基于VR技術(shù)的鐵路通信施工安全技術(shù)教程研制

郭永泉

安全教育培訓(xùn)在鐵路工程施工中是必不可少的一項(xiàng)施工交底內(nèi)容［1］,運(yùn)用VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)來輔助安全教育培訓(xùn),有助于提高交底效率,可在施工前更為深刻地理解施工過程中可能發(fā)生的某個(gè)事件［2］,使施工技術(shù)人員得到指導(dǎo),有預(yù)想地進(jìn)行工程準(zhǔn)備［3］,將現(xiàn)場實(shí)際情況具象化,強(qiáng)化施工安全意識(shí)。為此,本文結(jié)合大張客專通信專業(yè)施工與現(xiàn)場實(shí)際情況,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,制作適用于施工安全技術(shù)交底的VR培訓(xùn)教程,通過硬件（VR體驗(yàn)平臺(tái)）和軟件的結(jié)合,使施工人員有身臨其境的感覺,加強(qiáng)對(duì)技術(shù)規(guī)范內(nèi)容的理解。

1 教程設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

VR施工安全技術(shù)培訓(xùn)教程設(shè)計(jì)登錄界面,以及鐵塔設(shè)備安裝高處作業(yè)安全、既有線施工安全、通信室內(nèi)設(shè)備安裝與配線施工安全等3個(gè)場景,實(shí)現(xiàn)在沉浸式虛擬操作環(huán)境下,受訓(xùn)人員獨(dú)立完成施工安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化操作。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

1.2.1 刷新率與幀數(shù)

刷新率和幀數(shù)是影響虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的重要因素之一。刷新率與幀數(shù)低,則容易引起體驗(yàn)者眩暈感和不適感。本系統(tǒng)運(yùn)行幀數(shù)保持90幀以上,同時(shí)采用的頭戴式顯示器刷新率達(dá)到90 Hz,可保證本培訓(xùn)系統(tǒng)穩(wěn)定流程運(yùn)行。

1.2.2 頭顯分辨率

分辨率是影響沉浸感的重要因素之一,分辨率越高,畫面越清晰,越能使人產(chǎn)生身臨其境的感覺；分辨率越低,則屏幕越容易產(chǎn)生顆粒感,易破壞人員在虛擬環(huán)境中的沉浸感。受硬件技術(shù)限制,目前主流VR頭戴式顯示器分辨率為單眼1 080×200像素,組合分辨率為2 160×1 200像素。

1.2.3 場景復(fù)雜度

場景是指應(yīng)用中用戶所處的虛擬環(huán)境,包括環(huán)境中的光照、陰影、模型設(shè)備、自然景觀、角色人物等。

1）物品排布。虛擬物品與人在3～10 m范圍內(nèi),體驗(yàn)效果最佳。

2）模型頂點(diǎn)數(shù)。經(jīng)試驗(yàn),單個(gè)場景中模型的頂點(diǎn)數(shù)不超過50萬個(gè),可保證系統(tǒng)穩(wěn)定流暢運(yùn)行。

3）視場角（FOV）。交互信息保證在60°以內(nèi)顯示,可達(dá)到培訓(xùn)的良好效果。

1.3 虛擬場景

虛擬場景設(shè)計(jì)主要包括模型構(gòu)建要求、模型排布規(guī)范,以及對(duì)場景整體容納資源的限制。場景中建造的模型,在滿足當(dāng)前虛擬場景渲染效果的前提下,盡量刪減模型的頂點(diǎn)數(shù),對(duì)隱藏的模型面片也不進(jìn)行繪制處理,減少渲染運(yùn)算,提升系統(tǒng)效能［4］。虛擬場景中的設(shè)備模型以及其他物品皆圍繞觀察者進(jìn)行圓弧狀排布,排布層次突出重點(diǎn),滿足人眼觀察物體習(xí)慣,有效減弱視疲勞。一個(gè)虛擬場景在滿足功能需求的前提下,盡量減少多余資源的出現(xiàn),避免了加載場景過程中出現(xiàn)卡頓。

