基于VR的铁路军用桥梁架设模拟训练系统设计

戴培基 ， 李海华， 刘国清， 杨庆洋 ， 程轶非

(1.陆军军事交通学院学员五大队研究生队，天津 300161;2.陆军军事交通学院联合投送系，天津 300161)

铁路军用梁是为解决桥梁保障问题而设计的临时性铁路桥梁，在平时和战时的国家交通建设中发挥着重要作用。然而铁路军用梁构件质量大，架设训练搬运困难，致使人工架设训练时组训难度大，所需经费成本高，效果难以预期；使用吊车和龙门架进行拼组时，由于需要工程机械设备的协助，在操作过程中也存在诸多安全隐患。目前已研制出的军用桥梁模拟训练系统，其原理是利用图片、3D模型对军用桥梁进行介绍和演示，其系统功能简单，训练形式单一，难以满足复杂条件下的实战化训练要求。近年来，随着虚拟现实技术的快速发展，它在军事、教育、医疗、工业制造、航天训练等领域都有着广泛的应用[1]。利用虚拟现实技术，可以很好的解决目前架设训练中存在的问题，为其拼组架设训练提供技术辅助手段。在此背景下，本文基于VR技术进行铁路军用桥梁架设模拟训练系统设计，以破解传统实践难题，为受训者提供逼真、安全的训练环境和可重复、低成本的训练手段，提高受训者实践运用和动手操作能力。

1 VR技术介绍

虚拟现实(Virtual Reality)技术，即VR技术，是一项综合了计算机仿真、图形学、图像处理、人机交互、传感与识别等多项技术的总称。通过虚拟现实，可以提供给用户真实自然的体验，包括听觉、视觉、触觉甚至嗅觉上的刺激。虚拟现实创建沉浸感(immersion)和交互性(interaction)[2]，沉浸感是指虚拟现实技术利用先进的视觉表现技术、力(触)觉表现技术、嗅(味)觉表现技术,为用户构建逼真的数字化环境，可以使人介于真实与虚拟世界中，产生近似真实的感知，完全沉浸在虚拟现实产生的世界中[3]。交互性是指用户和虚拟现实系统之间的交互作用，VR强调人与虚拟环境之间的感知传递。VR技术通过捕捉人的手势、姿势、身体位置和转向角度等，用户可以对系统中的模型、场景等进行操作，用户体验远远超过传统的简单的人机交互方式[4]。用户与虚拟现实系统之间的交互过程如图1所示。

图1 用户与虚拟现实系统的交互过程

模型建立是虚拟现实系统的基础，初步在计算机内部建立和现实世界对应的虚拟世界。硬件上基于激光干涉原理，采用三维成像扫描仪对物体进行扫描。通过接触式扫描或非接触式主动扫描的方式，创建物体表面的点云和材质贴图，转换成计算机可以读取识别的3D数据格式保存，操作方便快捷。软件上一般采取AutoCAD、3DS MAX等软件进行建模。无论采用何种方式，建立基础信息和模型库是一项基础的需要长期进行的工作。

仿真引擎是虚拟现实系统的核心，为实现三维场景图形的创建、结构管理和绘制提供系列接口。采用主流游戏引擎套件Unity 3D进行开发，Unity 3D功能丰富操作简单，兼容性好且易于移植，有着较高的市场占有率。3DS MAX制作的模型文件，以.fbx格式可以直接导入Unity 3D进行编辑修改和渲染。

2 系统总体设计

2.1 设计原则

综合考虑该系统的使用对象、使用场景、使用目的，同时考虑现有系统的不足，将VR技术作为系统关键技术，突出“安全、实用、高效”的原则进行设计。系统采用C/S三层架构，C/S采取表示层、业务逻辑层和数据存储层的架构，具有良好的开放性，易于扩展和升级，克服了传统两层架构的不宜扩展、安装费时费力、网络通讯压力大的缺点，并且安全性也远远大于两层结构的设计。采取面向用户的设计理念，具有友好的用户交互界面和人机交互方式，虚拟现实设备交互渠道比传统方式多，且内部界面与传统界面交互方式不同。比如，传统交互采取鼠标点击的方式，虚拟现实设备通过获取眼部动作进行点击或移动，因此需要增加提示性信息和引导说明，易于用户进行操作和使用。

2.2 设计方案

训练人员使用头盔式显示器和力反馈数据手套，在系统搭建的虚拟场景中，协力拼组架设。受训人员可自行选择人工、吊杆或吊车拼组的方式，拼组过程中系统将自动校验人或吊机的最大承受力和其所分配的构件的重量的大小，若所分配重量超过所设定的人或吊机的最大承受能力，则出现告警提示。受训人员根据架设步骤和人员分工，移动拼组、穿打钢销、对位架设。架设完成后，系统自动对所架设桥梁进行“中-活载”条件下的强度仿真校验，对整个过程给出综合评估打分结果。

2.3 技术架构

系统自下而上分为设施设备层、基础数据层、中间支撑层、用户应用层4层结构，如图2所示。

设施设备层由模拟训练中用到的硬件设备组成，包括服务器、计算机、网络交换机、高性能图形工作站、数据手套、3D头盔式显示器、定位定向基站，为系统提供硬件支撑保障。

基础数据层由多个数据库组成，包括桥梁构件尺寸重量材质等基本信息数据库、模型数据库、训练场景数据库、训练评估数据库、用户信息数据库等。各数据库之间数据独立，采用必要的主外键关联，为系统提供基础数据支撑。

图2 铁路军用桥梁架设训练模拟仿真系统结构体系

中间支撑层基于虚拟军事仿真平台构建，主要分为数据通讯模块、三维仿真模块、场景渲染模块、训练评估模块4个模块，在提供数据通讯和交换保障的基础上，为整个系统提供基础服务，是整个系统的底层支撑。

为用户提供交互界面，将用户的输入信号传递给下层，将结果反馈给用户。

2.4 功能设计

系统主要设计以下6项功能：

(1)模拟训练。主要为受训人员提供“操作世界”，人员录入本次操作个人信息，在开始训练前的准备阶段，可以对力反馈手套的灵敏度和头盔式显示器分辨率、饱和度等进行个人偏好设置。

(2)场景管理。设置“训练场地”中的水文、气象、地形等周围环境和训练背景，提供数种典型场景模板，也可以由管理员进行编辑和修改。

(3)模型管理。管理数据库中的构件和其他零部件的模型，包括表面贴图、材质、尺寸、重量等信息的修改和更正，需要管理员操作权限。

(4)导调控制。由教员进行控置，人为或系统随机设置情况进行导调。

(5)训练评估。根据系统的校验规则和指标权重，主要为本次受训进行打分评估，采取定性与定量相结合的方式进行评判，提供记录成绩和打印成绩单功能。

(6)用户管理。主要提供用户信息查询、修改、增加、删除功能，可以为不同类别的用户设置不同的操作权限。

3 结束语

虽然全面应用虚拟现实技术训练的局面目前还没有形成，但是我们依然可以感受到虚拟现实技术的巨大潜力和广阔前景，本文为军用铁路桥梁拼组架设训练提出了技术方案，可以解决训练中的问题短板、提升组训的水平和质量，为提升军用铁路桥梁的保障能力奠定基础。