關于高速鐵路K5B型計算機聯鎖真模擬演練培訓系統的設計與研究

張 贏

（呼和浩特鐵路局科學技術研究所 內蒙古呼和浩特 010052）

關于高速鐵路K5B型計算機聯鎖真模擬演練培訓系統的設計與研究

張 贏

（呼和浩特鐵路局科學技術研究所 內蒙古呼和浩特 010052）

本文是通過運用3D Studio Max軟件，實現高速鐵路K5B型計算機聯鎖系統三維建模，運用VRP交互虛擬技術制作實現虛擬現實場景，介紹了K5B型計算機聯鎖仿真模擬培訓系統開發的基本過程。本系統通過對K5B型計算機聯鎖系統標準化檢修操作的模擬仿真，為鐵路電務系統以及高等職業技術學院的學習與教學，提供了一個具有高度真實感的現場作業過程，是一種比較實用的培訓、學習、教學的系統。

三維仿真 3D Studio Max VRP K5B

1 引言

三維模擬仿真技術，或稱虛擬仿真技術。是指利用計算機技術生成的一個逼真的，具有視、聽、觸、味等多種感知的虛擬環境，用戶可以通過其自然技能使用各種傳感設備同虛擬環境中的實體相互作用的一種技術。得益于現代計算機技術的高速發展，三維仿真技術的應用領域愈加廣泛，無論是教育、科研、醫療、制造、娛樂，這種技術都憑借其真實、可觀、可塑性強展現出它強大的優勢。本文提出一種高速鐵路K5B型計算機聯鎖系統模擬仿真系統，真實的展示了K5B型計算機聯鎖系統標準化檢修操作過程。可以有效降低鐵路企業電務工作人員培訓的成本消耗，同時降低電務系統學習過程中誤操作帶了的風險。

在眾多基于三維模型的虛擬渲染引擎的，VR-Platform（簡稱VRP）是由我國中視典公司開發的制作三維虛擬現實的軟件，可運行在大多數平臺之上，跨平臺性能強，適用性強、操作簡單、功能強大、高度可視化、真正實現了所見即所得[1]。

國內目前針對鐵路K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統相關研究已取得了不少成果，并將其轉化成產品投入使用，應用效果良好。市場上現有各種針對鐵路系統研發設計的三維仿真模擬系統，盡管系統在設計界面和操作方式、方法上存在差異，但基本的原理與設計思路都是一致的。這類仿真模擬系統，雖然有效的解決了新入職電務工作人員的培訓，但是并沒有完全解決電務工作人員對實際現場環境的檢修培訓，而且價格較高，安裝過程復雜，耗時長。對鐵路局來說是一個較大的經濟負擔。

2 高速鐵路K5B型計算機聯鎖系統的設計

高速鐵路K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統利用3D Studio Max軟件建立三維模型，通過運用VRP交互虛擬技術制作來實現操作人員對K5B型計算機聯鎖系統的標準化檢修作業的學習、練習以及考試。

高速鐵路K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統中以我局察素齊車站為場景構建一個三維仿真模擬的大場景，其中察素齊車站主要模型包括信號樓、車站候車室、站臺、鐵道線路以及車站周圍建筑，信號樓中的機械室與運轉室是該系統的最主要部分，其中機械室中的模型主要包括DS6-K5B型計算機聯鎖系統所含設備為原型，即：監控機柜、聯鎖機柜、電源機柜。由于系統中模型數量龐大，種類眾多，整個場景的制作有一定的難度。

3 高速鐵路K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統開發的基本過程

高速鐵路K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統開發設計流程如圖1所示：

圖1 高速鐵路K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統開發設計流程圖

從以上流程不難看出，高速鐵路K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統的制作主要分為DS6-K5B型計算機聯鎖系統所含設備和其所在場景的三維建模及在VRP中漫游功能的實現。

3.1 高速鐵路K5B型計算機聯鎖系統和所在場景的三維建模

3.1.1 素材采集與資料收集

根據DS6-K5B型計算機聯鎖系統所含設備和其所在場景的實際情況，我們對監控機柜、聯鎖機柜、電源機柜、運轉室、機械室以及所在車站進行了素材的采集，并通過相關業務部門收集到了該設備檢修標準化操作資料。利用谷歌地圖截圖和現場實際采集的素材為大場景的定位提供了精確的依據。采集素材中的高清照片為三維建模中的制作貼圖提供了最基礎的資料。

3.1.2 高速鐵路K5B型計算機聯鎖系統三維模型的建立

三維建模階段是高速鐵路K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統制作流程中的關鍵階段之一，本階段必須完成系統中所有模型的建立（包括監控機柜、聯鎖機柜、電源機柜、運轉室、機械室以及察素齊車站）。設備機柜三維模型如圖2所示。

監控機柜中相關設備的三維模型如圖3所示：

圖2 機柜三維模型

圖3 監控機柜三維模型

聯鎖機柜中相關設備的三維模型如圖4所示：

電源機柜中相關設備的三維模型如圖5所示：

圖5 電源機柜中設備三維模型

察素齊車站站場整體三維模型，如圖6所示：

圖6 察素齊站場三維模型

在3DsMAX中建出能將圖片合適貼上的模型，將處理好的圖片通過材質球貼到模型對應的位置上。全部模型建成后，經過調整和優化場景，打上主光源和輔光源，制作完成所需動畫，進行烘焙、測試以及修改后導入到VR-Platform虛擬現實平臺軟件中進行下一階段功能的編輯。

