道岔轉轍設備的三維仿真及自動化學習培訓系統

張 滔 李海玉 張坤通 梅 萌

道岔轉轍設備作為信號系統的安全關鍵設備，在城市軌道交通領域的應用正在迅猛增長。目前，針對各種型號轉轍機的故障分析和維修培訓，尚未形成完善的維修指引。為此，在三維仿真、多媒體與虛擬現實技術的背景下，提出了一種全新的數字化培訓系統。該系統主體結構是基于Internet的遠程教學系統，包括理論和實踐教學2個主要模塊。理論教學以網絡教學課件形式存在；實踐教學由于涉及拆裝、維修等實際操作，主要采用虛擬現實技術，使用者在虛擬世界可以真切體會轉轍機的結構分解和維修操作的感覺。

1 系統硬件和軟件結構

培訓系統的硬件架構是由服務器、網關、路由器、和遠程客戶端等組成；軟件架構包括學習、訓練、能力評估和輔助維修等模塊。

2 理論知識學習和拆裝訓練

學習模塊具有對設備機械結構、工作原理 （機械和電氣）、操作流程、檢修作業規程、常見故障及排除指引等仿真學習功能。主要以知識講解為主，借助Flash、3DMAX軟件制作演示型動畫，以圖文并茂形式將設備的機械結構、電氣原理等生動地展示出來，使得知識體系完整、統一，可在比較短的時間里讓學員獲得透徹、深刻的理解。

訓練模塊具有對設備拆裝，維修規程及工藝流程，故障演練模式等情景下的仿真訓練功能。主要以拆裝、操作、試驗為主，以3D模型為基礎，借助虛擬實現技術，力求達到現場實際操作設備的感覺，獲得動手實踐的效果。

3 開發能力評估

能力評估模塊是在全仿真環境下對員工的日常檢修技能、故障處理技能、等級晉升技能等進行的智能化評估，并自動生成各種評估檔案，包括學員管理、試題庫、計分系統等。其中試題部分既包含一些靜態知識，也包括訓練過的拆裝和故障判斷，以及維護流程的虛擬操作等。該模塊還包括設計基于B／S結構的網絡化考試管理系統，可進行多用戶在線考試、自動計分、查詢等，既能實現整個系統的培訓，也能針對某個項目單獨培訓。由于軟件的考試數據有大量的三維操作信息，與常規考試系統不同，將采用多層級訪問控制和多線程技術，實現后臺服務器與前臺瀏覽器頁面之間的大數據流動式考試系統。

4 輔助維修

輔助維修模塊是基于故障案例和故障處理指南數據庫建立的。通過用戶提供故障特征輸入，系統將自動搜索匹配可能的故障原因，輸出維修指導或建議，并自動給出維修建議及在虛擬場景中顯示故障處理流程。通過建立的維修維護專家庫系統，將常用的故障現象和可能的原因及對應的維修步驟，歸納成規則數據表 （此規則表可在使用過程中動態增刪）。當發生故障需要維修時，只要用戶提供一定的故障現象 （需要用戶按規范格式表述出故障特征），系統將自動搜索出匹配的若干維修規則，用戶可結合其他特征自行選擇合適的條款，由系統給出三維場景的維修流程，指導現場人員按步驟完成維修操作。該模塊包含演練模式，即計算機自動進行三維動畫形式的虛擬維修仿真，使得未在現場的操作人員也可以按照演練步驟指導具體維修操作。

5 基于虛擬現實技術的建模和仿真

三維仿真培訓系統的整體框架是基于win－Form框架實現。主要技術由3個模塊組成：Unity3D渲染模塊、XML數據驅動模塊和依賴于SQL Server數據庫管理技術的考試／維護模塊。如前所述，Unity3D渲染模塊主要用于對三維模型進行渲染；而XML數據驅動模塊則是把三維模型的運動狀態，文字提示信息等XML文本在需要仿真時進行翻譯與解釋，并反饋到Unity3D渲染引擎中，使三維模型能夠按需求進行運動。

其中，對于轉轍機機械結構的培訓，采用C／S架構。首先使用Solidworks三維設計與建模軟件，對設備進行幾何建模；當幾何建模完成后，再通過3DMAX軟件對其各個部件進行主從關系、約束關系定義，即在3DMAX軟件內進行物理建模，如圖1所示。這是轉轍機設備能夠在虛擬環境中真正動起來的關鍵。系統在建立虛擬現實模型和動畫制作之后，采用Unity3D＋Visual C＃實現。其中，Unity3D為實時渲染引擎，負責將已經數字化的虛擬三維模型進行實時繪畫與渲染，實現三維虛擬場景與虛擬轉轍機的三維顯示，如圖2所示，而Visual C＃則負責對三維虛擬模型進行數據驅動，以便讓三維虛擬模型能夠按要求進行動作。此外，用戶的登錄數據、管理數據、考試成績等的管理均靠Visual C＃來完成。

圖2 Unity3D環境內的動作數據分割

三維仿真培訓系統的主界面如圖3所示。系統的頂端是登錄用戶的信息；左側為拆裝課程的詳細信息，用戶可在這里選擇相應的課程、查看操作要點；右側是三維虛擬場景，對整個拆裝過程進行模擬。

圖3 三維仿真培訓系統的主界面

6 總結

系統綜合了其他培訓系統的優點，將網絡教學與虛擬現實技術引入轉轍機的仿真教學培訓系統中。通過對道岔轉轍機的機械結構和電氣特性建立完整、精細的三維模型，從原理、操作、維護等方面構建培訓體系，實現知識的一體化、動態化和具有真實感的表達方式。

目前該系統在廣州地鐵轉轍機學習培訓過程中運行良好，后期將不斷優化和升級。該系統為廣州地下鐵道總公司節省了大量的培訓師，使培訓學習不受時間限制。同時提高了道岔轉轍機培訓學習效率，節省了大量的財力和物力，得到了廣州地下鐵道總公司領導和學員的一致好評。

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