基于虛擬現實技術的機車駕駛模擬演練系統的研究與實現

劉廣文

（呼和浩特鐵路局 科學技術研究所，呼和浩特 010051）

基于虛擬現實技術的機車駕駛模擬演練系統的研究與實現

劉廣文

（呼和浩特鐵路局 科學技術研究所，呼和浩特 010051）

介紹基于虛擬現實技術的純軟件機車模擬駕駛演練培訓系統的研制過程及使用效果，針對HXD3D型電力機車的一般操縱方法和機車檢查標準化作業程序開發了學習、練習和考試模塊，使機車乘務員可以在三維仿真的駕駛環境下進行反復的學習演練，從而達到熟悉機車操縱流程和機車檢查標準化作業程序的目的。

虛擬現實； 機車駕駛；HXD3D； 模擬演練

列車模擬駕駛訓練系統是一種先進、安全和高效的培訓工具，它通過對列車性能和駕駛操作流程的仿真構建一個高度真實感的駕駛環境，為受訓司機提供培訓的環境與手段。然而，查閱相關資料[1～3]，目前對列車模擬駕駛方面的研究，大多與硬件結合，其培訓內容也僅限于機車駕駛過程中的應急處置，對于剛入路學習的機車乘務員以及鐵路院校的學生還沒有較為全面的標準化作業程序培訓演練系統。

1 系統介紹

1.1 研究背景

呼和浩特鐵路局于2011年12月引進機車駕駛仿真模擬操作臺，從安裝到測試歷時近2年，經過對設備軟、硬件多次改進，于2013年正式投入使用。操作臺雖然具有體驗直觀、仿真效果好的優點，但也存在造價昂貴、對培訓場地要求高、培訓效率低等缺點，且其在仿真細節上還存在諸如仿真效果夸張、線路仿真粗糙、牽引設置不精確等不足，最重要的是由于是從路外引進，一旦有新的培訓需求，需要通過廠家定制開發，周期長、成本高。為提高機車乘務員培訓質量，鐵路局組織專業的研發團隊，自主研發HXD3D型電力機車駕駛模擬演練培訓系統，該課題被列為呼和浩特鐵路局2014年重大課題。

1.2 研究目的

完成鐵路局管內試驗區段線路三維視景及機車模型的制作。結合三維仿真視景圖像和機車模型搭建具有一定功能的機車駕駛模擬訓練系統。

1.3 研究方法

通過錄像設備采集現場實際線路、站場環境的高清數據；通過業務部門搜集線路、站場設備（線路曲線、接觸網分相、信號機位置、道岔類型等）的有效參數；通過三維建模工具制作線路、站場視景圖像；基于專業虛擬現實數據引擎設計虛擬現實互動程序。

1.4 關鍵技術

（1）三維仿真建模技術。系統采用3DsMAX建模工具按1:1比例構建與現場相符的機車、線路、站場模型，為后期合成做好準備。（2）二維貼圖和界面設計技術。系統采用Photoshop對現場拍攝的照片進行處理并制作模型貼圖，以最大程度的接近現場實際效果。（3）虛擬現實互動類程序設計。系統采用VRP11.0作為虛擬數據引擎，結合引擎提供的腳本編碼實現三維數據合成及場景互動，達到機車駕駛模擬演練及標準化作業程序練習的目的。（4）.NET編碼。系統采用Mirosoft Visual Studio 2010開發系統集成平臺，將制作的各個模塊以統一的平臺進行展示。

2 試驗區段線路三維視景及機車模型的制作

2.1 試驗區段和機車車型的選擇

為了便于開展研究，經過與業務部門共同研究，最終確定制作呼和浩特到呼和浩特東站的區間線路視景和HXD3D型電力機車模型。

（1）選定的區間線路距離工作場所較近，為現場數據采集提供便利，并可節約研究成本和縮短研究周期。（2）選定的區間線路視景可滿足基本的培訓功能要求。（3）HXD3D型電力機車是呼和浩特鐵路局擔當客運牽引任務的主力機型。（4）呼和浩特鐵路局已有的模擬操縱臺還沒有對HXD3D型機車的模擬操作功能，該項目的研究成果可彌補這一空白。

2.2 制作內容

（1）呼和浩特站站場完全視景制作，包括站房、站臺、線路、道岔、信號機、接觸網及周邊建筑。（2）呼和浩特東站站場完全視景制作。（3）呼和浩特站到呼和浩特東站區間二股正線線路及主要建筑物視景的制作。（4）HXD3D型電力機車完全仿真模型的制作。

