基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)車(chē)駕駛模擬演練系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

劉廣文

（呼和浩特鐵路局 科學(xué)技術(shù)研究所，呼和浩特 010051）

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)車(chē)駕駛模擬演練系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

劉廣文

（呼和浩特鐵路局 科學(xué)技術(shù)研究所，呼和浩特 010051）

介紹基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的純軟件機(jī)車(chē)模擬駕駛演練培訓(xùn)系統(tǒng)的研制過(guò)程及使用效果，針對(duì)HXD3D型電力機(jī)車(chē)的一般操縱方法和機(jī)車(chē)檢查標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序開(kāi)發(fā)了學(xué)習(xí)、練習(xí)和考試模塊，使機(jī)車(chē)乘務(wù)員可以在三維仿真的駕駛環(huán)境下進(jìn)行反復(fù)的學(xué)習(xí)演練，從而達(dá)到熟悉機(jī)車(chē)操縱流程和機(jī)車(chē)檢查標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序的目的。

虛擬現(xiàn)實(shí)； 機(jī)車(chē)駕駛；HXD3D； 模擬演練

列車(chē)模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)是一種先進(jìn)、安全和高效的培訓(xùn)工具，它通過(guò)對(duì)列車(chē)性能和駕駛操作流程的仿真構(gòu)建一個(gè)高度真實(shí)感的駕駛環(huán)境，為受訓(xùn)司機(jī)提供培訓(xùn)的環(huán)境與手段。然而，查閱相關(guān)資料[1～3]，目前對(duì)列車(chē)模擬駕駛方面的研究，大多與硬件結(jié)合，其培訓(xùn)內(nèi)容也僅限于機(jī)車(chē)駕駛過(guò)程中的應(yīng)急處置，對(duì)于剛?cè)肼穼W(xué)習(xí)的機(jī)車(chē)乘務(wù)員以及鐵路院校的學(xué)生還沒(méi)有較為全面的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序培訓(xùn)演練系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 研究背景

呼和浩特鐵路局于2011年12月引進(jìn)機(jī)車(chē)駕駛仿真模擬操作臺(tái)，從安裝到測(cè)試歷時(shí)近2年，經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)備軟、硬件多次改進(jìn)，于2013年正式投入使用。操作臺(tái)雖然具有體驗(yàn)直觀、仿真效果好的優(yōu)點(diǎn)，但也存在造價(jià)昂貴、對(duì)培訓(xùn)場(chǎng)地要求高、培訓(xùn)效率低等缺點(diǎn)，且其在仿真細(xì)節(jié)上還存在諸如仿真效果夸張、線路仿真粗糙、牽引設(shè)置不精確等不足，最重要的是由于是從路外引進(jìn)，一旦有新的培訓(xùn)需求，需要通過(guò)廠家定制開(kāi)發(fā)，周期長(zhǎng)、成本高。為提高機(jī)車(chē)乘務(wù)員培訓(xùn)質(zhì)量，鐵路局組織專(zhuān)業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，自主研發(fā)HXD3D型電力機(jī)車(chē)駕駛模擬演練培訓(xùn)系統(tǒng)，該課題被列為呼和浩特鐵路局2014年重大課題。

1.2 研究目的

完成鐵路局管內(nèi)試驗(yàn)區(qū)段線路三維視景及機(jī)車(chē)模型的制作。結(jié)合三維仿真視景圖像和機(jī)車(chē)模型搭建具有一定功能的機(jī)車(chē)駕駛模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

1.3 研究方法

通過(guò)錄像設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際線路、站場(chǎng)環(huán)境的高清數(shù)據(jù)；通過(guò)業(yè)務(wù)部門(mén)搜集線路、站場(chǎng)設(shè)備（線路曲線、接觸網(wǎng)分相、信號(hào)機(jī)位置、道岔類(lèi)型等）的有效參數(shù)；通過(guò)三維建模工具制作線路、站場(chǎng)視景圖像；基于專(zhuān)業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)引擎設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)程序。

1.4 關(guān)鍵技術(shù)

