基于虛擬現實技術的鐵路電務施工仿真系統設計淺析

辛東紅

隨著鐵路電務施工技術要求和標準化程度的不斷提高，電務職工的施工技術水平也需隨之提高，建設實訓基地對電務職工進行技能培訓及考核成為鐵路施工單位的迫切需求。但是，全部基于現場實物的培訓基地需要較大場地，且需投入大量的人力、物力和財力；鐵路電務設備型號繁多、價格昂貴、使用復雜，很難在一個實物培訓基地采購多套完整的真實設備用于職工技能培訓、定級考核等作業；現有鐵路電務施工作業還存在人員培養周期長、施工圖紙不直觀，缺乏高效的培訓考核技術手段和設備等問題。因此，現階段無論是鐵路施工單位的電務施工專業培訓還是鐵路電務段的職工職業技能訓練，都需要一套安全、實用、高效、低耗的培訓系統。

虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）是一種可以創建和模擬各種環境的計算機仿真技術，利用計算機軟件生成一種模擬環境，通過具備多種傳感器的智能可穿戴設備向使用者提供視覺、聽覺、觸覺等多種現實世界中真實的感覺。本文提出一種基于虛擬現實技術的鐵路電務施工仿真系統解決方案。該系統參照鐵路信號工程項目施工標準，還原現場施工流程、施工要求、注意事項等電務專業施工要素，充分利用虛擬現實技術的表現形式［1］，通過逼真的沉浸式仿真環境調動起使用者的興趣，將整個施工流程和作業步驟在虛擬化場景中加以展示和演練；同時系統還設計了基于機器學習的智能化專家評估系統，對學員的操作做出評價及分析。

1 系統概述

系統硬件平臺基于高性能商用圖形工作站和Oculus VR頭盔系統，軟件開發基于Unity3D平臺，采用3Dmax建模工具，結合.NET框架程序設計［2，4］。系統設計便捷、可靠，并且支持跨平臺移植，可以方便地在移動終端使用，并在不同終端之間實現自由遷移。應用軟件由虛擬現實場景、教學認知、實操演練、智能考核4個模塊組成，后3個軟件模塊均基于第1個軟件模塊實現各自功能。系統組成框圖見圖1。

圖1 系統組成框圖

虛擬現實場景模塊是實現整個系統功能的載體，它與實際施工環境幾乎一致，能夠提供良好的沉浸式施工環境體驗；施工作業預案來自于現場施工單位，能夠提供最貼近電務施工現場專業崗位的演練內容［5-6］。基于典型施工場景，系統通過教學、演練、考核3條主線，實現整個鐵路電務施工過程的實訓。

教學認知模塊在虛擬環境中設計多媒體教學素材，使用者可以很直觀地了解信號系統施工環境、工具、流程及技術動作等。系統設計具有交互功能的3D課件，充分利用文本、圖形、三維影像、三維動畫和聲音等多種媒體表現形式，通過刺激學員的視覺和聽覺神經，調動起學員的學習積極性和主動性。

實操演練模塊以教師機為控制中樞，可以通過教師機設置并下發各種基于真實現場施工技術要求設計的預案，學員機可以通過本地控制軟件完成各自獨立的漫游和操作，也可以由教師機指定在組內實現角色扮演交互式演練，真正實現了網絡環境下的管理員與學員、學員與學員的互動。

智能考核模塊具備基于機器學習技術的電子化智能考核功能，可以實現實操及理論客觀題、主觀題的自動考核、自動評分，結果上傳至教師機統計并可打印輸出。題庫設計為開放式題庫，可以由使用教師自行編制試題。系統部分考核功能可以采用基于互聯網的B/S模式，使用者只要在移動終端或者計算機上使用瀏覽器，即可通過Web Server與服務器的數據庫進行數據交互。

2 功能設計

軟件采用模塊化設計，各模塊之間通過接口（協議）進行通信。本文僅對系統中使用較多新技術、設計相對復雜的功能模塊加以闡述。

2.1 虛擬現實場景模塊設計

根據鐵路施工單位崗位特點，設計實際操作考核場景，最終提取出信號施工工程六大場景，借助VR交互平臺工作站、OCULUS套裝，實現360度立體展示沉浸式交互體驗［4-5］。

