混合現實技術在軌道交通信號與控制的應用＊

黃聰

（柳州鐵道職業技術學院，廣西柳州 545616）

0.引言

近年來，我國軌道交通行業得到了蓬勃發展，列車控制與運輸指揮等各種鐵路產品均發生了改變，鐵路運營里程明顯增加，運營速度也隨之提升，同時對鐵路建設效率和信號設備能夠安全平穩運行提出了更高的要求。在當代軌道交通技術中充分融合混合現實技術，通過對主要環節進行虛擬仿真，借助有關技術實現虛實結合，使工作效率與質量得到大幅提升，有效節省維護成本，同時又能確保某些工作環節具備一定的安全性。

1.簡述混合現實技術

1.1 混合現實技術的概念

混合現實技術全稱是Mediated Reality，簡稱為MR，包括了增強現實跟增強虛擬，是被“智能硬件之父”多倫多大學教授Steve Mann所提出的介導現實進而演化而來的。混合現實技術實際上是增強現實技術進一步發展，同時也是虛擬現實技術的一種延伸，它借助計算機圖形技術及可視化技術可生成現實中不存在的虛擬對象，而后再利用傳感技術可把此虛擬對象疊加至真實環境當中來，如此一來虛擬對象跟真實環境就是實時出現在同一空間中，而用戶在現實設備的幫助下，便可觀看到與體驗到十分充滿真實感的新環境[1]。

1.2 混合現實技術的特點

首先，它把現實世界跟虛擬世界結合在一起，其次，能夠實時交互運行，即用戶可以跟虛擬世界和現實世界展開實時自然化的交互，最后，它可對三維虛擬模型加以匹配，即把虛擬世界跟現實世界展開精準對齊。

一般而言，AR（增強現實技術）選用的都是可視化技術，在現實環境下經過相機自定位可直接將虛擬信息或場面疊加在畫面中，但并未詳細融合邏輯坐標；而MR在對一個或多個物體開展定位追蹤的基礎上，有效的把現場物體跟虛擬場景相融合到了一起，呈現出來的是更具真實性、充滿虛實結合特色的畫面及場景。通常來說，一個MR系統包含有4個構成要素，它們分別是虛擬場景生成單元、頭部跟蹤裝置、穿透式頭盔顯示器及交互設備。這4部分在各自的“崗位”上“各司其職”，其中虛擬場景生成單元主要用在虛擬環境的管理、模擬及搭建上；頭部跟蹤裝置主要用來跟蹤用戶視線；穿透式頭盔顯示器則用來將真實場景環境跟虛擬環境信息相融合起來；而交互設備主要是用來輸出、輸入多種感官數據[2]。

2.城市軌道交通信號與控制

目前，城市軌道交通信號系統所起到的作用日益增長，選擇與現場情況相符的一種城市軌道交通信號系統控制形式，將有利于城市軌道交通更好的發揮出自身作用。隨著技術的更新與發展，信號系統工作效率得到了顯著提升，在信號系統作用下，城市軌道交通安全運行的能力得到了一定程度的提高，做好城市軌道交通信號系統維護工作，從基本運營逐步延伸，有效確保信號系統精準傳輸信息，加強運行過程中防控系統外部風險的能力，才有助于軌道交通信號系統運行的更加高效、可靠。在軌道交通信號控制中，十分有必要把內部調控跟外部信號防護相結合在一起，并有針對性地處理特定問題，例如，應如何運用混合現實技術進行設備運維檢修，如何實現用戶培訓遠程協作，怎樣做好有關的新產品設計與仿真，如何發揮其遠程輔助檢查功能。特別是在運營環節。就信號控制方式上，我們不僅要做好風險的防控工作，還要盡可能選用新型技術融入到軌道交通信號中來，有效促使城市軌道交通行業發展更加長遠安全。

3.混合現實技術在軌道交通信號與控制中的應用

3.1 用于設備運維檢修

在技術不斷發展、物聯網技術不斷進步的基礎上，軌道交通信號自動化監測水平越來越高，尤其是無人駕駛線路運用的設備信息化及智能化程度十分高，所以在對交通信號進行維護時，工作現場需很多具備專業維修技能的維修人才可以對故障涉筆展開及時維護。也就是說這高度依賴具備極強專業技能且可以及時作出響應的工作人員。通常來說，設備故障的維修都是由第三方專業服務商和設備制造廠商所負責的，當維修人員到達后，他們會根據維修指導手冊及自身經驗展開維修。而一旦遇到相對復雜的故障，或者是無法確定的故障點時，他們就不得不倚靠技術專業的遠程指導或是邀請他們到現場進行維修。所以排障及維修方法很難得到有效傳承，且設備維修不僅耗費時間，還耗費一定的精力。