（1）三維仿真建模技術(shù)。系統(tǒng)采用3DsMAX建模工具按1:1比例構(gòu)建與現(xiàn)場(chǎng)相符的機(jī)車(chē)、線路、站場(chǎng)模型，為后期合成做好準(zhǔn)備。（2）二維貼圖和界面設(shè)計(jì)技術(shù)。系統(tǒng)采用Photoshop對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片進(jìn)行處理并制作模型貼圖，以最大程度的接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際效果。（3）虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)類(lèi)程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用VRP11.0作為虛擬數(shù)據(jù)引擎，結(jié)合引擎提供的腳本編碼實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)合成及場(chǎng)景互動(dòng)，達(dá)到機(jī)車(chē)駕駛模擬演練及標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序練習(xí)的目的。（4）.NET編碼。系統(tǒng)采用Mirosoft Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)系統(tǒng)集成平臺(tái)，將制作的各個(gè)模塊以統(tǒng)一的平臺(tái)進(jìn)行展示。

2 試驗(yàn)區(qū)段線路三維視景及機(jī)車(chē)模型的制作

2.1 試驗(yàn)區(qū)段和機(jī)車(chē)車(chē)型的選擇

為了便于開(kāi)展研究，經(jīng)過(guò)與業(yè)務(wù)部門(mén)共同研究，最終確定制作呼和浩特到呼和浩特東站的區(qū)間線路視景和HXD3D型電力機(jī)車(chē)模型。

（1）選定的區(qū)間線路距離工作場(chǎng)所較近，為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集提供便利，并可節(jié)約研究成本和縮短研究周期。（2）選定的區(qū)間線路視景可滿足基本的培訓(xùn)功能要求。（3）HXD3D型電力機(jī)車(chē)是呼和浩特鐵路局擔(dān)當(dāng)客運(yùn)牽引任務(wù)的主力機(jī)型。（4）呼和浩特鐵路局已有的模擬操縱臺(tái)還沒(méi)有對(duì)HXD3D型機(jī)車(chē)的模擬操作功能，該項(xiàng)目的研究成果可彌補(bǔ)這一空白。

2.2 制作內(nèi)容

（1）呼和浩特站站場(chǎng)完全視景制作，包括站房、站臺(tái)、線路、道岔、信號(hào)機(jī)、接觸網(wǎng)及周邊建筑。（2）呼和浩特東站站場(chǎng)完全視景制作。（3）呼和浩特站到呼和浩特東站區(qū)間二股正線線路及主要建筑物視景的制作。（4）HXD3D型電力機(jī)車(chē)完全仿真模型的制作。

2.3 制作的主要過(guò)程

在業(yè)務(wù)站段的配合下，赴車(chē)站及區(qū)間拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片和視景。與相關(guān)部門(mén)聯(lián)系，搜集車(chē)站與區(qū)間線路的相關(guān)資料，包括CAD圖紙、接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)、地面信號(hào)數(shù)據(jù)等。使用3DSMAX等工具軟件制作與實(shí)際相符的車(chē)站、區(qū)間線路視景及機(jī)車(chē)模型。對(duì)制作的模型進(jìn)行后期處理，使其盡可能達(dá)到實(shí)際效果。

3 機(jī)車(chē)駕駛模擬演練系統(tǒng)的研制

3.1 功能設(shè)計(jì)

在充分采納現(xiàn)場(chǎng)工作人員的意見(jiàn)后，最終確定試驗(yàn)性的完成機(jī)車(chē)檢查及一般操縱練習(xí)兩個(gè)功能模塊的模擬培訓(xùn)功能。主要包括：機(jī)車(chē)檢查標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序的學(xué)習(xí)、練習(xí)和考試；機(jī)車(chē)一般操縱程序的練習(xí)；將上述培訓(xùn)模塊集成到一起的機(jī)車(chē)駕駛模擬演練平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。

3.2 研制過(guò)程

根據(jù)業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)程序互動(dòng)腳本。將前期制作的線路視景和機(jī)車(chē)模型導(dǎo)入到三維數(shù)據(jù)引擎軟件（VRP11.0）中。按照互動(dòng)腳本的設(shè)計(jì)要求，利用VRP編輯器的功能完成作業(yè)程序的模擬演練程序編制。利用VRP編輯器打包生成可獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件。將制作完成的培訓(xùn)模塊集成到機(jī)車(chē)駕駛模擬演練平臺(tái)中。

4 成果展示

4.1 系統(tǒng)主界面

如圖1所示，界面包含系統(tǒng)名稱(chēng)、線路類(lèi)型、機(jī)車(chē)型號(hào)及版本信息，點(diǎn)擊界面右下方的“開(kāi)始”按鈕，進(jìn)入系統(tǒng)功能模塊選擇界面，點(diǎn)“退出”按鈕關(guān)閉系統(tǒng)。