1.4 系統(tǒng)交互

受訓(xùn)人員首先進(jìn)入登錄界面場景,選擇3個(gè)體驗(yàn)場景之一；進(jìn)入體驗(yàn)場景后,通過手柄觸發(fā)互動(dòng)模擬展示；通過頭顯設(shè)備進(jìn)行場景流程展示,經(jīng)各個(gè)流程節(jié)點(diǎn)觸發(fā)操作,部件高亮和工藝點(diǎn)文字提示提升體驗(yàn)效果；通過發(fā)射射線或者直接觸碰虛擬部件的方式觸發(fā)互動(dòng),及時(shí)將觸發(fā)信息信號(hào)（如手柄振動(dòng)感等）反饋給受訓(xùn)人員,達(dá)到真實(shí)的體驗(yàn)感覺。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 開發(fā)及運(yùn)行環(huán)境

開發(fā)工具采用3D建模軟件、Unity3D引擎和Visual Studio編譯器。通過采集設(shè)備實(shí)景數(shù)據(jù),利用3D建模軟件對(duì)施工安裝環(huán)境等進(jìn)行三維模型的構(gòu)建；將建好的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D引擎中進(jìn)行相應(yīng)的配置；基于導(dǎo)入的模型和Unity3D引擎地形系統(tǒng)構(gòu)建虛擬操作環(huán)境；利用C#編程語言進(jìn)行各系統(tǒng)的邏輯編寫調(diào)試；最終發(fā)布在VR設(shè)備進(jìn)行培訓(xùn)。運(yùn)行環(huán)境是Steam及SteamVR。

2.2 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)硬件構(gòu)成見圖1,包括主機(jī)、VR套裝,滿足在虛擬環(huán)境中進(jìn)行單獨(dú)訓(xùn)練。

圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

根據(jù)需要培訓(xùn)系統(tǒng)也可由多臺(tái)高性能圖形工作站和多套VR套裝組成,以實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)培訓(xùn)。

1）高性能圖形處理器。主機(jī)配置有專業(yè)圖形處理顯卡、高性能CPU、32 GB運(yùn)行內(nèi)存。主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)虛擬環(huán)境的渲染以及核心運(yùn)算的處理,主機(jī)配置性能參數(shù)見表1。

表1 主機(jī)配置性能參數(shù)

2）VR套裝。包括頭戴式顯示器、激光定位器、無線操控手柄及相關(guān)配件,主要實(shí)現(xiàn)VR設(shè)備定位、虛擬環(huán)境顯示及虛擬交互等功能。VR設(shè)備性能參數(shù)見表2。

表2 VR設(shè)備性能參數(shù)

2.3 建模技術(shù)

依據(jù)現(xiàn)場采集的設(shè)備尺寸、影像等資料,使用3D建模工具對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行1∶1建模,同時(shí)在保證系統(tǒng)呈現(xiàn)效果的前提下,對(duì)模型的面數(shù)、定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化,達(dá)到性能和渲染效果的平衡,保證模型在虛擬環(huán)境中的表現(xiàn)效果,運(yùn)用貼圖、渲染和烘焙等技術(shù)手段使模型接近真實(shí)［5］。

