基于VR技术的铁路调车作业安全仿真系统研究

张晓冬

(中国铁路上海局集团有限公司 运输部，上海 200071)

目前铁路运输生产中，基层站段的调车实训完全依赖传统的理论授课方式进行培训，缺少实景化、实物化培训条件，培训方法较为简单，亟需构建现代化铁路调车作业安全仿真系统，以解决职工培训难度大、效果不理想等问题，最大程度提升调车作业人员的实作能力，使培训形式与时俱进，达到职工真培、真学、真练、真用的目的。

1 铁路调车实训现状及发展趋势

铁路调车作业是指在铁路生产运输过程中，除列车的到达、出发以及区间运行外一系列有目的的移动作业，包括对车列进行的解体、摘挂、转场、编组、调移、取送等，调车作业流程如图1所示。铁路调车作业是一项技术性、实操性很强的工作，并具有一定的危险性，主要体现在3个方面：①时间方面，调车作业涉及夜间作业，作业人员可能会由于夜间视线不良或者精力不集中，增加安全风险；②环境方面，调车作业受天气因素影响较大，同时调车作业区域地形较差，易产生安全隐患；③设备方面，调车作业设备的老化对调车作业的安全带来隐患，更换不及时易导致安全风险增加。调车作业实训需要组织空闲站场、机车、车辆等，并需要大量人员进行演练，且易受到繁忙运输、恶劣天气、场景制约等不利条件的影响，并存在人身安全、作业安全的隐患；同时，由于实训场景的差异，裁判员难以对调车实训人员进行公平公正的考核评价，对所有操作也很难做到客观准确的分析。

图1 调车作业流程图Fig.1 Shunting operation flowchart

目前，虚拟现实(Virtual Reality，VR)仿真实训技术具有一定前景，处于快速发展阶段。仿真实训设备可再现真实铁路调车作业过程，且具有投资少、易于操作、场景一致的特点，已成为当前铁路各岗位实训发展的趋势。李培锁[1]总结高速铁路动车组应急处置过程存在的问题，并利用VR技术研究应急处置仿真培训方法。汤传文[2]依托VR技术实施体验式教学，将虚拟技术与课堂巧妙融合。沈海滨[3]等探讨民航危险品运输的多种事故应急场景，设计开发了虚拟仿真系统，具有较高的实际应用价值。武帅[4]等研究调车作业计划在执行过程中的问题，设计一种仿真平台实现调车作业实时数据的可视化，有效消除存在的安全隐患。曲思源[5-6]等提出调车安全管控目前存在的问题和不足。王勇[7]分析调车作业安全事故的类型及相关采取的措施。中国铁路上海局集团有限公司也提出VR应用于调车培训的思路。研究发现，当前国内调车作业虚拟仿真技术应用较迟缓，特别是符合铁路现场调车作业标准的虚拟现实仿真实训系统仍是空白。

综上所述，针对铁路调车作业安全仿真系统，采用VR虚拟技术建模，创建高仿真调车站场环境，模拟调车作业全过程，设计调车人员相关作业实训，并实现对实训结果的记录、分析和评价。

2 系统设计

铁路调车作业安全仿真系统采用Unity3D引擎，基于3D技术建模[8]及搭建场景，通过结构化、模块化设计，接入HTC VIVE设备、KAT Walk VR跑步机等智能操作终端，并利用语音合成技术(Text To Speech，TTS)实现声音动态提示功能。系统采用多种接口集成，将选取的数据库、软件开发平台和第三方软件都进行完整集成测试，其中智能识别部分和接口处理部分采用SOA架构，以便于扩展和易维护。实训人员可基于视觉、听觉、触觉多重感官模拟调车作业，能较大提升其作业技能，强化其安全作业意识。

2.1 系统关键技术

（1）计算机三维仿真技术。采用计算机三维仿真技术，搭建调车作业场景，并对调车作业流程、系统设备、业务逻辑进行仿真，能够节约实训人力成本、设备成本，提高培训质量和效率。

（2）VR技术。使用HTC VIVE设备及KAT Walk VR跑步机等VR设备，能够提高用户沉浸感，让学员在使用过程中感觉更加真实，操作更加接近实际现场作业，能够极大提高培训效率和学习效果[9]。

（3）工作流(调车作业任务)驱动技术。工作流技术是工作流程的计算模型，是将工作流程的逻辑和规则在计算机中以恰当的模型进行表示，并对其实施计算。铁路调车作业过程环环相扣，需要采用工作流技术来实现调车作业流程。

（4）TTS技术。铁路调车作业过程中需要进行多工种之间的语音联控，通过TTS技术，将文本信息转换并合成为声音信息流，利用声音设备进行朗读。操作人员使用麦克风呼叫联控用语，计算机系统能够根据语音自动识别，并判断该联控用语的准确性。

