成 騰,趙 博,趙會(huì)軍,胡召華,殷 明
(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道技術(shù)研修學(xué)院, 北京 100081)
隨著鐵路高新技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及鐵路運(yùn)營(yíng)里程的持續(xù)增長(zhǎng),鐵路對(duì)高水平的管理及專業(yè)技術(shù)人才需求日趨顯著,對(duì)人才培養(yǎng)的手段和方式也不斷提出新的要求,仿真實(shí)訓(xùn)逐漸成為人才培養(yǎng)方式的新趨勢(shì)[1]。從全路主要培訓(xùn)基地來(lái)看,高鐵的實(shí)訓(xùn)已在駕駛、動(dòng)車組機(jī)械師、高鐵調(diào)度等專業(yè)建立了仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),但在系統(tǒng)故障維修、應(yīng)急演練、經(jīng)營(yíng)管理等方面,仍然沒(méi)有成熟的仿真系統(tǒng)。傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)目前存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:培訓(xùn)數(shù)字化表現(xiàn)形式單一;培訓(xùn)軟件缺乏,交叉開(kāi)發(fā),低層次重復(fù);硬件設(shè)備缺乏;網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育還未開(kāi)展起來(lái);鐵路教育培訓(xùn)軟件缺乏標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。因此,傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式已無(wú)法滿足目前的實(shí)訓(xùn)需求,亟需一種新的實(shí)訓(xùn)模式[2]。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR,Virtual Reality),使用者借助特殊的交互設(shè)備,可以及時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物,并可獲得與真實(shí)世界相同的感受,如同身臨其境一般[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)于一體,通過(guò)計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一種虛擬環(huán)境(Virtual Environment),使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué),并可實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境的直接交互[4]。
在傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)維修培訓(xùn)中,大多以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操形式為主,接觸網(wǎng)故障重現(xiàn)困難,隨機(jī)性高,學(xué)員操作危險(xiǎn)性高。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展,本文使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)維修仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),該系統(tǒng)可將接觸網(wǎng)維修環(huán)境以三維立體的方式呈現(xiàn)在學(xué)員的眼前,學(xué)員在維修過(guò)程中無(wú)需爬到高空,便可完成對(duì)接觸網(wǎng)工區(qū)中設(shè)備的維修;對(duì)于突發(fā)事故以及不常見(jiàn)但具有嚴(yán)重后果的事故,該系統(tǒng)能夠不斷再現(xiàn),供學(xué)員反復(fù)自主訓(xùn)練,具有可控性、安全性和經(jīng)濟(jì)性[5-8]。
根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求,文中維修仿真內(nèi)容包含:接觸網(wǎng)腕臂組裝、接觸網(wǎng)驗(yàn)電接地、電纜試驗(yàn)、接觸網(wǎng)斷線接續(xù)、接觸網(wǎng)搶修支柱5個(gè)模塊,其中,接觸網(wǎng)腕臂組裝、接觸網(wǎng)驗(yàn)電接地、電纜試驗(yàn)為維修部分,接觸網(wǎng)斷線接續(xù)、接觸網(wǎng)搶修支柱為搶修部分。根據(jù)以上需求,系統(tǒng)總體架構(gòu),如圖1所示。
圖1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)鐵路接觸網(wǎng)維修實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)總體架構(gòu)
虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的呈現(xiàn)是由相應(yīng)的硬件設(shè)備與圖形處理軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的運(yùn)算,在本文的總體架構(gòu)中,前端顯示層為系統(tǒng)使用者提供虛擬現(xiàn)實(shí)成像服務(wù),并且使用者能夠通過(guò)無(wú)線手柄等外部設(shè)備與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行交互,是實(shí)現(xiàn)立體感與沉浸感的重要部分。
本文系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用層是業(yè)務(wù)的核心模塊,邏輯上功能模塊劃分為后臺(tái)管理、教師端和學(xué)員端。后臺(tái)管理運(yùn)行于服務(wù)器上,為教師端和學(xué)員端提供服務(wù),教師端和學(xué)員端從后臺(tái)管理獲得計(jì)算和資源服務(wù)。
(1)后臺(tái)管理運(yùn)行在服務(wù)器上,為教師端和學(xué)員端使用用戶提供計(jì)算、存儲(chǔ)及帶寬服務(wù),如教師端及學(xué)員端請(qǐng)求的響應(yīng),零部件資源、維修工具、課件資源、場(chǎng)景資源的存儲(chǔ),維修資源派發(fā)時(shí)流量的輸出,均由后臺(tái)管理程序完成,包括部件管理、維修工具管理、課件資源管理、場(chǎng)景管理、在線學(xué)習(xí)、在線練習(xí)、在線考試、在線監(jiān)控、學(xué)習(xí)監(jiān)控、練習(xí)監(jiān)控、考試監(jiān)控、組織機(jī)構(gòu)管理、用戶管理、角色管理、權(quán)限管理、日志管理等功能,是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)具體功能設(shè)計(jì)的接口實(shí)現(xiàn)。
(2)教師端程序運(yùn)行在教師機(jī)上,通過(guò)操作,負(fù)責(zé)對(duì)服務(wù)端上的資源進(jìn)行管理維護(hù),教師端可配置及發(fā)布教學(xué)資源、實(shí)訓(xùn)資源及考試資源,并對(duì)學(xué)生在線情況、學(xué)習(xí)情況、練習(xí)情況、考試情況進(jìn)行監(jiān)控。
(3)學(xué)員端程序運(yùn)行在學(xué)員機(jī)上,學(xué)員用戶登錄后,選取教師已配置好的學(xué)習(xí)、練習(xí)或考試任務(wù),即可在該端進(jìn)行接觸網(wǎng)在線維修學(xué)習(xí)、練習(xí)及考試。根據(jù)業(yè)務(wù)需求,學(xué)員端主要由資源管理、教學(xué)管理、練習(xí)管理、考試管理、過(guò)程監(jiān)控、系統(tǒng)管理及數(shù)據(jù)接口組成。
其中,資源管理功能對(duì)接觸網(wǎng)維修過(guò)程中的各類維修資源進(jìn)行管理,教學(xué)管理為學(xué)員提供接觸網(wǎng)維修培訓(xùn)功能,練習(xí)管理為學(xué)員提供接觸網(wǎng)維修實(shí)訓(xùn)練習(xí)功能,考試管理為學(xué)員提供接觸網(wǎng)維修考試功能,過(guò)程監(jiān)控可對(duì)考生使用系統(tǒng)的所有流程操作進(jìn)行監(jiān)控,系統(tǒng)管理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的用戶、權(quán)限、角色、日志管理,數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互及聯(lián)動(dòng)。
應(yīng)用支撐層將分散的應(yīng)用及信息資源進(jìn)行整合,并為系統(tǒng)提供一個(gè)信息的集成環(huán)境,數(shù)據(jù)共享實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的用戶對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取分析,元數(shù)據(jù)管理對(duì)系統(tǒng)中的元數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、組織與維持,日志記錄對(duì)系統(tǒng)的操作實(shí)際進(jìn)行記錄。此外,還包括身份認(rèn)證、安全審計(jì)、報(bào)表引擎、規(guī)則引擎和流程引擎等組件。
基礎(chǔ)資源層是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),包括圖形處理器(GPU)主機(jī)提供顯示設(shè)備中的圖象渲染能力,空間定位器幫助系統(tǒng)對(duì)使用者進(jìn)行定位追蹤,系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器提供后端的應(yīng)用服務(wù),存儲(chǔ)陣列保存系統(tǒng)中的各項(xiàng)資源,防火墻負(fù)責(zé)安全監(jiān)控等。
運(yùn)行保障體系包括:(1)采用加密技術(shù)(對(duì)重要敏感信息進(jìn)行加密,如登錄)、賬戶重復(fù)登錄控制、頁(yè)面加強(qiáng)安全控制等技術(shù)措施;(2)安裝硬件防火墻,使用防火墻或其他安全設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行過(guò)濾,啟用訪問(wèn)控制策略對(duì)重要服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)控制,有效隔離內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和Web服務(wù)器;(3)采用高可靠性容錯(cuò)處理以及雙機(jī)熱備策略,出現(xiàn)故障及時(shí)恢復(fù),對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效備份。
