基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统设计浅析

辛东红

随着铁路电务施工技术要求和标准化程度的不断提高，电务职工的施工技术水平也需随之提高，建设实训基地对电务职工进行技能培训及考核成为铁路施工单位的迫切需求。但是，全部基于现场实物的培训基地需要较大场地，且需投入大量的人力、物力和财力；铁路电务设备型号繁多、价格昂贵、使用复杂，很难在一个实物培训基地采购多套完整的真实设备用于职工技能培训、定级考核等作业；现有铁路电务施工作业还存在人员培养周期长、施工图纸不直观，缺乏高效的培训考核技术手段和设备等问题。因此，现阶段无论是铁路施工单位的电务施工专业培训还是铁路电务段的职工职业技能训练，都需要一套安全、实用、高效、低耗的培训系统。

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是一种可以创建和模拟各种环境的计算机仿真技术，利用计算机软件生成一种模拟环境，通过具备多种传感器的智能可穿戴设备向使用者提供视觉、听觉、触觉等多种现实世界中真实的感觉。本文提出一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统解决方案。该系统参照铁路信号工程项目施工标准，还原现场施工流程、施工要求、注意事项等电务专业施工要素，充分利用虚拟现实技术的表现形式［1］，通过逼真的沉浸式仿真环境调动起使用者的兴趣，将整个施工流程和作业步骤在虚拟化场景中加以展示和演练；同时系统还设计了基于机器学习的智能化专家评估系统，对学员的操作做出评价及分析。

1 系统概述

系统硬件平台基于高性能商用图形工作站和Oculus VR头盔系统，软件开发基于Unity3D平台，采用3Dmax建模工具，结合.NET框架程序设计［2，4］。系统设计便捷、可靠，并且支持跨平台移植，可以方便地在移动终端使用，并在不同终端之间实现自由迁移。应用软件由虚拟现实场景、教学认知、实操演练、智能考核4个模块组成，后3个软件模块均基于第1个软件模块实现各自功能。系统组成框图见图1。

图1 系统组成框图

虚拟现实场景模块是实现整个系统功能的载体，它与实际施工环境几乎一致，能够提供良好的沉浸式施工环境体验；施工作业预案来自于现场施工单位，能够提供最贴近电务施工现场专业岗位的演练内容［5-6］。基于典型施工场景，系统通过教学、演练、考核3条主线，实现整个铁路电务施工过程的实训。

教学认知模块在虚拟环境中设计多媒体教学素材，使用者可以很直观地了解信号系统施工环境、工具、流程及技术动作等。系统设计具有交互功能的3D课件，充分利用文本、图形、三维影像、三维动画和声音等多种媒体表现形式，通过刺激学员的视觉和听觉神经，调动起学员的学习积极性和主动性。

实操演练模块以教师机为控制中枢，可以通过教师机设置并下发各种基于真实现场施工技术要求设计的预案，学员机可以通过本地控制软件完成各自独立的漫游和操作，也可以由教师机指定在组内实现角色扮演交互式演练，真正实现了网络环境下的管理员与学员、学员与学员的互动。

智能考核模块具备基于机器学习技术的电子化智能考核功能，可以实现实操及理论客观题、主观题的自动考核、自动评分，结果上传至教师机统计并可打印输出。题库设计为开放式题库，可以由使用教师自行编制试题。系统部分考核功能可以采用基于互联网的B/S模式，使用者只要在移动终端或者计算机上使用浏览器，即可通过Web Server与服务器的数据库进行数据交互。

2 功能设计

软件采用模块化设计，各模块之间通过接口（协议）进行通信。本文仅对系统中使用较多新技术、设计相对复杂的功能模块加以阐述。

2.1 虚拟现实场景模块设计

根据铁路施工单位岗位特点，设计实际操作考核场景，最终提取出信号施工工程六大场景，借助VR交互平台工作站、OCULUS套装，实现360度立体展示沉浸式交互体验［4-5］。