1）信號路基場景，包含敷設電纜、方向電纜盒、終端電纜盒、信號機、鋼軌引接線、應答器、雙體防護罩等信號設備模型。

2）信號道岔場景，包含轉轍裝置、密貼檢查裝置、道岔融雪電氣柜、隔離變壓器、道岔跳線等信號設備模型。

3）信號橋梁場景，包含方向電纜盒、終端電纜盒、信號機、區間信號標志牌、鋼軌引接線、應答器、雙體防護罩等信號設備模型。

4）信號隧道場景，包含方向電纜盒、終端電纜盒、五位色燈信號機、鋼軌引接線、雙體防護罩、扼流變壓器等信號設備模型。

5）信號室內場景，包含電纜柜、綜合柜、防雷分線柜、移頻柜、接口柜、信號電源防雷箱、外電網檢測箱、電源屏、室內上下走線等信號室內設備模型，見圖2。

圖2 信號室內施工場景

6）標準中間站場景，包含完整中間站模型等。

虛擬場景制作技術是體現虛擬世界構建是否真實的重要手段。該系統所有模型通過多層紋理設計，將場景內的重要細節展示出來，然后通過法線的凹凸貼圖展示各個場景細節對于光線的反應，從而使整個場景更具立體感。在增加了多層紋理細節之后，整個畫面的細膩程度有了很大提升，并且在法線貼圖廣泛應用之后，整個畫面極具層次感。通過使用豐富的光照元素，使畫面能夠生動起來。

為了最大限度地還原施工現場，使用沉浸式體驗的表現方式是最佳途徑。系統采用基于Facebook系統的VR設備實現演練功能，可以使受訓人員快速融入到場景當中，切實體驗到訓練內容中的各處細節。系統采用基于Unity物理引擎編寫的第一人稱視角行動組件。Unity自帶的物理引擎可以比較完整地模擬虛擬場景中的宏觀物理運動，而電務施工大部分的應用場景都是宏觀物理力學可以表達的場景。為了實現全過程身臨其境的效果，在Unity中使用RotateView（）函數，可以實現攝像頭的自由轉動。該函數在3D場景中通過對主角實施作用力來實現主角的運動，使用該函數后整個人物控制器都是在3D的模擬力學環境中運動，從而能夠較好地完成行動慣性、彈跳等展示任務。使用基于上述技術開發的VR設備，整個環境對于受訓人員的感受都是真實可見并且一一對應的，因此他們在虛擬環境中可以快速對應到實際的施工場景，完成地理位置、材料安裝等方面的了解和實操［2，4］。

2.2 實操演練模塊設計

演練預案來自于真實建設單位和運營單位，提供最貼近當今現場專業崗位的演練內容，通過模擬實際的工作環境和工作流程，使用人員可以盡快熟悉環境以及各種工藝流程操作。預案包括但不限于以下內容：隧道地段軌道電路設備安裝、橋梁信號標志牌安裝、橋梁扼流變壓器安裝、橋梁地段電子設備安裝、路基地段電子設備安裝、進站口機械絕緣節處設備安裝、軌枕側面補償電容安裝、護輪軌處跳線焊接、應答器螺栓安裝及配件組裝、轉轍機安裝等。預案實操界面示例見圖3。

圖3 預案實操界面示例

系統通過配置文件定義預案，精準還原實際施工現場場景及工藝流程。演練模式下選擇預案后，學員根據數據庫中預制的步驟完成預案，系統具備專家提示功能，對于不熟悉的流程，也可以根據提示輕松完成預案，實現學習目標。

系統采用動態任務觸發和多攝像機技術實現交互式演練功能，教師與學員的互動是實訓演練中的重要環節，互動可以輔助學員更好地理解實訓的要點，通過互動式的交流可以建立一一對應的施工場景的操作需求，將自己快速融入到虛擬世界中的團隊當中。

“動態任務”是指任務的觸發并不依賴于虛擬軟件中的固定事件，而是依靠軟件的相互通信，根據用戶的需求快速建立起來的任務模式。傳統的基于任務模式的角色扮演類軟件設計一般采用固定觸發式任務架構，隨著劇情的發展，根據用戶的操作觸發相應的任務。這種架構在單一用戶的運行模式下可以有效地解決實時性的問題，然而在多用戶狀態下，數據同步會造成很大的麻煩。為了協調多用戶系統下任務實時觸發的問題，系統使用了動態任務觸發架構，其軟件設計類圖見圖4。動態任務觸發構架中的觸發器，不是一個具體事件，而是一組可配置的事件集合。當一個任務的所有分支條件都滿足時，自動觸發任務中的下一個步驟。例如，在任務開始前收集足夠的工具和材料，在任務進行中使用對應的工具完成相應步驟，且當前步驟的所有工具、材料、操作都正確時，自動進行任務中的下一個步驟。

