基于VR的鐵路軍用橋梁架設(shè)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴培基 ， 李海華， 劉國(guó)清， 楊慶洋 ， 程軼非

(1.陸軍軍事交通學(xué)院學(xué)員五大隊(duì)研究生隊(duì)，天津 300161;2.陸軍軍事交通學(xué)院聯(lián)合投送系，天津 300161)

鐵路軍用梁是為解決橋梁保障問(wèn)題而設(shè)計(jì)的臨時(shí)性鐵路橋梁，在平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)的國(guó)家交通建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。然而鐵路軍用梁構(gòu)件質(zhì)量大，架設(shè)訓(xùn)練搬運(yùn)困難，致使人工架設(shè)訓(xùn)練時(shí)組訓(xùn)難度大，所需經(jīng)費(fèi)成本高，效果難以預(yù)期；使用吊車和龍門(mén)架進(jìn)行拼組時(shí)，由于需要工程機(jī)械設(shè)備的協(xié)助，在操作過(guò)程中也存在諸多安全隱患。目前已研制出的軍用橋梁模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，其原理是利用圖片、3D模型對(duì)軍用橋梁進(jìn)行介紹和演示，其系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單，訓(xùn)練形式單一，難以滿足復(fù)雜條件下的實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練要求。近年來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，它在軍事、教育、醫(yī)療、工業(yè)制造、航天訓(xùn)練等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[1]。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以很好的解決目前架設(shè)訓(xùn)練中存在的問(wèn)題，為其拼組架設(shè)訓(xùn)練提供技術(shù)輔助手段。在此背景下，本文基于VR技術(shù)進(jìn)行鐵路軍用橋梁架設(shè)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以破解傳統(tǒng)實(shí)踐難題，為受訓(xùn)者提供逼真、安全的訓(xùn)練環(huán)境和可重復(fù)、低成本的訓(xùn)練手段，提高受訓(xùn)者實(shí)踐運(yùn)用和動(dòng)手操作能力。

1 VR技術(shù)介紹

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)，即VR技術(shù)，是一項(xiàng)綜合了計(jì)算機(jī)仿真、圖形學(xué)、圖像處理、人機(jī)交互、傳感與識(shí)別等多項(xiàng)技術(shù)的總稱。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)，可以提供給用戶真實(shí)自然的體驗(yàn)，包括聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)甚至嗅覺(jué)上的刺激。虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)建沉浸感(immersion)和交互性(interaction)[2]，沉浸感是指虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用先進(jìn)的視覺(jué)表現(xiàn)技術(shù)、力(觸)覺(jué)表現(xiàn)技術(shù)、嗅(味)覺(jué)表現(xiàn)技術(shù),為用戶構(gòu)建逼真的數(shù)字化環(huán)境，可以使人介于真實(shí)與虛擬世界中，產(chǎn)生近似真實(shí)的感知，完全沉浸在虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生的世界中[3]。交互性是指用戶和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之間的交互作用，VR強(qiáng)調(diào)人與虛擬環(huán)境之間的感知傳遞。VR技術(shù)通過(guò)捕捉人的手勢(shì)、姿勢(shì)、身體位置和轉(zhuǎn)向角度等，用戶可以對(duì)系統(tǒng)中的模型、場(chǎng)景等進(jìn)行操作，用戶體驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單的人機(jī)交互方式[4]。用戶與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之間的交互過(guò)程如圖1所示。

圖1 用戶與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互過(guò)程

模型建立是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，初步在計(jì)算機(jī)內(nèi)部建立和現(xiàn)實(shí)世界對(duì)應(yīng)的虛擬世界。硬件上基于激光干涉原理，采用三維成像掃描儀對(duì)物體進(jìn)行掃描。通過(guò)接觸式掃描或非接觸式主動(dòng)掃描的方式，創(chuàng)建物體表面的點(diǎn)云和材質(zhì)貼圖，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以讀取識(shí)別的3D數(shù)據(jù)格式保存，操作方便快捷。軟件上一般采取AutoCAD、3DS MAX等軟件進(jìn)行建模。無(wú)論采用何種方式，建立基礎(chǔ)信息和模型庫(kù)是一項(xiàng)基礎(chǔ)的需要長(zhǎng)期進(jìn)行的工作。

仿真引擎是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心，為實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景圖形的創(chuàng)建、結(jié)構(gòu)管理和繪制提供系列接口。采用主流游戲引擎套件Unity 3D進(jìn)行開(kāi)發(fā)，Unity 3D功能豐富操作簡(jiǎn)單，兼容性好且易于移植，有著較高的市場(chǎng)占有率。3DS MAX制作的模型文件，以.fbx格式可以直接導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D進(jìn)行編輯修改和渲染。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