1）信号路基场景，包含敷设电缆、方向电缆盒、终端电缆盒、信号机、钢轨引接线、应答器、双体防护罩等信号设备模型。

2）信号道岔场景，包含转辙装置、密贴检查装置、道岔融雪电气柜、隔离变压器、道岔跳线等信号设备模型。

3）信号桥梁场景，包含方向电缆盒、终端电缆盒、信号机、区间信号标志牌、钢轨引接线、应答器、双体防护罩等信号设备模型。

4）信号隧道场景，包含方向电缆盒、终端电缆盒、五位色灯信号机、钢轨引接线、双体防护罩、扼流变压器等信号设备模型。

5）信号室内场景，包含电缆柜、综合柜、防雷分线柜、移频柜、接口柜、信号电源防雷箱、外电网检测箱、电源屏、室内上下走线等信号室内设备模型，见图2。

图2 信号室内施工场景

6）标准中间站场景，包含完整中间站模型等。

虚拟场景制作技术是体现虚拟世界构建是否真实的重要手段。该系统所有模型通过多层纹理设计，将场景内的重要细节展示出来，然后通过法线的凹凸贴图展示各个场景细节对于光线的反应，从而使整个场景更具立体感。在增加了多层纹理细节之后，整个画面的细腻程度有了很大提升，并且在法线贴图广泛应用之后，整个画面极具层次感。通过使用丰富的光照元素，使画面能够生动起来。

为了最大限度地还原施工现场，使用沉浸式体验的表现方式是最佳途径。系统采用基于Facebook系统的VR设备实现演练功能，可以使受训人员快速融入到场景当中，切实体验到训练内容中的各处细节。系统采用基于Unity物理引擎编写的第一人称视角行动组件。Unity自带的物理引擎可以比较完整地模拟虚拟场景中的宏观物理运动，而电务施工大部分的应用场景都是宏观物理力学可以表达的场景。为了实现全过程身临其境的效果，在Unity中使用RotateView（）函数，可以实现摄像头的自由转动。该函数在3D场景中通过对主角实施作用力来实现主角的运动，使用该函数后整个人物控制器都是在3D的模拟力学环境中运动，从而能够较好地完成行动惯性、弹跳等展示任务。使用基于上述技术开发的VR设备，整个环境对于受训人员的感受都是真实可见并且一一对应的，因此他们在虚拟环境中可以快速对应到实际的施工场景，完成地理位置、材料安装等方面的了解和实操［2，4］。

2.2 实操演练模块设计

演练预案来自于真实建设单位和运营单位，提供最贴近当今现场专业岗位的演练内容，通过模拟实际的工作环境和工作流程，使用人员可以尽快熟悉环境以及各种工艺流程操作。预案包括但不限于以下内容：隧道地段轨道电路设备安装、桥梁信号标志牌安装、桥梁扼流变压器安装、桥梁地段电子设备安装、路基地段电子设备安装、进站口机械绝缘节处设备安装、轨枕侧面补偿电容安装、护轮轨处跳线焊接、应答器螺栓安装及配件组装、转辙机安装等。预案实操界面示例见图3。

图3 预案实操界面示例

系统通过配置文件定义预案，精准还原实际施工现场场景及工艺流程。演练模式下选择预案后，学员根据数据库中预制的步骤完成预案，系统具备专家提示功能，对于不熟悉的流程，也可以根据提示轻松完成预案，实现学习目标。

系统采用动态任务触发和多摄像机技术实现交互式演练功能，教师与学员的互动是实训演练中的重要环节，互动可以辅助学员更好地理解实训的要点，通过互动式的交流可以建立一一对应的施工场景的操作需求，将自己快速融入到虚拟世界中的团队当中。

“动态任务”是指任务的触发并不依赖于虚拟软件中的固定事件，而是依靠软件的相互通信，根据用户的需求快速建立起来的任务模式。传统的基于任务模式的角色扮演类软件设计一般采用固定触发式任务架构，随着剧情的发展，根据用户的操作触发相应的任务。这种架构在单一用户的运行模式下可以有效地解决实时性的问题，然而在多用户状态下，数据同步会造成很大的麻烦。为了协调多用户系统下任务实时触发的问题，系统使用了动态任务触发架构，其软件设计类图见图4。动态任务触发构架中的触发器，不是一个具体事件，而是一组可配置的事件集合。当一个任务的所有分支条件都满足时，自动触发任务中的下一个步骤。例如，在任务开始前收集足够的工具和材料，在任务进行中使用对应的工具完成相应步骤，且当前步骤的所有工具、材料、操作都正确时，自动进行任务中的下一个步骤。