（5）UNet同步技术。UNet同步技术是Unity3D引擎目前最先进的网络同步技术，系统将调车作业过程中调车作业人员对机车、车辆的设备操作，通过VR技术模拟仿真出来，动作形象逼真，贴近调车作业标准及规范。各客户端通过UNet进行场景的同步显示，实现场景下所有设备及人物的动态变化。客户端通过对自身人物的操作，完成调车作业每一个环节，并在屏幕上呈现出来标准的作业动作，其他客户端也能够同步显示对应岗位的作业过程。

2.2 系统功能架构

基于VR技术的铁路调车作业安全仿真系统，创建车站调车作业场景，将调车作业标准及规范生成调车作业任务，系统依据调车实训人员完成任务情况进行实训及考评，系统功能架构如图2所示。

图2 系统功能架构Fig.2 System functional architecture

系统主要有场控管理系统、仿真实训、考评管理3大功能。

（1）场控管理系统。可显示调车作业的站场图，以红光带形式实时更新车辆位置，能够为学员客户端自由定制调车作业计划、创建车组、设定车辆及站场设备状态、天气情况、设置货物侵限、机动车抢越线路等非正常情况，系统通过设置灵活多变的调车作业场景，丰富学员调车作业的实训内容，提高学员调车作业过程中非正常情况的处置能力。

（2）仿真实训。通过三维建模、VR技术仿真调车作业场景，模拟调车作业流程，实现人物移动、交互、视角切换等仿真操作，复现调车作业现场的调车信令、岗位联控、车辆设备操作等作业内容，完成学员操作成绩的分析、评判。

（3）考评管理。考评系统能够依据学员的操作步骤自动进行考评，当接收到学员所有的答题后，可与标准流程进行校核，统计出当前学员的得分情况，为教员提供学员的考试信息，学员考试结束后，能够从考评系统中查找到自己的错误操作项点。

2.3 系统界面及操作终端

2.3.1 系统界面

（1）系统主界面。系统有2种模式，即实训模式和考核模式。实训模式需要对试题进行选择，也可以通过场控管理系统生成调车作业任务进行自由练习，考核模式需要登录自身账号和密码，由教师机下发试题。系统主界面如图3所示。

图3 系统主界面Fig.3 System main interface

（2）系统功能界面。系统主要功能界面由主功能菜单视图、电台用语视图、电台信令视图、调车作业计划和提示信息视图构成。主功能菜单视图，可实现用户操作的主要交互功能，左手柄集成联控、角色移动、检查线路等常用功能按键，通过右手柄射线点击操作；右手柄触控板集成了电台信令、语音联控等常用功能电钮，点击触控板相应位置即可实现操作。电台用语视图是把调车作业中用到的语句按照不同的作业环节分类，点击相应的作业环节后弹出对应的语句，选取相应的语句进行对话。电台信令视图，模拟显示了电台的按钮显示，包括红键、绿键、黄键，点击相应的按钮发出电台信令。调车作业计划视图，通过点击左手柄作业计划按钮，弹出调车作业通知单，查看本次调车作业计划内容。提示信息视图，可在实训模式下点击左手柄任务按钮，会显示任务提示框，在提示框中会提示将要进行的调车作业环节。

2.3.2 操作终端

系统操作模式为VR模式，以穿戴HTC VIVE Pro眼镜和手持VR手柄操作设备进行交互，完成调车作业任务。HTC VIVE Pro设备有2个VR手柄，右手柄主要用来对系统功能界面的操控，左手柄主要用来操作人物走行和主菜单按钮显示。实训人员通过按压VR手柄扳机，用射线进行选取后，右手柄触控板出现相应设备的操作按键，即可完成实训操控折角塞门、道岔、车钩、制动软管、车梯等车辆设备，实训人员使用手柄触摸相应设备，设备被触摸后，设备会高亮显示，然后就可以模拟设备操作动作进行操作，增加现场作业的沉浸感。操作上下车如图4所示，操作折角塞门如图5所示，操作道岔如图6所示。

图4 操作上下车Fig.4 Operate the boarding and alighting

图5 操作折角塞门Fig.5 Operate the angle cock

图6 操作道岔Fig.6 Operate the switch

2.4 系统模块

铁路调车安全实作仿真系统主要包括站场图模块、协议模块、预设方案模块和实训考评模块。

（1）站场图模块。管理员通过客户端操作后，站场信息会与调车实训系统客户端进行同步更新，可以点击信号机、道岔，进行站场设备的操作，修改其设备状态。

（2）协议模块。协议模块由调车作业计划、车组创建、车辆设备操作、车辆附属设备操作、人物控制、站场操作、天气变化、故障设置等模块功能组成，管理员通过填选相关信息后，点击发送按钮，即可将操作协议发送到选择的客户端。调车作业计划如图7所示，车组创建如图8所示。

