发展”的实践教学培训思想，创建多层次、综合性、研究型的培训教学体系，培养高素质动车组检修人才。