為確保場景模型、設(shè)備模型的真實(shí)性,模型制作將采用次世代建模技術(shù),通過3D建模軟件對(duì)鐵路場景、通信信號(hào)設(shè)備、施工工藝點(diǎn)場景等進(jìn)行建模,采用繪圖軟件對(duì)照片數(shù)據(jù)進(jìn)行紋理提取,并進(jìn)行貼圖與模型烘焙渲染［6］。構(gòu)建完成后,將高保真模型導(dǎo)入VR開發(fā)引擎中進(jìn)行相應(yīng)配置。通過VR開發(fā)引擎讀取導(dǎo)出數(shù)據(jù),使每一個(gè)設(shè)備模型數(shù)據(jù)的面數(shù)減少到最低,以節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷；同時(shí)保證視覺效果的逼真度。為使本系統(tǒng)設(shè)備模型與場景環(huán)境更加逼真展示,使用基于物理渲染（PBR）技術(shù),采用光影烘焙技術(shù)對(duì)渲染效果升級(jí)優(yōu)化,應(yīng)用專業(yè)材質(zhì)優(yōu)化軟件,降低模型渲染帶給CPU、GPU的高負(fù)荷運(yùn)算量,從而解決由此帶來的幀率（FPS）下降,Draw Call升高等渲染性能問題。

本系統(tǒng)建模過程中采用Simplygon、Mesh Baker等對(duì)模型進(jìn)行減面優(yōu)化,采用多細(xì)節(jié)層次（LOD）、遮擋剔除（Occlusion Culling）等技術(shù),對(duì)模型進(jìn)行整體優(yōu)化。在各項(xiàng)技術(shù)支持下,最終保證受訓(xùn)人員在視覺上、交互上的高質(zhì)量、高流暢性體驗(yàn)。

2.4 系統(tǒng)交互

系統(tǒng)的交互方案基于steamVR插件提供的底層交互機(jī)制進(jìn)行構(gòu)建,同時(shí)綜合運(yùn)用Unity3D引擎內(nèi)置的功能組件,包括粒子系統(tǒng)、動(dòng)畫系統(tǒng)、燈光靜態(tài)烘焙、物理系統(tǒng),以及VRTK、DoTween等成熟的第三方插件,有效保證了系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。

2.5 整體優(yōu)化

系統(tǒng)開發(fā)中后期,利用Unity3D引擎內(nèi)置的Proflier性能分析工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化測試,從CPU、GPU以及內(nèi)存三大方面,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)優(yōu)化,保證系統(tǒng)發(fā)布之前各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)滿足性能要求。

系統(tǒng)場景開發(fā)中,利用異步加載方式,快速對(duì)功能場景進(jìn)行加載,保證軟件運(yùn)行的流暢度,提高代碼的執(zhí)行效率［7］。在登錄界面主場景和3個(gè)體驗(yàn)場景之間,利用主場景進(jìn)行銜接,避免出現(xiàn)加載后大量資源沒有被調(diào)用而導(dǎo)致場景材質(zhì)丟失的情況,保證系統(tǒng)運(yùn)行過程中用戶的體驗(yàn)。在整個(gè)調(diào)用過程中,完成快速指定路徑與資源規(guī)劃的功能,提高軟件的執(zhí)行速度,增加用戶在系統(tǒng)中的操作流暢度,減少系統(tǒng)的內(nèi)存占用。

3 功能實(shí)現(xiàn)

VR培訓(xùn)課程由通信鐵塔高處作業(yè)安全、既有線施工安全、通信機(jī)房設(shè)備安裝與配線安全3個(gè)場景構(gòu)成,采用手柄交互方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作,這種交互方式具有更接近人的自然交互特點(diǎn),讓受訓(xùn)人員快速掌握標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的操作要領(lǐng)。

3.1 通信鐵塔高處作業(yè)安全場景

該場景以通信鐵塔上安裝天饋線和視頻監(jiān)控設(shè)備的操作,結(jié)合施工安全注意事項(xiàng),實(shí)現(xiàn)通信鐵塔高處作業(yè)安全場景的模擬。天線吊裝場景見圖2。

