鐵路貨車事故虛擬演練系統的設計與實現

杜 彪，唐 兆，李春林，劉瑞軍，宋冬利

（1. 神華鐵路貨車運輸有限責任公司 榆林車輛維修分公司，榆林 719000；2. 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

近年來，我國鐵路交通事故10 億 km 死亡率和死亡人數均呈現下降趨勢，主要原因在于我國鐵路技術高速發展，鐵路部門創新設備檢測、維修和養護手段，充分發揮安全激勵約束機制，使得由于技術問題等導致的交通事故數量極少發生。

現在事故發生的主要原因是人為行為和自然災害等。有數據分析表明，大約90%的鐵路運輸事故與人的不安全行為有關，人的不安全行為是導致事故發生的關鍵因素。近年來，鐵路貨車危險品事故原因分析顯示，67% 的事故也是由人的原因造成的[2-3]。因此，為了進一步降低鐵路事故發生率，減少鐵路事故傷亡人數，提高鐵路車輛行車安全性，有必要對鐵路員工和相關人員進行系統的培訓，尤其是鐵路車輛檢修人員、鐵路周邊作業人員、和司機，行車人員等，從而提高相關工作人員的總體素質和操作技能，減少由人為原因造成的鐵路事故的發生。

為了對進行相關人員有效的培訓，鐵路領域開發了多款培訓教育軟件系統。如上海鐵路局早在2005 年就開發了《上海鐵路局行車事故快速救援處置預案應用系統》[4]，近年來國家鐵路局安全技術中心和北京交通大學也聯合開發了《鐵路事故現場數字化建模及動態仿真分析系統》對事故現場進行建模和仿真分析，用于事故演練和培訓學習[5]。此外，還有一些高校和鐵路機構聯合進行了相關的研究和開發工作[6-12]。

現有系統多基于單一PC 終端實現，隨著移動通信和虛擬現實技術的發展，移動學習和具有沉浸感的體驗式學習已經成為演練培訓系統的主要發展方向。因此，結合沉浸式虛擬現實技術(VR)，研發了一套多種終端鐵路貨車事故演練系統，該系統由知識學習、事故模擬和考試系統等主要模塊組成。本文詳述了系統的架構、開發路線和關鍵人機交互方式的實現過程。

1 系統主要模塊與技術路線

多終端鐵路貨車事故虛擬現實演練系統設計主要包括3 大模塊：知識學習、事故模擬和考試系統，其主要技術路線和軟件主界面，如圖1 所示。

1.1 知識學習模塊

知識學習模塊主要由3 部分組成，分別為理論知識學習、試題庫學習和常見危險源介紹。（1）理論知識學習主要包含工廠安全安規條例、事故應急處置作業指導、安全細則等內容，以Word 和PDF 文本的形式展示。（2）試題庫學習主要通過連接海量題庫學習，題庫內容主要為根據理論知識學習中的條例設計的選擇題、判斷題以及填空題。（3）常見危險源介紹通過圖文演示和動態演示的方式展示鐵路貨車車間作業中常見的危險源。

通過以趣味性、易于學習吸收的方式展現應該學習的內容，建立安全防護相關的知識學習系統，以此來提高職工的學習效率，增強記憶效果。

規劃合適的學習流程，讓職工在學習的過程中循序漸進，層層積累，最終學會所有的相應規范。該模塊主要包括2 部分的工作：(1)大量收集與調研鐵路安全防護規范及操作注意事項相關資料，整理成文，形成系統的知識；(2)通過圖文演示與動畫演示的方式對員工進行培訓與指導，以有趣的學習方式展示相關內容，提高職工學習的效率和積極性，加深職工對于所學內容的印象。

1.2 事故模擬模塊

事故模擬模塊為系統的核心，在事故模擬模塊中，主要利用三維可視化技術和沉浸式虛擬現實技術（VR）還原事故現場、模擬事故過程。通過VR 技術，職工可以身臨其境的學習與掌握各種事故處理的流程、方法以及注意事項[13]。（1）操作者在虛擬場景中通過虛擬交互設備進行學習，頭顯設備展現三維虛擬場景，其中在虛擬場景中通過物理引擎進行仿真以達到現實世界的物理現象，同時添加一些動畫與特效，共同實現三維立體視覺；（2）在進行虛擬場景制作同時進行相應聲音的設計，通過逼真的聲音特效達到高保真聽覺與真實感；（3）在手柄設計中，基于手柄已有的特性開發具有力反饋的效果，使操作者具有很好的觸覺感受；（4）為了增強虛擬世界的真實性，在腿部添加2 個輔助追蹤器，進行更高精度的追蹤，從而實現更佳的虛擬體驗。