圖4 動態任務觸發軟件設計類圖

一項完整的施工演練任務定義為主線任務（MainLineMission），由多個基于不同操作步驟的子任務（SubLineMission）組成，每個子任務下還可分多個子任務（例如不同的工具使用）。在任務步驟的IMission接口中包含Complete事件，當滿足條件后觸發Complete事件，上一級任務響應該子任務的Complete事件，來判斷自身任務是否完成，這樣在避免輪詢的情況下可以根據事件觸發來決定是否已經完成全部任務。同時，主線任務中提供了添加子任務的方法，可以在程序運行中動態添加支線子任務。

系統采用Unity中自帶的多攝像機技術解決目標設備與攝像機之間存在遮擋的問題，在不降低顯卡運算效率的前提下打開多個攝像機，將被遮擋的目標分配給能看見目標并與其距離最近的攝像機，可以保證目標的透析度，使用戶對于虛擬場景有全方位的認識。在第一人稱視角模式下，大場景的熟悉往往需要花費大量的時間，因為使用者只能通過模擬自己的行動速度來穿越整張地圖。而利用小地圖技術，用戶只需要通過快速觀察自己的人物在小地圖中間所處的位置，就可以完成用戶腦海當中的角色快速定位，這對于電務施工培訓過程中人員對于虛擬訓練場景的快速熟悉具有很大的幫助。

2.3 智能考核模塊設計

為了評測學員的培訓掌握情況，系統設計了基于機器學習技術的自動化考核功能，分為專業知識考核和預案考核2類。

專業知識考核采用B/S模式，學員通過瀏覽器進入自己的個人主頁，可通過在線考試頁卡選擇對應的專業知識考核。整個流程借助網絡通信技術和數據庫技術，既能方便在線學習與考核，又能擁有強大的題庫且易于編輯擴充，教師只需要在服務器端編輯或更新基于規定模板的題庫，即可實現全網試題的更新和升級。同時，試卷采用既有套組還是自動隨機生成可由教師機進行設置，如果選擇隨機生成，則系統基于機器學習的原理自動根據學員歷史操作生成不同難度試卷。

預案考核以教師機為中心，對于學員的操作過程，系統使用了基于機器學習技術的決策樹ID3算法來分析預測其適合的考核標準。決策樹通常被用來解決分類問題，通過一系列規則可對數據進行分類，它一般呈現為類似于流程圖的樹狀結構，提供一種在一定條件下得到某些值的類似規則方法。決策樹中的每個非葉子節點上的特征是根據不同分類算法特征選擇標準，在所有特征之間相互比較獲得，從根節點出發，順著分支到達葉子節點，葉子節點是決策出的結果。每一條路徑即為一條分類規則，決策樹中的所有這些規則組合在一起就構成了分類器，用來進行預測［10］。決策樹計算復雜度不高，便于使用，可處理具有不相關特征的數據，能夠很容易地構造出易于理解的規則。系統基于決策樹的案例考核模塊設計見圖5。

圖5 基于決策樹的案例考核模塊設計

系統將所有學員在實操演練模塊中的操作記錄在數據庫中，使用決策樹ID3算法能夠根據登錄者在實操演練模塊中表現出的操作習慣及錯誤概率，自動調整評判標準和考核預案選擇提示，便于智能化區分初級、中級、高級學員的考核難度，無需更換題庫及評判標準，即可得出準確的測試結果。智能考核模塊軟件流程見圖6。

圖6 智能考核模塊軟件流程

針對學員的每個預案考核結果，根據正確數、錯誤數，計算正確率、錯誤率，同時按預案名稱分組，計算每個預案所有學員的平均分，并以圖表的形式反饋到教員，便能清晰地知道每個學員對具體預案的掌握情況，以及學員知識點的掌握程度。智能考核結果分析見圖7。

圖7 智能考核結果分析

3 結束語

基于虛擬現實技術的電務施工仿真系統在中鐵十二局和部分鐵路院校實際應用，并取得良好效果。該系統改變了目前國內電務施工單位作業演練的培訓方法，硬件投資小，以逼真的形式、完善的錯誤操作模型庫，通過虛擬沉浸式場景最大限度地模擬鐵路電務施工作業現場，對使用者有強大的吸引力，能夠最大限度地調動使用者的學習興趣和積極性。

通過模擬真實鐵路電務工作環境和工作流程，使施工人員熟悉作業環境，演練各種作業環節，有助于解決不可視、不可摸、不可入、危險性場所等施工演練方面的問題，同時可以解決員工培訓設備不足、設備型號及技術參數落后等問題，從而提高施工作業仿真和演練的技術水平。