图4 动态任务触发软件设计类图

一项完整的施工演练任务定义为主线任务（MainLineMission），由多个基于不同操作步骤的子任务（SubLineMission）组成，每个子任务下还可分多个子任务（例如不同的工具使用）。在任务步骤的IMission接口中包含Complete事件，当满足条件后触发Complete事件，上一级任务响应该子任务的Complete事件，来判断自身任务是否完成，这样在避免轮询的情况下可以根据事件触发来决定是否已经完成全部任务。同时，主线任务中提供了添加子任务的方法，可以在程序运行中动态添加支线子任务。

系统采用Unity中自带的多摄像机技术解决目标设备与摄像机之间存在遮挡的问题，在不降低显卡运算效率的前提下打开多个摄像机，将被遮挡的目标分配给能看见目标并与其距离最近的摄像机，可以保证目标的透析度，使用户对于虚拟场景有全方位的认识。在第一人称视角模式下，大场景的熟悉往往需要花费大量的时间，因为使用者只能通过模拟自己的行动速度来穿越整张地图。而利用小地图技术，用户只需要通过快速观察自己的人物在小地图中间所处的位置，就可以完成用户脑海当中的角色快速定位，这对于电务施工培训过程中人员对于虚拟训练场景的快速熟悉具有很大的帮助。

2.3 智能考核模块设计

为了评测学员的培训掌握情况，系统设计了基于机器学习技术的自动化考核功能，分为专业知识考核和预案考核2类。

专业知识考核采用B/S模式，学员通过浏览器进入自己的个人主页，可通过在线考试页卡选择对应的专业知识考核。整个流程借助网络通信技术和数据库技术，既能方便在线学习与考核，又能拥有强大的题库且易于编辑扩充，教师只需要在服务器端编辑或更新基于规定模板的题库，即可实现全网试题的更新和升级。同时，试卷采用既有套组还是自动随机生成可由教师机进行设置，如果选择随机生成，则系统基于机器学习的原理自动根据学员历史操作生成不同难度试卷。

预案考核以教师机为中心，对于学员的操作过程，系统使用了基于机器学习技术的决策树ID3算法来分析预测其适合的考核标准。决策树通常被用来解决分类问题，通过一系列规则可对数据进行分类，它一般呈现为类似于流程图的树状结构，提供一种在一定条件下得到某些值的类似规则方法。决策树中的每个非叶子节点上的特征是根据不同分类算法特征选择标准，在所有特征之间相互比较获得，从根节点出发，顺着分支到达叶子节点，叶子节点是决策出的结果。每一条路径即为一条分类规则，决策树中的所有这些规则组合在一起就构成了分类器，用来进行预测［10］。决策树计算复杂度不高，便于使用，可处理具有不相关特征的数据，能够很容易地构造出易于理解的规则。系统基于决策树的案例考核模块设计见图5。

图5 基于决策树的案例考核模块设计

系统将所有学员在实操演练模块中的操作记录在数据库中，使用决策树ID3算法能够根据登录者在实操演练模块中表现出的操作习惯及错误概率，自动调整评判标准和考核预案选择提示，便于智能化区分初级、中级、高级学员的考核难度，无需更换题库及评判标准，即可得出准确的测试结果。智能考核模块软件流程见图6。

图6 智能考核模块软件流程

针对学员的每个预案考核结果，根据正确数、错误数，计算正确率、错误率，同时按预案名称分组，计算每个预案所有学员的平均分，并以图表的形式反馈到教员，便能清晰地知道每个学员对具体预案的掌握情况，以及学员知识点的掌握程度。智能考核结果分析见图7。

图7 智能考核结果分析

3 结束语

基于虚拟现实技术的电务施工仿真系统在中铁十二局和部分铁路院校实际应用，并取得良好效果。该系统改变了目前国内电务施工单位作业演练的培训方法，硬件投资小，以逼真的形式、完善的错误操作模型库，通过虚拟沉浸式场景最大限度地模拟铁路电务施工作业现场，对使用者有强大的吸引力，能够最大限度地调动使用者的学习兴趣和积极性。

通过模拟真实铁路电务工作环境和工作流程，使施工人员熟悉作业环境，演练各种作业环节，有助于解决不可视、不可摸、不可入、危险性场所等施工演练方面的问题，同时可以解决员工培训设备不足、设备型号及技术参数落后等问题，从而提高施工作业仿真和演练的技术水平。