系統良好的交互性能與舒適的操作體驗，可以使員工自由進入檢修的關鍵位置，使用各種工具、零件與場景、配件進行實時交互，提高事故處理效率，保護職工的人身安全以及增加職工對于相應事故的處理經驗。通過對事故過程的還原，情景的再現，加深職工對于事故的印象，通過在虛擬場景中的實際操作，熟悉預防事故的基本事項，正確操作。

1.3 考試系統模塊

在考試系統模塊中，主要包括理論測試與互動測試2 大部分，（1）理論測試部分由常識、題庫、圖片與音頻組成，可以進行題量、類型的智能個性化生成，以滿足不同水平考試的需求；（2）互動測試主要由VR 測試、危險源識別以及嚴肅游戲等組成，進行有機組合多角度考查員工。理論測試加強職工對基礎知識的掌握，互動測試與VR 考試共同提高職工的實際動手能力。綜合，兩者結合可以全面評價職工水平以及強化職工的相關知識與技能。

通過多終端鐵路貨車事故分析智能演練系統3個模塊相互作用，職工可循序漸進的系統學習相關理論知識。通過可穿戴設備提供的身臨其境的體驗，引導職工按照規范的步驟處理突發事件，使職工積累相應事故的處理經驗。另外，該系統采取多終端模式進行設計，為職工提供了多種方式（App、Web、桌面應用程序）進行相互補充學習，提高學習的效率。

2 事故系統設計與實現

為了提高受訓者的體驗度和學習意愿，我們設計了一個具有多個終端的演練系統，如圖2 所示。

2.1 手機端App實現

手機App 的開發主要基于Android 系統進行。開發工具使用已經比較成熟的AndroidStudio，開發語言采用Java[13]。可以進行簡易的VR 場景瀏覽，沒有頭顯設備所需要的復雜準備與操作，員工可以在自己的手機上安裝簡易VR 版App，放入Google cardboard 盒子中進行體驗。

2.2 桌面端應用程序實現

桌面應用程序采用Unity 3D 軟件開發。Unity 3D 可以比較方便地進行VR 方面的開發、可穿戴設備定制開發與設計以及便于場景的快速且真實的渲染。為實現職工通過VR 穿戴設備進行事故處置演練，通過Maya 建立相應的模型，導入Unity 3D 中，在Unity 3D 進行完成VR 可穿戴設備與各種工具及零配件模型的實時交互設計，實現貨車事故虛擬現實演練[14]。

2.3 Web端應用程序實現

Web 端應用程序主要基于PHP 的CakePHP 開源框架，可快速靈活地進行項目開發，設計有賬戶登錄、考試、學習與后臺記錄等功能，主要負責系統理論學習與考試部分，方便職工隨時隨地的學習與考試。

3 人機交互關鍵技術

人機交互直接關系到受訓者的用戶體驗，從而影響受訓者學習主動性和培訓效果，為了提高系統人機交互友好度，我們提出了一些新的人機交互方式。

3.1 受訓者在虛擬場景中自然的大范圍移動技術

現有的移動方式包括：空間位置的瞬移和觸控鍵的控制移動。空間位置瞬移的方式可有效地減少移動造成的眩暈感，但無法模擬工作人員在行走時的工作狀態，例如人員巡檢等。觸控鍵的控制移動方式由于人員并未真實的移動而造成嚴重的眩暈感，降低了VR 的沉浸感。

本系統提供了一種更加友好的工作人員大范圍移動解決方案。在本系統中，相比傳統的VR 設備，新增兩個腿部跟蹤設備，該設備通過實時捕捉定位操作人員小腿的動作，將腿部位移實時轉換為操作人員在虛擬場景中的位置移動，同時根據兩個手柄控制器的方向確定身體的方向，將身體的方向作為虛擬場景中位置移動的方向。該方法融合了現有的兩種方式的優點，克服了大范圍移動引起的眩暈感。

