25G 型AC380V 空调客车干线绝缘故障处理VR 实训系统的应用研究

许广强 中国铁路上海局集团有限公司合肥车辆段

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一项综合集成技术,涉及计算机图形学、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术以及人工智能等领域。通过多种传感设备，用户可以根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察与操作，参与其中的事件，同时提供视、听、触觉等直观而又自然的实时感知，并使参与者“沉浸”于模拟环境之中。虚拟现实为人们对复杂场景进行可视化操作提供了新的途径。用户可以利用构建好的虚拟现实环境，将自己置身其中，探索和体验由于客观现实的限制而不能直接体验的事物。虚拟现实技术主要应用于各种仿真模拟系统，例如航天实验室、虚拟驾驶、工程设计、房屋装修、医疗培训、军事演习等。虚拟现实技术在铁路行业主要应用在实作技能培训方面，例如机车驾驶、接发列车、信号控制等，用于客车车辆检修培训还处于起步阶段。

1 项目背景

客车车辆检修是一项实操性非常强的技术能力，培养一名技能高超的职工既要有车辆构造、系统原理、检修技术等理论知识体系培训，又要有拆卸、组装、故障处置等实操技能训练，因此无论采用什么样的培训方式，这两种类型的培训内容是缺一不可的。但是不同的培训方式，在培训效果、效率、成本等方面差别较大。客车车辆检修理论知识培训主要采用PPT、音视频影像的形式，配合题库练习、理论考试的方式对规章、工艺、作业指导书进行学习。实作技能培训采用建立实训基地，通过模型、报废车辆来进行演练。这样的传统培训方式存在如下问题：

（1）规章、工艺、作业指导书及题库等文本型资料比较枯燥，而对于生产一线的职工来说，接受度很低，学习培训效果较差。大部分职工基本依靠死记硬背的方式来学习，缺乏对实物感官的想象空间。PPT、音视频影像等资料直观性、兴趣性较好，比文本型资料的培训效果要好一些，但PPT 主要以图文方式，对维修过程连续性的展现并不具备优势，而音视频影像等通常只能录制外观等表面现象，对客车车辆部件内部结构的展现不够精细。

（2）实作技能培训通常利用现车、报废车辆、实训基地实训设施来进行实作训练。利用现车培训受场地、车型、生产运输及天气因素的限制，每次训练的人数有限，部分作业环节有危险，新职工缺乏实作经验，可能造成人身伤害、实作训练还会消耗大量的工具、配件和物料，成本较高。随着客车车辆新车型、新装备、新技术更新速度加快，很多新车型还没到报废年限，没有可以用于新技术实作训练的报废车辆；建立实训基地，配备大型的车辆部件成本较高而且占用场地空间大，通过模型只能对外观结构进行了解，无法反复实作练习。

（3）传统“传、帮、带”的师带徒实作技能培养方式由于受师父个人技术能力的差异及时间精力的限制，不可能实现多次重复讲解演示，带徒数量有限，而且即使是优秀的技术骨干，也不可能方方面面都精通，也会存在能力短板和不擅长的部分，因此培养出来的徒弟技能水平也是参差不齐。

而基于虚拟现实技术的客车车辆检修实训系统具有多角度立体展现车辆内外结构、动态模拟拆装过程、高度还原现实场景，能够集成优秀专家的经验，培训内容统一、占用场地空间小、受训人数多、不受时间及天气限制、可反复实作练习、新车型更新及时、操作安全、无工件辅材损耗等优点。因此结合当前主流的虚拟现实技术和设备，根据实际现状和需求制定了一个铁路客车VR 实训系统的整体方案，并从25G型AC 380 V 空调客车干线绝缘故障处理VR 实训系统开始进行试点研制，以期通过系统的建设，提高培训效率，降低培训成本，促进客车车辆检修人员整体技能水平的提升。

2 研究目标

引入VR 技术，充分利用多媒体、传感器、人机交互、三维建模等技术，通过定位器、VR 头盔、VR 手柄等设备，结合客车车辆库检作业实际，建立基于真实场景和检修规程的铁路客车车辆检修实训系统。通过系统化、直观化的理论讲解，规范化、标准化的作业过程演示，沉浸式、交互型的实操演练，随机性、远程化的自测考评，再现铁路客车干线绝缘检测和故障处理的作业过程，实现客车车辆段对25G 型AC 380 V空调客车干线绝缘故障处理的人员实作培训。提高客车车辆检修人员的技术能力和作业水平，保证客车车辆检修质量，实现客车运用安全。