3.2 高速鐵路K5B型計算機聯鎖系統的功能實現

本系統利用VR-Platform虛擬現實平臺軟件實現漫游功能。在VRP編輯器中，利用界面編輯功能對導入的系統進行界面的設計，實現所需的實時漫游和人機交互功能后打包生成可獨立執行Exe文件，最后將制作完成的Exe文件集成到高速鐵路K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統平臺中（可以用Flash制作界面）對應的位置點擊后調用運行。

3.2.1 VRP編輯器

目前基于三維模型的實時場景驅動工具種類繁多，比如說VR-Platform（簡稱VRP）、Unity3D、Virtools、Quest3D等商業化軟件。其中VRP是由我國中視典公司開發的具有自主知識產權的一款三維虛擬現實平臺軟件，采用全中文界面，學習制作虛擬軟件的人極易上手。除此之外，VRP采用了可視化的編輯界面，通過簡單的語句對程序模塊進行搭建實現了復雜的交互功能，避免了其他三維虛擬現實軟件重復繁瑣的編程。

3.2.2 漫游功能設計

漫游系統具備的首要功能就是漫游，在虛擬現實仿真中，漫游主要有兩種方式：自主漫游和固定路徑漫游。

（1）自主漫游自主漫游的自由度較高，用戶可以根據自己的意愿，在虛擬場景中實現全方位多角度實時漫游。本系統通過設置幾個不同視角的繞物旋轉相機，完成設備檢修維護時切換視角的功能，實現了自主漫游功能。

（2）固定路徑漫游

固定路徑漫游是在自主漫游的基礎上實現的。在場景的測試狀態下，進入定點相機視角，錄制相機的漫游路線，保存到動畫相機列表中，只要回放或調整播放順序即可實現各種不同效果的固定路徑漫游[2]。或者在3DMAX中制作好固定路徑的剛體動畫，導入VRP中，在控件按鈕的腳本中寫入播放這個剛體動畫的命令，實現在這個固定路徑中漫游的功能。

4 三維模型與VRP交互編譯

4.1 功能設計與制作過程

在充分采納現場工作人員的意見后，最終確定完成K5B計算機聯鎖設備的檢修的學習、練習和考試功能，其主要制作過程如下：

（1）根據業務需求設計虛擬現實程序互動腳本。

圖7 K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統平臺主界面

（2）將前期制作的三維模型以及大場景模型導入到VRP編輯器中。

（3）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。

（4）利用VRP編輯器打包生成可獨立運行的可執行文件。

（5）將制作完成的培訓模塊集成到K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統平臺中。

4.2 VRP的編譯

（1）K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統平臺，如圖7所示。

（2）K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統平臺中，標準化檢修作業功能模塊所包括的五個最常見的檢修作業模塊，如圖8所示。

圖8 K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統平臺功能模塊選擇界面

（3）聯鎖子系統維護作業模塊中的學習模式具體操作，如圖9所示。

圖9 聯鎖子系統維護學習模式操作界面

（4）聯鎖子系統維護作業模塊中的練習模式具體操作，如圖10所示。

圖10 聯鎖子系統維護練習模式操作界面

（5）聯鎖子系統維護作業模塊中的考試模式具體操作，如圖11所示。

圖11 聯鎖子系統維護考試模式操作界面

5 結語

本文主要對基于3D Studio Max與VRP的相結合，構建一個虛擬場景與實現進行了研究，總結了K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統開發過程和技術，該系統實現了場景較為復雜檢修操作過程，可以較好地培養電務作業人員學習安全操作規程和應急處理能力。當然，本文用于檢修操作僅限于鼠標、鍵盤，今后將在這一方面繼續完善，力求操作者在設備檢修維護中有更真實可信的體驗。本三維仿真模擬系統的開發，作為提高電務檢修維護人員操作技能、保證運輸安全的重要工具，受到越來越多的鐵路部門所青睞，而且市場上從事該系統開發的其它公司屈指可數，因此由我局獨立研發擁有完全自主知識產權的K5B型計算機聯鎖仿真模擬系統意義重大，既可節約采購成本，又可豐富培訓資源，其研究成果的推廣也將帶來良好的社會和經濟效益。

[1]涂智明,許海波,許劍東,李珊,郭晗.基于3DMax和VRP的虛擬吊車仿真系統[J].武漢冶金管理干部學院學報,2014,(3)

[2]劉艷霞.虛擬現實技術在機車模擬駕駛訓練系統的應用[J].鐵路計算機應用,2016,(10)

Design and Research of the 3D Simulation Technology of the K5B Computer Interlocking Simulation Training System for High-speed Railway

ZHANG Ying
(Science and Technology Institute of Hohhot Railway Bureau Hohhot 010052 China)

The 3D modeling of the K5B Computer Interlocking System for high-speed railway was achieved by using the 3D Studio Max software and the virtual reality scene was realized through the use of the VRP interactive virtual technology. This paper introduces the development process of the K5B type computer interlocking simulation training system. This system is a kind of practical training, learning, and teaching system through the simulation of the standardized maintenance operation of the K5B type computer interlocking system and provides a highly realistic field operation process for the railway telecommunication and signaling department and for the learning and teaching of higher vocational colleges.

Three-dimensional simulation 3D Studio Max VRP K5B

A

1673-1816(2017)03-00016-06

2016-06-18

張贏（1982-），男，內蒙古呼倫貝爾人，工程師，碩士。