混合现实技术在轨道交通信号与控制的应用＊

黄聪

（柳州铁道职业技术学院，广西柳州 545616）

0.引言

近年来，我国轨道交通行业得到了蓬勃发展，列车控制与运输指挥等各种铁路产品均发生了改变，铁路运营里程明显增加，运营速度也随之提升，同时对铁路建设效率和信号设备能够安全平稳运行提出了更高的要求。在当代轨道交通技术中充分融合混合现实技术，通过对主要环节进行虚拟仿真，借助有关技术实现虚实结合，使工作效率与质量得到大幅提升，有效节省维护成本，同时又能确保某些工作环节具备一定的安全性。

1.简述混合现实技术

1.1 混合现实技术的概念

混合现实技术全称是Mediated Reality，简称为MR，包括了增强现实跟增强虚拟，是被“智能硬件之父”多伦多大学教授Steve Mann所提出的介导现实进而演化而来的。混合现实技术实际上是增强现实技术进一步发展，同时也是虚拟现实技术的一种延伸，它借助计算机图形技术及可视化技术可生成现实中不存在的虚拟对象，而后再利用传感技术可把此虚拟对象叠加至真实环境当中来，如此一来虚拟对象跟真实环境就是实时出现在同一空间中，而用户在现实设备的帮助下，便可观看到与体验到十分充满真实感的新环境[1]。

1.2 混合现实技术的特点

首先，它把现实世界跟虚拟世界结合在一起，其次，能够实时交互运行，即用户可以跟虚拟世界和现实世界展开实时自然化的交互，最后，它可对三维虚拟模型加以匹配，即把虚拟世界跟现实世界展开精准对齐。

一般而言，AR（增强现实技术）选用的都是可视化技术，在现实环境下经过相机自定位可直接将虚拟信息或场面叠加在画面中，但并未详细融合逻辑坐标；而MR在对一个或多个物体开展定位追踪的基础上，有效的把现场物体跟虚拟场景相融合到了一起，呈现出来的是更具真实性、充满虚实结合特色的画面及场景。通常来说，一个MR系统包含有4个构成要素，它们分别是虚拟场景生成单元、头部跟踪装置、穿透式头盔显示器及交互设备。这4部分在各自的“岗位”上“各司其职”，其中虚拟场景生成单元主要用在虚拟环境的管理、模拟及搭建上；头部跟踪装置主要用来跟踪用户视线；穿透式头盔显示器则用来将真实场景环境跟虚拟环境信息相融合起来；而交互设备主要是用来输出、输入多种感官数据[2]。

2.城市轨道交通信号与控制

目前，城市轨道交通信号系统所起到的作用日益增长，选择与现场情况相符的一种城市轨道交通信号系统控制形式，将有利于城市轨道交通更好的发挥出自身作用。随着技术的更新与发展，信号系统工作效率得到了显著提升，在信号系统作用下，城市轨道交通安全运行的能力得到了一定程度的提高，做好城市轨道交通信号系统维护工作，从基本运营逐步延伸，有效确保信号系统精准传输信息，加强运行过程中防控系统外部风险的能力，才有助于轨道交通信号系统运行的更加高效、可靠。在轨道交通信号控制中，十分有必要把内部调控跟外部信号防护相结合在一起，并有针对性地处理特定问题，例如，应如何运用混合现实技术进行设备运维检修，如何实现用户培训远程协作，怎样做好有关的新产品设计与仿真，如何发挥其远程辅助检查功能。特别是在运营环节。就信号控制方式上，我们不仅要做好风险的防控工作，还要尽可能选用新型技术融入到轨道交通信号中来，有效促使城市轨道交通行业发展更加长远安全。

3.混合现实技术在轨道交通信号与控制中的应用

3.1 用于设备运维检修

在技术不断发展、物联网技术不断进步的基础上，轨道交通信号自动化监测水平越来越高，尤其是无人驾驶线路运用的设备信息化及智能化程度十分高，所以在对交通信号进行维护时，工作现场需很多具备专业维修技能的维修人才可以对故障涉笔展开及时维护。也就是说这高度依赖具备极强专业技能且可以及时作出响应的工作人员。通常来说，设备故障的维修都是由第三方专业服务商和设备制造厂商所负责的，当维修人员到达后，他们会根据维修指导手册及自身经验展开维修。而一旦遇到相对复杂的故障，或者是无法确定的故障点时，他们就不得不倚靠技术专业的远程指导或是邀请他们到现场进行维修。所以排障及维修方法很难得到有效传承，且设备维修不仅耗费时间，还耗费一定的精力。

