三維仿真技術在鐵路培訓系統中的應用

韓 龍

（呼和浩特鐵路局 信息技術所，助理工程師，內蒙古 呼和浩特 010020）

隨著我國鐵路事業的快速發展，鐵路設備的安全更加引人關注，同時，鐵路新線大量建設和新職人員不斷增加，而且設備結構復雜、維修時間緊迫、現場無法實施演練等因素，對現場工作人員的業務水平以及設備維修能力提出更高的要求。為了實現對設備維護和橋修的標準化作業流程，提高作業人員處理故障的效率，開發一套基于熟悉設備結構、掌握常見故障處理方法、規范作業流程的三維仿真系統具有十分重要的意義。

1 三維仿真技術介紹

三維仿真技術是虛擬現實技術（VirtualReality，簡稱VR）的一部分，是一種創建和體驗虛擬世界的計算機系統〔1〕。它通過對實體進行三維計算和圖形處理而構成三維數字模型，編制到計算機中產生逼真的“虛擬環境”，并利用三維引擎將模型進行一定的組織和再現，使用戶體驗到身臨其境的感覺，實現人機交互。三維仿真技術研究已經成為計算機圖形學領域的熱點之一，并隨著計算機仿真技術、動態監測以及三維Web技術的發展，其表現形式更加真實、直觀、生動〔2〕。三維技術廣泛應用在資源環境模型、地形模擬、CAD輔助設計、影視特技、廣告設計等方面。它具有可視化程度高、表現形式靈活多樣、動態感和真實感強、資料更新方便等優點，還可以應用于政府輔助決策、防洪減災、地形勘查與野外作業設計、水電、建筑工程規劃設計與選址、環境評估、城市與社區規劃設計、房屋裝修設計、旅游景點規劃、醫學、生物、大氣及軍事等各個領域。隨著計算機與圖形、圖像處理技術的發展，數字產品三維化已經成為當今信息產品的一大趨勢〔3〕。

三維仿真技術，通常與圖像處理技術、計算機視頻、音頻技術、光學電子學處理技術一同應用于各種仿真模擬系統的開發當中。三維模型的建立包括設計模型的結構形狀、紋理效果、光照效果、相關位置、整體環境效果等〔4〕。應用三維引擎將模型按照實體的真實環境進行可視化模擬再現，也可以通過數據手套、數據頭盔以及其他虛擬現實硬件，提供全新的交互方法。

2 三維仿真培訓系統設計

根據現場生產實際，結合標準化作業流程，應用三維仿真技術開發鐵路培訓系統，通過建立設備模型，依據實際作業辦法，詳細演示設備結構、日常維護方法、常見故障處理等內容，形成一套集學習、練習、考試3種模式的教學培訓系統見圖1。

圖1 系統3種模式登錄窗口

2.1 學習模式 該模式以音頻、視頻、解說等方法對設備工作原理及結構、標準化作業流程、檢修方法進行說明，主要讓職工了解設備的詳細結構，并提供設備的拆裝過程，可以對各個部分進行全方位的觀察。學習模式以解說的方式引導培訓人員按照標準化作業方法，對設備進行日常的維護和檢修。如學習色燈信號機檢修時登錄窗口見圖2所示。

圖2 色燈信號機檢修登錄窗口

2.2 練習模式 練習模式為培訓人員提供虛擬的操作體驗，真正實現人機交互，提高職工實踐動手操作能力，按照學習模式的方法對設備進行規范的操作，對每一步操作都會有語音提示，如果操作錯誤，會及時提示進行更正，幫助職工掌握標準化作業方法。TDCS故障處理模塊練習見圖3所示。

圖3 TDCS故障處理模塊練習

2.3 考試模式 考試模式作為檢驗學習、練習效果和培訓質量的考核方法，將標準化作業流程的每一步依據各自的重要性和安全性劃分為相應的分數值，職工在沒有任何提示的條件下，在規定的時間內完成所有的維護檢修項目，系統根據作業人員的操作是否正確給出最后的得分，并記錄在職工培訓教育考核中。

3 設備模型建立

本系統采用3dsMax對設備進行三維建模、圖片渲染以及動畫制作。3dsMax是Autodesk公司推出的基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件，具有性價比高、操作簡單、對硬件系統的要求相對較低等特點。該軟件提供建模、動畫制作等工具，廣泛應用于電影電視后期特效、游戲、建筑設計、室內設計、工業設計、多媒體制作與輔助教學等領域。