而融合了MR技術的設備檢修指導系統，可通過MR設備HoloLens實時向我們顯示具體的維修方案。現場維修工作者穿戴HoloLens以后，可以更加直觀地看到虛擬設備具體模型、維修技術操作動畫文字及相關的提示語音。借助HoloLens內外部攝像頭和語音設備，可以及時對維修者的操作視線和手法進行跟蹤與識別，并完成人機交互。通過對接集中監控系統，可實時取得信號反饋等數據，經過客觀分析有關參數數據跟以往故障案例相對比，估算出故障點有關信息，并把這些特征傳送至HoloLens中，現場維修者通過匹配故障特征，可迅速判斷出是否為常見故障，若是則可直接調出解決方案，并根據具體方案展開維修，而如果此故障無法識別，那么維修者則可以迅速聯系專家進行遠程在線指導，把現場實時畫面跟數據信息同步發送給專家客戶端，由他們遠程指導故障排修工作。由此可見這種設備檢修知道系統不僅可以有效提升現場維修工作者的技術水平，還能使維修流程及效率得到顯著提升，這是一種設備維修新模式，更有利于維護交通信號與控制的安全性及平穩性。

3.2 用戶培訓遠程協作

目前，軌道交通現場信號安裝及用戶培訓都面臨著同一個挑戰：軌道交通信號遍及全國，安裝及培訓環節至關重要，而符合安裝與培訓技能的人才都需要較長時間培養才行，且傳統出差模式無論是對生產成本還是對工作效率方面都產生了不小的影響。而我們在現場安裝調試中有效引入MR技術，恰好有助于讓那些具備相關技能的人才徹底擺脫傳統出差帶來的疲勞感。把遠程通信跟MR技術充分融合，創建一個虛擬仿真系統，借助增強現實顯示設備，可以實現共享設備模型和設備配線圖等信息，遠程模擬并演示安裝過程，對現場工作人員實現仿真培訓工作。借助多通道人機交互技術，能夠讓異地、多人及時參與到安裝調試中來，培訓內容具備極強交互性，通過實時交流和實物仿真操作可以做到遠程培訓完美融合，進而省去大量因為工作人員頻繁奔波而帶來的成本，大大減少了安裝調試和維修等工作周期，沖破了地域、文字及語音培訓缺乏直觀性等的束縛，同時將混合現實技術應用在其中還能極大提高現場工作人員的技術水平，從而提升其工作效率，為軌道交通行業蓬勃發展提供一臂之力[3]。此外，還需要對產品使用的用戶，運營人員等進行培訓，有效規避使用中出現的問題及風險，提高應對突發事件的處理能力。

3.3 軌道交通信號有關的新產品設計與仿真

在設計與交通信號控制有關的新產品時，我們也可以充分應用混合現實系統，即預先創建一整套新產品系統或某一部分，而后通過立體投影技術，設計者可親自步入到系統內部中，并感受、分析設計的產品架構是否為科學、合理的，是否達到了人性化使用要求，而后再根據具體情況及時調整或更改設計方案，不僅有效減少了設計變更時間及周期，而且還大大節省了設計所需的成本。

3.4 遠程輔助檢查功能

混合實現技術還可以用于遠程輔助檢查功能。作為一種高效的輔助工具，該功能除了包括專家遠程輔助故障處理外，還可以在設備安裝調試階段，遠程對以對設備的外觀，裝配情況等內容進行輔助檢查，從而提高現場工程人員的準確率。此外，還可以應用到運營階段的定期維護檢查中，在遠程環境中熟悉各個部件及裝配的過程，進而提高相關人員的設備裝配能力，通過該技術輔助維護人員對設備進行維護指導。

4.結語

跟國外相較來說，我國MR技術不管是在應用推廣還是在硬件的開發研究上，還存在著一定的差距，特別是在軌道交通信號與控制的應用方面，我國尚處于摸索時期。盡管MR技術的應用前景領域十分廣闊，但它在應用過程中依然會受到經濟投入、軟硬件開發等方面的約束。相信在各項技術發展日趨成熟、探究力度越來越大的今后，混合現實技術會對軌道交通信號與控制方面造成極為長遠影響。