系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)圍繞學(xué)員訓(xùn)練、學(xué)員考試與教學(xué)的需求進(jìn)行設(shè)計(jì),包括教師教學(xué)、學(xué)員學(xué)習(xí)、考試模式。其中,教師教學(xué)部分主要實(shí)現(xiàn)的是教學(xué)、練習(xí)與考試3方面的任務(wù)發(fā)布與配置。相對(duì)應(yīng)地,學(xué)員學(xué)習(xí)主要分為教學(xué)、練習(xí)與考試3種模式。后臺(tái)管理主要包括管理員對(duì)學(xué)員信息、學(xué)習(xí)課程、考試信息的綜合管理,以及學(xué)員對(duì)個(gè)人信息的維護(hù)與查詢等功能。
教師為讓學(xué)員掌握接觸網(wǎng)維修知識(shí)點(diǎn),可根據(jù)教學(xué)維修計(jì)劃及學(xué)員學(xué)習(xí)需要,在既有的課件資源中,選取并組合課件(課件類型可包括視頻、ppt、word文檔等),配置形成學(xué)習(xí)任務(wù),定向發(fā)布到特定學(xué)員,學(xué)員即能在登錄系統(tǒng)后進(jìn)行教學(xué)任務(wù)學(xué)習(xí)。
教師配置完學(xué)習(xí)任務(wù)并發(fā)布到學(xué)員后,為使學(xué)員進(jìn)一步掌握接觸網(wǎng)維修方法,可配置接觸網(wǎng)維修練習(xí)任務(wù)。練習(xí)任務(wù)是已經(jīng)制作好的帶有操作提示的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景及操作流程,學(xué)員可在場(chǎng)景中自由操作練習(xí),練習(xí)的時(shí)間和次數(shù)不受約束。教師配置完成后發(fā)布到特定學(xué)員,學(xué)員登錄系統(tǒng)后便可進(jìn)行實(shí)訓(xùn)練習(xí)。
為對(duì)學(xué)員的學(xué)習(xí)及練習(xí)效果進(jìn)行檢驗(yàn),考察是否掌握接觸網(wǎng)的維修技能,教師可根據(jù)培訓(xùn)需要,配置考試任務(wù)。考試任務(wù)是已經(jīng)制作好的不帶操作提示的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景及操作流程,學(xué)員可根據(jù)自身掌握維修知識(shí)情況在場(chǎng)景中自由操作,操作結(jié)果將被記錄在系統(tǒng)中,作為考試評(píng)分依據(jù),考試的時(shí)間和次數(shù)由教師自行設(shè)置。教師完成考試任務(wù)配置后發(fā)布到特定學(xué)員,學(xué)員登錄系統(tǒng)后便可進(jìn)行考試。
教學(xué)模式下,學(xué)員根據(jù)自身學(xué)習(xí)需要,在學(xué)習(xí)列表中選擇相應(yīng)的課件資源,點(diǎn)擊即可進(jìn)行針對(duì)性的接觸網(wǎng)維修知識(shí)學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)次數(shù)和學(xué)習(xí)時(shí)間不受限制,通過(guò)各種類型的課件,如:ppt、word、視頻,能隨時(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)。
練習(xí)模式下,學(xué)員可結(jié)合自身維修知識(shí)掌握情況,選取需要的練習(xí)任務(wù),進(jìn)入練習(xí)場(chǎng)景,對(duì)特定的維修流程進(jìn)行反復(fù)練習(xí)操作,練習(xí)時(shí)間及次數(shù)不受限制,直到熟悉為止,以達(dá)到最終掌握接觸網(wǎng)維修方法的目的。
學(xué)員在考試模式下,需在限定時(shí)間內(nèi),點(diǎn)擊進(jìn)入考試場(chǎng)景,找出場(chǎng)景模型中設(shè)定的故障點(diǎn)并進(jìn)行維修作業(yè),學(xué)員的操作過(guò)程被記錄到系統(tǒng)中,系統(tǒng)根據(jù)學(xué)員考試操作,計(jì)算得出其考試成績(jī)。
分為用戶管理和成績(jī)管理兩大部分??筛鶕?jù)需要設(shè)置場(chǎng)景、播放速度及背景音樂(lè)等??荚嚱Y(jié)果和記錄均可進(jìn)行保存和查詢。
接觸網(wǎng)維修實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的硬件設(shè)施包括定位裝置、顯示設(shè)備、圖形工作站、虛擬資源數(shù)據(jù)庫(kù)、交互設(shè)備與其他輔助設(shè)備。為了提高學(xué)員使用系統(tǒng)的沉浸感,增加了單機(jī)多屏的畫面顯示方案,這可以使得未使用頭顯參加實(shí)訓(xùn)的學(xué)員也能夠身臨其境地體驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過(guò)程,從而可以使得學(xué)員們更快地上手,提高學(xué)習(xí)效率。系統(tǒng)的硬件由虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴顯示設(shè)備HTC vive和工作站組成,硬件集成的示意圖,如圖2所示。