3 关键技术

3.1 三维建模技术

主要通过3ds MAX 工具对车辆及相关场景进行数字建模，然后在VR 开发软件平台内对模型进一步优化，并在材质、贴图、光影关系、骨骼动画等方面进行一系列处理，生成车辆内外部结构的虚拟场景。系统显示采用国际通行的720p标准；画面尺寸：1280×720；画幅比例：16：9；帧率：25 帧/秒。

3.2 人机交互技术

虚拟现实要求人机交互能够让操作者能在虚拟空间(virtual environment，VE) 逼真的感受到真实世界一样的视觉、听觉、触觉等感官反馈。VE 空间的浸入体验，让学员能够体会到操作真实客车车辆带来的感官感受。系统应用目前世界最先进的HTC Vive 系统作为终端平台，将传感手套、触觉和力反馈装置、头盔式显示器、3D 声音生成器等应用到客车车辆检修培训系统中，增加学员的沉浸感。该系统还能实现多人通过投屏观看操作人员在场景内的实际操作流程。

4 系统性能及功能概述

（1）系统符合客车车辆段《25G 型AC 380 V 空调客车电力连接座绝缘不良故障处理作业指导书》作业流程要求。

施蛰存（1905年12月3日-2003年11月19日）中国现代著名作家、文学翻译家、学者，华东师范大学中文系教授。原名施青萍，笔名青萍、安华、薛蕙等。施蛰存是中国新感觉派小说的代表作家，以心理描写见长。

（2）系统以一列18 辆25G 型AC 380 V 空调客车客车为整体框架（见图1），模拟库检作业检测空调客车干线绝缘不良状态，按作业指导书流程对可能存在的故障项点进行排查。

图1 整体框架

（3）系统涵盖作业前准备、相关检查检测、排查故障车辆、查找故障点、故障处理及安装修复等功能环节。

作业前准备：

①按规定穿戴劳动保护用品，带好常用作业工具，作业前使用对讲机联系确认插设防护信号（见图2、图3）。

图2 穿戴劳动保护用品

图3 确认防护信号

②检查绝缘表校验不过期，进行开、短路试验，核对环境湿度（见图 4、图 5）。

图4 绝缘表校验

图5 温湿度校验

检测绝缘，排查并处理故障过程：

①确认发电车柴油机组停机，DC24V/48V 已断电（见图6、图 7）。

图6 柴油机组停机

图7 确认断电

②进行车体Ⅰ、Ⅱ路干线绝缘检测：打开车列首（尾）部车辆车端电力插座防护盖，用绝缘表依次检测线间（U-V、VW、U-W）、线对地间绝缘（U-N、V-N、W-N）（见图 8）。

图8 干线绝缘检测

③将绝缘不良的一侧车辆与发电车连接的电力连接线摘除分离，按照1/2 分段查找的方法找到故障车辆（见图9）。

图9 排查故障车辆

④将绝缘不良的干线分线盒打开，使用套筒扳手将分线盒内的三相干线及N 线接线柱螺母拆下，使用绝缘表分别检测一、二位端三相干线与N 线间绝缘，使用套筒扳手将一位端上、下电力连接座螺栓拆下，检查判断出故障点并处理故障（见图 10、图 11）。

图10 查找故障点

图11 处理故障

故障处理结果确认并恢复车辆连挂：使用绝缘表检测一位端三相干线与N 线间绝缘良好，分别安装恢复二路干线分线盒配线及一位端上、下电力连接座。恢复结束再次检测确认三相干线与N 线间绝缘良好后，依次将电力连接线分离的全部连挂恢复并确认良好（见图12）。

图12 恢复连挂

5 应用情况

系统运行稳定，操作简便，效果逼真，可解决传统培训方式存在的时空受限、培训人次受限、物料消耗多、故障类型单一等问题，实现培训内容的标准化、多样化和考核内容的随机性，提升培训质量和效果。主要体现在以下几个方面：

（1）节约培训成本。培训场地小，可节约大量实训基地占地面积及实训场馆建设费用。

（2）培训过程安全环保。通过软件系统学习和演练可避免新学员因为误操作而引发的人身伤害事故，可避免因天气或其他原因导致无法进行培训教学；

（3）提升教学质量。采用课堂现场计算机组合，既增加了趣味性，又使教学过程具有立体感、真实感，学员接受度高，且培训故障可随机生成，学习多样性、新颖性强。

6 结论

25G 型AC 380 V 空调客车干线绝缘故障处理VR 实训系统场景逼真、动画流畅、功能合理、操作简便、沉浸感强，仿真教学与实际作业可完美契合，不仅创新了培训形式，提高了培训效果，同时也具有良好的推广应用价值，对于旅客列车检修作业人员培训的创新发展具有重要意义。