2.3 制作的主要過程

在業務站段的配合下，赴車站及區間拍攝現場照片和視景。與相關部門聯系，搜集車站與區間線路的相關資料，包括CAD圖紙、接觸網數據、地面信號數據等。使用3DSMAX等工具軟件制作與實際相符的車站、區間線路視景及機車模型。對制作的模型進行后期處理，使其盡可能達到實際效果。

3 機車駕駛模擬演練系統的研制

3.1 功能設計

在充分采納現場工作人員的意見后，最終確定試驗性的完成機車檢查及一般操縱練習兩個功能模塊的模擬培訓功能。主要包括：機車檢查標準化作業程序的學習、練習和考試；機車一般操縱程序的練習；將上述培訓模塊集成到一起的機車駕駛模擬演練平臺的開發。

3.2 研制過程

根據業務需求設計虛擬現實程序互動腳本。將前期制作的線路視景和機車模型導入到三維數據引擎軟件（VRP11.0）中。按照互動腳本的設計要求，利用VRP編輯器的功能完成作業程序的模擬演練程序編制。利用VRP編輯器打包生成可獨立運行的可執行文件。將制作完成的培訓模塊集成到機車駕駛模擬演練平臺中。

4 成果展示

4.1 系統主界面

如圖1所示，界面包含系統名稱、線路類型、機車型號及版本信息，點擊界面右下方的“開始”按鈕，進入系統功能模塊選擇界面，點“退出”按鈕關閉系統。

圖1 主界面圖

4.2 功能選擇界面

如圖2所示，系統共包含5個功能模塊，點擊任一模塊進入該模塊的功能操作界面。點擊“返回”按鈕返回到主界面。在界面設計上，系統充分考慮了擴展性，更多的模塊選擇可通過“上一頁”和“下一頁”按鈕切換顯示。

圖2 功能模塊選擇界面

4.3 功能模塊操作界面

如圖3所示，點擊進入所選功能模塊后，可通過“學習”、“練習”和“考試”3種模式完成該模塊的演練培訓。界面左側以錄像的方式，向使用者介紹該模塊的標準化作業程序，使用者可通過反復觀看達到熟悉作業流程的目的。界面右側是對該模塊培訓內容的簡要說明。

圖3 功能模塊操作界面

4.4 練習模式

如圖4所示，使用者在練習模式下，可通過點擊界面下方的指示按鈕（燈泡）獲得有關當前操作的提示，界面還提供了視角切換按鈕，點擊它們可查看機車內部各個部位。在該模式下，使用者通過鼠標操作機車的各個部位，系統可真實的模擬實際的機車駕駛環境，從而達到機車駕駛程序練習的目的。

4.5 考試模式

如圖5所示，在考試模式下，界面不再提供操作提示，使用者只能在規定的時間范圍內按照練習掌握的操作步驟完成該模塊的標準化作業程序，點擊界面下方的“提交考試”（對號）按鈕后，系統給出考試結果。由于有時間限制，在時間結束后，即使使用者沒有點擊“提交考試”，系統也會自動結束考試并給出考試結果。

圖4 練習模式

圖5 考試模式

5 結束語

系統于2015年1月底完成研制并通過集成測試、用戶測試和試運行。項目試驗性地制作了1個運行區段的視景數據、1個型號的機車模型、5個標準化作業培訓模塊，并開發了集成的培訓演練平臺，系統采用純軟件的培訓模式，具有安裝成本低、可大批量安裝、單次培訓人員多、培訓方式靈活、擁有自主知識產權、便于修改完善等優點，可作為現有機車駕駛模擬操作臺的有效補充。

[1]黃恩興.電力機車模擬駕駛裝置視景仿真開發[D].成都：西南交通大學，2010.

[2]許麗斌.開發機車模擬仿真駕駛系統的探討[J].太原鐵道科技，2012 （3）：24-25，38.

[3]李驍宇，李開成，李玉蘭，等.列車司機駕駛仿真子系統的設計與實現[J].鐵路計算機應用 ，2014，23（7）：16-19.

責任編輯 陳 蓉

Locomotive Simulation Driving Training System based on virtual reality technology

LIU Guangwen
( Scientifc &Technological Research Institute,Hohhot Railway Administration,Hohhot 010051,China)

This paper introduced the development process and effect of the Locomotive Driving Simulation Training System based on virtual reality technology.Aimed at the general operation method and standard operation procedure of locomotive inspection for HXD3D electric locomotive,learning,practice and examination module were developed.Locomotive crew could do learning exercises repeatedly in a three-dimensional simulation driving environment by this System,and then could be familiar with the locomotive operation process and standardized operation procedures of locomotive inspection.

virtual reality;locomotive driving;HXD3D;simulation exercise

U268.4：TP391.6

A

1005-8451（2016）04-0055-03

2015-08-26

呼和浩特鐵路局重大課題項目（2014A001）。

劉廣文，工程師。