圖2 天線吊裝場景

體驗(yàn)步驟：①定向天線、饋線、攝像機(jī)地面組裝；②施工人員在地面依次佩戴好安全帶、安全帽；③到達(dá)作業(yè)位置附近固定好安全帶；④在塔頂固定好滑輪,將大繩一頭放至地面；⑤地面輔助人員綁扎固定天線、饋線、攝像機(jī),并拉動(dòng)大繩；⑥利用滑輪將天線、饋線、攝像機(jī)上升至安裝位置,測量天線方位角、俯仰角及攝像機(jī)安裝角度；⑦在安裝位置將天線、饋線、攝像機(jī)固定好。未執(zhí)行完前道工序,無法開始下道工序的體驗(yàn)。

3.2 既有線施工安全場景

根據(jù)既有線鐵路施工安全的相關(guān)注意事項(xiàng)［8］,順序體驗(yàn)以下3個(gè)場景：①接觸網(wǎng)下不準(zhǔn)高舉施工物具,施工人員在路肩行走時(shí),所攜帶施工物料、機(jī)具要平行于鐵路,避免發(fā)生觸電事故,攜帶工具體驗(yàn)見圖3；②橫跨軌道時(shí),注意“一停、二看、三通過”［9］,施工人員所扛長大物件在路肩行走,必須與鐵路線平行,避免物件侵限與來車發(fā)生刮碰,行走體驗(yàn)見圖4；③嚴(yán)禁在既有線上行走看手機(jī),施工人員在既有鐵路線施工時(shí)、必須保持高度警惕,聽從現(xiàn)場防護(hù)員和安全員的指引行走,避免因注意力不集中,發(fā)生列車刮碰事件。未按要求進(jìn)行模擬操作,會(huì)觸發(fā)人身危險(xiǎn)體驗(yàn),手機(jī)使用體驗(yàn)見圖5。

圖3 攜帶工具體驗(yàn)

圖4 行走體驗(yàn)

圖5 手機(jī)使用體驗(yàn)

3.3 通信室內(nèi)設(shè)備安裝與配線安全場景

根據(jù)施工現(xiàn)場通信設(shè)備安裝、配線等工序,包括劃線鉆孔、固定底座機(jī)柜安裝、走線架安裝、線纜布放和配線成端等,展現(xiàn)通信機(jī)房設(shè)備安裝與配線安全及工藝提升相關(guān)要求［10］。

體驗(yàn)順序：①劃線鉆孔（圖6）,按照標(biāo)注擺放好設(shè)備底座,劃線定位打孔深度,手柄選擇電鉆并打孔；②固定底座,手柄選擇膨脹螺栓,放入4個(gè)孔內(nèi),將設(shè)備底座對(duì)地安裝孔套入膨脹螺栓,并固定緊固；③機(jī)柜安裝,通過手柄將機(jī)柜移放在支架上,將安裝孔與底座上的安裝孔對(duì)齊,安裝螺栓自上而下穿過安裝孔并緊固,用水平尺測量應(yīng)放在機(jī)柜正面、側(cè)面,水平尺的氣泡應(yīng)居中,安裝螺栓見圖7；④走線架安裝及施工要點(diǎn)（見圖8）；⑤線纜布放及施工要點(diǎn)；⑥配線成端及施工要點(diǎn)。未執(zhí)行完前道工序,無法開始下道工序的體驗(yàn)。

圖6 劃線鉆孔

圖7 安裝螺栓

圖8 走線架安裝

4 結(jié)束語

針對(duì)鐵路施工安全技術(shù)和工藝標(biāo)準(zhǔn),調(diào)研了現(xiàn)有培訓(xùn)模式及效果,研究通用性鐵路場景和專用工藝場景界面,搭建VR培訓(xùn)系統(tǒng)整體架構(gòu)、交互設(shè)計(jì)架構(gòu),研發(fā)完成施工安全技術(shù)、施工流程的過程展示應(yīng)用教程。截至目前,本系統(tǒng)已在大張、贛深、連徐、吉首等工程項(xiàng)目中投入使用,對(duì)施工安全流程、技術(shù)交底等提供了指導(dǎo)和操作依據(jù),取得了良好的效果。