圖1 主界面圖

4.2 功能選擇界面

如圖2所示，系統(tǒng)共包含5個(gè)功能模塊，點(diǎn)擊任一模塊進(jìn)入該模塊的功能操作界面。點(diǎn)擊“返回”按鈕返回到主界面。在界面設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)充分考慮了擴(kuò)展性，更多的模塊選擇可通過(guò)“上一頁(yè)”和“下一頁(yè)”按鈕切換顯示。

圖2 功能模塊選擇界面

4.3 功能模塊操作界面

如圖3所示，點(diǎn)擊進(jìn)入所選功能模塊后，可通過(guò)“學(xué)習(xí)”、“練習(xí)”和“考試”3種模式完成該模塊的演練培訓(xùn)。界面左側(cè)以錄像的方式，向使用者介紹該模塊的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序，使用者可通過(guò)反復(fù)觀看達(dá)到熟悉作業(yè)流程的目的。界面右側(cè)是對(duì)該模塊培訓(xùn)內(nèi)容的簡(jiǎn)要說(shuō)明。

圖3 功能模塊操作界面

4.4 練習(xí)模式

如圖4所示，使用者在練習(xí)模式下，可通過(guò)點(diǎn)擊界面下方的指示按鈕（燈泡）獲得有關(guān)當(dāng)前操作的提示，界面還提供了視角切換按鈕，點(diǎn)擊它們可查看機(jī)車(chē)內(nèi)部各個(gè)部位。在該模式下，使用者通過(guò)鼠標(biāo)操作機(jī)車(chē)的各個(gè)部位，系統(tǒng)可真實(shí)的模擬實(shí)際的機(jī)車(chē)駕駛環(huán)境，從而達(dá)到機(jī)車(chē)駕駛程序練習(xí)的目的。

4.5 考試模式

如圖5所示，在考試模式下，界面不再提供操作提示，使用者只能在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)按照練習(xí)掌握的操作步驟完成該模塊的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序，點(diǎn)擊界面下方的“提交考試”（對(duì)號(hào)）按鈕后，系統(tǒng)給出考試結(jié)果。由于有時(shí)間限制，在時(shí)間結(jié)束后，即使使用者沒(méi)有點(diǎn)擊“提交考試”，系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)結(jié)束考試并給出考試結(jié)果。

圖4 練習(xí)模式

圖5 考試模式

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)于2015年1月底完成研制并通過(guò)集成測(cè)試、用戶測(cè)試和試運(yùn)行。項(xiàng)目試驗(yàn)性地制作了1個(gè)運(yùn)行區(qū)段的視景數(shù)據(jù)、1個(gè)型號(hào)的機(jī)車(chē)模型、5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)培訓(xùn)模塊，并開(kāi)發(fā)了集成的培訓(xùn)演練平臺(tái)，系統(tǒng)采用純軟件的培訓(xùn)模式，具有安裝成本低、可大批量安裝、單次培訓(xùn)人員多、培訓(xùn)方式靈活、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、便于修改完善等優(yōu)點(diǎn)，可作為現(xiàn)有機(jī)車(chē)駕駛模擬操作臺(tái)的有效補(bǔ)充。

[1]黃恩興.電力機(jī)車(chē)模擬駕駛裝置視景仿真開(kāi)發(fā)[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[2]許麗斌.開(kāi)發(fā)機(jī)車(chē)模擬仿真駕駛系統(tǒng)的探討[J].太原鐵道科技，2012 （3）：24-25，38.

[3]李驍宇，李開(kāi)成，李玉蘭，等.列車(chē)司機(jī)駕駛仿真子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用 ，2014，23（7）：16-19.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Locomotive Simulation Driving Training System based on virtual reality technology

LIU Guangwen
( Scientifc &Technological Research Institute,Hohhot Railway Administration,Hohhot 010051,China)

This paper introduced the development process and effect of the Locomotive Driving Simulation Training System based on virtual reality technology.Aimed at the general operation method and standard operation procedure of locomotive inspection for HXD3D electric locomotive,learning,practice and examination module were developed.Locomotive crew could do learning exercises repeatedly in a three-dimensional simulation driving environment by this System,and then could be familiar with the locomotive operation process and standardized operation procedures of locomotive inspection.

virtual reality;locomotive driving;HXD3D;simulation exercise

U268.4：TP391.6

A

1005-8451（2016）04-0055-03

2015-08-26

呼和浩特鐵路局重大課題項(xiàng)目（2014A001）。

劉廣文，工程師。