而融合了MR技术的设备检修指导系统，可通过MR设备HoloLens实时向我们显示具体的维修方案。现场维修工作者穿戴HoloLens以后，可以更加直观地看到虚拟设备具体模型、维修技术操作动画文字及相关的提示语音。借助HoloLens内外部摄像头和语音设备，可以及时对维修者的操作视线和手法进行跟踪与识别，并完成人机交互。通过对接集中监控系统，可实时取得信号反馈等数据，经过客观分析有关参数数据跟以往故障案例相对比，估算出故障点有关信息，并把这些特征传送至HoloLens中，现场维修者通过匹配故障特征，可迅速判断出是否为常见故障，若是则可直接调出解决方案，并根据具体方案展开维修，而如果此故障无法识别，那么维修者则可以迅速联系专家进行远程在线指导，把现场实时画面跟数据信息同步发送给专家客户端，由他们远程指导故障排修工作。由此可见这种设备检修知道系统不仅可以有效提升现场维修工作者的技术水平，还能使维修流程及效率得到显著提升，这是一种设备维修新模式，更有利于维护交通信号与控制的安全性及平稳性。

3.2 用户培训远程协作

目前，轨道交通现场信号安装及用户培训都面临着同一个挑战：轨道交通信号遍及全国，安装及培训环节至关重要，而符合安装与培训技能的人才都需要较长时间培养才行，且传统出差模式无论是对生产成本还是对工作效率方面都产生了不小的影响。而我们在现场安装调试中有效引入MR技术，恰好有助于让那些具备相关技能的人才彻底摆脱传统出差带来的疲劳感。把远程通信跟MR技术充分融合，创建一个虚拟仿真系统，借助增强现实显示设备，可以实现共享设备模型和设备配线图等信息，远程模拟并演示安装过程，对现场工作人员实现仿真培训工作。借助多通道人机交互技术，能够让异地、多人及时参与到安装调试中来，培训内容具备极强交互性，通过实时交流和实物仿真操作可以做到远程培训完美融合，进而省去大量因为工作人员频繁奔波而带来的成本，大大减少了安装调试和维修等工作周期，冲破了地域、文字及语音培训缺乏直观性等的束缚，同时将混合现实技术应用在其中还能极大提高现场工作人员的技术水平，从而提升其工作效率，为轨道交通行业蓬勃发展提供一臂之力[3]。此外，还需要对产品使用的用户，运营人员等进行培训，有效规避使用中出现的问题及风险，提高应对突发事件的处理能力。

3.3 轨道交通信号有关的新产品设计与仿真

在设计与交通信号控制有关的新产品时，我们也可以充分应用混合现实系统，即预先创建一整套新产品系统或某一部分，而后通过立体投影技术，设计者可亲自步入到系统内部中，并感受、分析设计的产品架构是否为科学、合理的，是否达到了人性化使用要求，而后再根据具体情况及时调整或更改设计方案，不仅有效减少了设计变更时间及周期，而且还大大节省了设计所需的成本。

3.4 远程辅助检查功能

混合实现技术还可以用于远程辅助检查功能。作为一种高效的辅助工具，该功能除了包括专家远程辅助故障处理外，还可以在设备安装调试阶段，远程对以对设备的外观，装配情况等内容进行辅助检查，从而提高现场工程人员的准确率。此外，还可以应用到运营阶段的定期维护检查中，在远程环境中熟悉各个部件及装配的过程，进而提高相关人员的设备装配能力，通过该技术辅助维护人员对设备进行维护指导。

4.结语

跟国外相较来说，我国MR技术不管是在应用推广还是在硬件的开发研究上，还存在着一定的差距，特别是在轨道交通信号与控制的应用方面，我国尚处于摸索时期。尽管MR技术的应用前景领域十分广阔，但它在应用过程中依然会受到经济投入、软硬件开发等方面的约束。相信在各项技术发展日趋成熟、探究力度越来越大的今后，混合现实技术会对轨道交通信号与控制方面造成极为长远影响。