腿部綁定定位器實現人物自然行走和移動原理，具體原理，如圖3 所示。

其中人物在虛擬場景中移動速度v和移動方向s的確定如下：

—左手手柄的單位方向向量（矢量）；

—右手手柄的單位方向向量（矢量）；

P1—追蹤器前一幀的三維坐標（是指場景渲染的前一幀，計算機顯示是一幀一幀渲染的）；

P2—追蹤器當前幀的三維坐標；

Δs—人物在真實世界兩幀之間腿的揮動距離（標量）；

—映射在虛擬場景中的人物在兩幀之間的位移向量（矢量）；

v此處求得人物的移動標量速度；將左右手柄單位方向向量之和作為人物移動的方向，即2 個向量的夾角。

空間定位器通過發射紅外光實時捕捉綁在操作人員小腿上的位置追蹤器和握在手中的控制手柄在空間中的運動。追蹤器將操作人員在空間中腿部的運動（包括抬腿和收腿）映射為虛擬場景中的移動。我們使用UnityVR 插件SteamVR 開發追蹤器，調用其提供的API，API 會自動采集追蹤器任意幀的空間位置，根據追蹤器傳感器前后兩幀的位置差，就可以根據式（1）計算出人物在虛擬空間中的移動距離，追蹤器將求得的距離映射為人物在空間中的位移；根據兩個手柄在空間中的方向，如圖3 所示，即可根據式（2）計算出人物在虛擬空間中的移動方向。

3.2 事件自動觸發的智能彈窗設

該方法提供一種在演練時根據演練事件的發生自動獲得相應的提示。具體實現方法，如圖4 所示。

系統主要使用Unity3D 軟件進行開發，腳本語言選擇C#，創建腳本，定義EventType 類，用于存放事件碼。將在事故模擬模塊中已經做好的所有案例都放入該類，每個案例對應一個事件碼；定義CallBack 類，封裝系統所使用到的委托，通過委托可以把方法當做參數傳遞；定義EventCenter 類，在其中定義一個字典來存放委托和事件碼，定義方法實現添加監聽，移除監聽以及廣播監聽的功能。

該方法在演練系統中設計事件監聽器和事件分發器，當事故發生以后，廣播事件碼，事件監聽器就會接收響應，進而觸發事件觸發器。事件觸發器在接收到響應后，就會主動向事件庫進行查找，根據事件碼判斷該事件是否是事件庫中存在的案例事件，如果是則交由事件分發器處理，不是則拋棄。找出對應的事故事件，確認事件類型，發送到事件分發器。事件分發器根據事故情況到彈窗庫進行查詢，根據事件類型或危險源自動彈窗。

其中，向導式學習流程設計是通過一步一步圖標或文字引導使操作者完成相應的事故處理；場景位置綁定的智能彈窗設計即通過識別場景中操作者所發生的事件進行觸發相應的彈窗內容，以達到更加智能的引導學習效果，例如在火災事故場景，基于操作者所到達的空間位置進行相應的彈窗引導；事件自動觸發的彈窗設計即通過智能檢索事故發生的類型然后彈出相應的引導內容，在火災中，智能識別場景中火災的類型并進行相應的彈窗，通過三者混合設計使操作者學習更加智能和高效。

4 結束語

本文設計和實現了一套多終端鐵路貨車事故虛擬現實演練系統，并對系統的可用性和易用性進行了詳細評估，主要結論如下：

（1）系統采用多終端設計模式，包括桌面端、移動端、VR 端和移動VR 端的多終端鐵路事故演練系統是鐵路事故演練和培訓的發展趨勢，各個終端能夠在培訓和演練過程中實現優勢互補，各個終端的協同配合可大大提高系統的易用性，具有推廣應用價值。

（2）系統實現了一種新的腿部綁定位置跟蹤器實現演練人員在場景中的自然行走和大范圍移動方案，降低了演練人員長時間佩戴頭盔的眩暈感。同時，為了增加演練人員的學習效率，提出了一種事件自動觸發的智能彈窗設計。