3.1 建模步驟 采用3dsMax建立模型的過程基本按照以下4個步驟進行：

1）基礎數據獲取。由于本系統基于現場生產實際，模型主要為現場設備，操作流程為標準化作業方法，因此在前期準備工作中，需要對設備進行全方位的圖片采集，盡可能多的獲取設備的幾何參數以及特征。并依據標準化作業流程錄制教學視頻，為系統開發者提供制作依據。

2）設備結構分析。設備結構分析是建立模型前非常重要的一個環節，它將決定整個系統的運行效率，避免后期進行交互設計時的重復修改。首先對設備的結構進行認真的分析和合理的分解，確定三維建模時采用的層次結構。其次要根據各模塊的腳本，了解設備的動作原理，確定模型的動畫制作方法。實體照片與設備模型如圖4所示。

圖4 實體照片與模型對照

3）模型建立。在獲取了基礎數據并分析設備結構后，通過3dsMax軟件建立設備模型，在建模過程中要按照模塊腳本需要，對有動畫、需要拆分的模型要單獨制作。對模型進行UV貼圖，并根據需要設置光源進行烘焙，并制作動畫。矮型信號機設備的模型貼圖前后如圖5所示。

圖5 矮型信號機設備模型

4）模型優化。模型優化是對模型進行后期處理，它關系到整個系統的大小、運行速率以及對操作系統的環境要求。由于三維引擎在組織模型時要計算模型的個數以及三角面數，因此模型優化通常是對模型進行合理的合并以及刪除多余面和不可見的面，使模型的個數與面數盡量的少。

3.2 建模原則與技巧 三維模型的質量對于虛擬仿真系統是十分重要的，采用良好的建模規范以及原則技巧，都將為系統的可靠運行提供有力的保障。對模型命名、貼圖文件等都要規范操作，并按照實體分類對模型分層次管理〔5〕。

1）在三維建模中，原則上模型的個數和面數越少越好，這樣有利于提高系統的運行速率。因此在保證模型的可視化效果下，盡量減少模型的個數和面數。建模采用簡模的方法，在滿足光滑柔和的效果條件下盡量分段數要小，也可使用曲面工具和改進的NURBS技術制作復雜模型。多個模型以及一類模型盡量選用同一張貼圖，以便模型的塌陷和合并，以達到減少模型個數的目的。

2）在制作貼圖文件時，要盡量壓縮紋理，并采用tga的格式，貼圖文件的像素大小應為2的N次冪，有利于模型的最優化顯示和縮短渲染貼圖的時間，同時這樣保證實時渲染時跳幀率較低和圖像的連續性最高。

3）對顯示效果要求高的場景，可以通過建立復雜的模型，加入光照等特效后再渲染出效果圖，用其作為仿真模型的貼圖，制作天空盒，可以取得很好的視覺效果，信號機所在的場景中天空、山、樹木和圍欄是利用貼圖文件建立的。如圖6所示。

圖6 信號機場景

4 結束語

本系統已經應用于呼和浩特局的職工培訓當中，為鐵路職工培訓提供了新方法，緩解大量新職人員入路培訓的壓力，縮短了培訓周期，降低了培訓成本，提高了培訓效率。系統中逼真的虛擬環境讓培訓人員猶如身臨現場，對設備結構及原理有了更全面的認識，并通過設備常見故障案例庫的學習，提高現場應急處理的能力和專業技能及業務水平。本系統可以方便的加入新增設備模塊，增加培訓內容。并可以擴展功能，利用數據手套等交互工具對三維模型進行體感操作，提高系統的實用性。

〔1〕余莉，王乘.基于虛擬現實技術的數字校園三維仿真系統〔J〕.計算機仿真，2004，21（4）:98-101.

〔2〕劉渭潔.建立實用型三維地理信息系統〔J〕.中國圖形圖像學報，1999，4（A）（1）:72-75.

〔3〕孫敏，陳軍.三維城市模型的數據獲取方法評述〔J〕.測繪通報，2000，（11）:4-6.

〔4〕余明，過靜珺.三維仿真虛擬現實技術在城市規劃中的應用〔J〕.測繪科學，2004，29（3）:52-54.

〔5〕趙玲.基于3DMAX的模型優化的而研究〔J〕.科學技術與工程，2010，26（10）:66-68.