綜合考慮該系統(tǒng)的使用對(duì)象、使用場(chǎng)景、使用目的，同時(shí)考慮現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，將VR技術(shù)作為系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，突出“安全、實(shí)用、高效”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用C/S三層架構(gòu)，C/S采取表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的架構(gòu)，具有良好的開(kāi)放性，易于擴(kuò)展和升級(jí)，克服了傳統(tǒng)兩層架構(gòu)的不宜擴(kuò)展、安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力、網(wǎng)絡(luò)通訊壓力大的缺點(diǎn)，并且安全性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。采取面向用戶的設(shè)計(jì)理念，具有友好的用戶交互界面和人機(jī)交互方式，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備交互渠道比傳統(tǒng)方式多，且內(nèi)部界面與傳統(tǒng)界面交互方式不同。比如，傳統(tǒng)交互采取鼠標(biāo)點(diǎn)擊的方式，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備通過(guò)獲取眼部動(dòng)作進(jìn)行點(diǎn)擊或移動(dòng)，因此需要增加提示性信息和引導(dǎo)說(shuō)明，易于用戶進(jìn)行操作和使用。

2.2 設(shè)計(jì)方案

訓(xùn)練人員使用頭盔式顯示器和力反饋數(shù)據(jù)手套，在系統(tǒng)搭建的虛擬場(chǎng)景中，協(xié)力拼組架設(shè)。受訓(xùn)人員可自行選擇人工、吊桿或吊車拼組的方式，拼組過(guò)程中系統(tǒng)將自動(dòng)校驗(yàn)人或吊機(jī)的最大承受力和其所分配的構(gòu)件的重量的大小，若所分配重量超過(guò)所設(shè)定的人或吊機(jī)的最大承受能力，則出現(xiàn)告警提示。受訓(xùn)人員根據(jù)架設(shè)步驟和人員分工，移動(dòng)拼組、穿打鋼銷、對(duì)位架設(shè)。架設(shè)完成后，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)所架設(shè)橋梁進(jìn)行“中-活載”條件下的強(qiáng)度仿真校驗(yàn)，對(duì)整個(gè)過(guò)程給出綜合評(píng)估打分結(jié)果。

2.3 技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)自下而上分為設(shè)施設(shè)備層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、中間支撐層、用戶應(yīng)用層4層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

設(shè)施設(shè)備層由模擬訓(xùn)練中用到的硬件設(shè)備組成，包括服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、高性能圖形工作站、數(shù)據(jù)手套、3D頭盔式顯示器、定位定向基站，為系統(tǒng)提供硬件支撐保障。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層由多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)組成，包括橋梁構(gòu)件尺寸重量材質(zhì)等基本信息數(shù)據(jù)庫(kù)、模型數(shù)據(jù)庫(kù)、訓(xùn)練場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)、訓(xùn)練評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)等。各數(shù)據(jù)庫(kù)之間數(shù)據(jù)獨(dú)立，采用必要的主外鍵關(guān)聯(lián)，為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

圖2 鐵路軍用橋梁架設(shè)訓(xùn)練模擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

中間支撐層基于虛擬軍事仿真平臺(tái)構(gòu)建，主要分為數(shù)據(jù)通訊模塊、三維仿真模塊、場(chǎng)景渲染模塊、訓(xùn)練評(píng)估模塊4個(gè)模塊，在提供數(shù)據(jù)通訊和交換保障的基礎(chǔ)上，為整個(gè)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)服務(wù)，是整個(gè)系統(tǒng)的底層支撐。

為用戶提供交互界面，將用戶的輸入信號(hào)傳遞給下層，將結(jié)果反饋給用戶。

2.4 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)以下6項(xiàng)功能：

(1)模擬訓(xùn)練。主要為受訓(xùn)人員提供“操作世界”，人員錄入本次操作個(gè)人信息，在開(kāi)始訓(xùn)練前的準(zhǔn)備階段，可以對(duì)力反饋手套的靈敏度和頭盔式顯示器分辨率、飽和度等進(jìn)行個(gè)人偏好設(shè)置。

(2)場(chǎng)景管理。設(shè)置“訓(xùn)練場(chǎng)地”中的水文、氣象、地形等周圍環(huán)境和訓(xùn)練背景，提供數(shù)種典型場(chǎng)景模板，也可以由管理員進(jìn)行編輯和修改。

(3)模型管理。管理數(shù)據(jù)庫(kù)中的構(gòu)件和其他零部件的模型，包括表面貼圖、材質(zhì)、尺寸、重量等信息的修改和更正，需要管理員操作權(quán)限。

(4)導(dǎo)調(diào)控制。由教員進(jìn)行控置，人為或系統(tǒng)隨機(jī)設(shè)置情況進(jìn)行導(dǎo)調(diào)。

(5)訓(xùn)練評(píng)估。根據(jù)系統(tǒng)的校驗(yàn)規(guī)則和指標(biāo)權(quán)重，主要為本次受訓(xùn)進(jìn)行打分評(píng)估，采取定性與定量相結(jié)合的方式進(jìn)行評(píng)判，提供記錄成績(jī)和打印成績(jī)單功能。

(6)用戶管理。主要提供用戶信息查詢、修改、增加、刪除功能，可以為不同類別的用戶設(shè)置不同的操作權(quán)限。

3 結(jié)束語(yǔ)

雖然全面應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)訓(xùn)練的局面目前還沒(méi)有形成，但是我們依然可以感受到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的巨大潛力和廣闊前景，本文為軍用鐵路橋梁拼組架設(shè)訓(xùn)練提出了技術(shù)方案，可以解決訓(xùn)練中的問(wèn)題短板、提升組訓(xùn)的水平和質(zhì)量，為提升軍用鐵路橋梁的保障能力奠定基礎(chǔ)。