图7 调车作业计划Fig.7 Shunting operation plan

图8 车组创建Fig.8 Crew creation

（3）预设方案模块。管理员通过协议模块发送的协议，都被系统记录并在该窗口显示。选定方案中的所有协议会自动发送到客户端，实现了一键设置自定义调车作业实训场景的功能，预设方案模块如图9所示。

图9 预设方案模块Fig.9 Preset scheme module

（4）实训考评模块。实训考评模块由学员管理、分组管理、试题管理、考试管理、成绩统计、数据分析6部分组成。学员管理，能够自动导入或手动输入新增学员并在分组管理中添加该新增学员；分组管理，可将学员以编组形式进行管理，支持创建、修改、删除编组、查看编组成员等操作；试题管理，涵盖多种不同类型的铁路调车作业试题；考试管理，能够使用试题管理中的试题，安排多场培训或者考试，考试可以同时进行，也可以单独进行，考试过程中还能实时观察学员的试卷和试题得分详情；成绩统计，可以浏览各次考试每个学员的考试成绩；统计分析，可查看学员成绩，便于教员综合分析。

3 系统应用评价

基于VR技术的铁路调车作业安全仿真系统，由铁路调车作业安全仿真系统和考评管理系统组成，完整展现整个调车作业的标准化流程，实现学员对调车作业的模拟实训及考核。

3.1 应用特性

（1）实用性。基于VR技术的铁路调车作业安全仿真系统，利用虚拟技术建模，创建高仿真调车站场环境，模拟调车作业全过程，对调车人员进行标准化作业实训，并对实训内容进行记录、分析和评价，能够有效降低培训各类资源的投入，提高培训效率和培训管理水平[10]。

（2）先进性。系统采用U3D引擎，搭建和现场高度相似的虚拟现实，所设置的人物可以在其中进行协同联合操作，对操作的过程和结果有直观的展现，采用TTS实现了声音动态提示功能。

（3）安全性。系统不受天气、场地、车辆和人员等因素的限制，能够在确保人身和行车安全的环境下模拟各种调车作业场景。同时，加入严格的身份认证，保证使用人员账户的安全，接口数据和关键配置参数都采用了加密处理，可防止信息泄漏。

（4）便捷性。采用C/S架构，使用配置非常方便，PC端只要安装常规的系统软件和基于VR技术的铁路调车作业安全仿真系统的各子系统软件即可正常使用，无需额外安装任何插件及非常用的第三方软件系统。

（5）可扩充性。系统智能识别部分和接口处理部分采用SOA架构便于扩展和维护，系统采用结构化、模块化设计，可根据需要修改某个模块来增加新的功能。

3.2 效益评价

基于VR技术的铁路调车作业安全仿真系统，将各种调车作业场景集成于计算机软件上，采用VR技术，以3D模式呈现整个铁路车站站场，高度还原现场作业场景，采用工作流技术将铁路调车作业以试题模块的形式来呈现。系统以调车长、1号连结员、2号连结员作为考核对象，其他相关岗位均由系统担任并自动配合，调车作业均在模拟场景进行，利用TTS技术实现各岗位之间的联控，可规避传统培训模式的弊端，将学员的实训考核由目前的书面考核形式变更为真正意义上的模拟实作，为铁路调车培训带来全新的培训理念，其在效益方面的优化情况具体如下。

（1）节省设备设施投入。以往的调车实训，需要实体的站场线路、机车、车辆等设备设施以及司机、信号楼行车人员等多工种的配合，通过该系统进行实训可有效节省以上投入。

（2）节约职工培训成本。按照中国国家铁路集团有限公司要求，铁路对调车人员需进行常态化实训，每年需产生大量的培训费用，使用该实作仿真系统后，能够有效减少传统培训消耗的成本。

（3）提升培训效率。铁路调车作业安全仿真系统投入后，在设定相关的培训场景后，可通过系统完成指定的培训实作项目，实现快速行走等功能，极大压缩培训的时间，节省非重点作业流程时间，有效提升培训效率。

（4）有效巩固业务能力。通过系统综合考评，分析记录学员在实训过程中的问题，可进一步考察学员对相关知识点的掌握情况，进而巩固和提高相关业务技能，提升安全意识。

4 结束语

基于VR虚拟现实技术的铁路调车安全实作仿真系统采用虚拟技术建模，创建高仿真调车站场环境，模拟调车作业全过程，对调车人员进行标准化、突发应急处置等方面的作业实训，并对实训结果进行记录、分析和评价，有效解决调车作业培训场地、环境、人员调配、安全隐患等问题。系统集实用性、先进性、安全性、便捷性、可扩充性于一体，极大降低设备设施投入及培训成本，有效提高培训效率、提升培训管理水平。随着VR技术的成熟应用，未来在铁路调车领域可继续深入研究能够实现班组多人同时在线操作的模式。