將兩個(gè)激光器設(shè)置好頻道后,通過(guò)三腳架將或支架2~3個(gè)激光器對(duì)角連接,將虛擬設(shè)備使用者圍在形成的幾何空間的中心位置并將向下傾斜30?!?5。,確保使用者在定位設(shè)備的精確定位范圍內(nèi)活動(dòng),完成空間定位基站的搭建。
圖2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的鐵路接觸網(wǎng)維修實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)示意圖
圖形工作站是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心運(yùn)算硬件,沉浸式的圖象顯示是依靠圖形處理器大量的并行運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的圖象實(shí)時(shí)渲染任務(wù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的圖象顯示任務(wù),這就對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中圖形工作站的性能提出了更高的要求。HTC vive顯示設(shè)備與工作站的連接,將HTC vive搭建完成后,通過(guò)串流盒將虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯與圖形工作站相接,即可完成系統(tǒng)硬件的集成。
系統(tǒng)顯示裝置包括虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔與多屏顯示系統(tǒng)。沉浸式多屏顯示系統(tǒng),將多個(gè)虛擬場(chǎng)景顯示終端或顯示設(shè)備連接在圖形工作站的同一個(gè)GPU運(yùn)算卡下,并且在圖形工作站中設(shè)置多屏顯示即完成了多屏顯示系統(tǒng)的搭建,該系統(tǒng)能夠?qū)⑻摂M顯示眼鏡中的圖像在多屏系統(tǒng)中進(jìn)行同步顯示。
虛擬資源數(shù)據(jù)庫(kù),一般非大型或網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),虛擬資源數(shù)據(jù)可直接保存在圖形工作站中進(jìn)行調(diào)用,模塊化方案中,可將其獨(dú)立,并根據(jù)圖形工作站的接口進(jìn)行連接,可隨時(shí)對(duì)虛擬資源數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新升級(jí)。
無(wú)線接收設(shè)備,系統(tǒng)的交互手柄是HTC vive中的適配手柄,通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)男问竭M(jìn)行近距離的無(wú)限傳輸,無(wú)線接收裝置為圖形工作站中的藍(lán)牙設(shè)備。
接觸網(wǎng)維修實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程包括開(kāi)發(fā)方式選擇、模型構(gòu)建、渲染處理、交互開(kāi)發(fā)5個(gè)階段。
虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具根據(jù)其通用性的強(qiáng)弱以及對(duì)底層操作的支持程度主要分為以下4個(gè)層次,如表1所示。
表1 接觸網(wǎng)維修系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程
培訓(xùn)場(chǎng)景的建立主要包括5個(gè)階段:素材收集,數(shù)據(jù)采集,單體3D模型制作,虛擬三維場(chǎng)景的搭建和模型導(dǎo)出。其中,數(shù)據(jù)采集階段,測(cè)量實(shí)物點(diǎn)云數(shù)據(jù)(可采用三維激光掃描儀)后進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選,數(shù)據(jù)平滑處理以及數(shù)據(jù)補(bǔ)差、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除等步驟以便得到有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息;數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容,應(yīng)包括地表及其特征點(diǎn)的位置、高程,建筑物的位置、高度、基底形狀、立面和屋頂結(jié)構(gòu),交通設(shè)施的位置、形狀和結(jié)構(gòu),管線特征點(diǎn)的位置、高程、管線的斷面尺寸,植被的位置和高度及其他物體的位置、形狀和尺寸;采用3dsMax進(jìn)行單體3D模型制作。
虛擬現(xiàn)實(shí)渲染處理與以往的圖象渲染最直接的不同是渲染規(guī)模成倍增長(zhǎng),吞吐量激增。渲染的關(guān)鍵難點(diǎn)在高負(fù)荷下的圖象高延遲,頭戴式鏡片的圖象畸變和色差。渲染過(guò)程中首先使用“時(shí)間扭曲”技術(shù),使屏幕圖像的更新不經(jīng)過(guò)完整的圖形管線,用戶頭部的追蹤數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)入GPU完成渲染。同時(shí),對(duì)圖象進(jìn)行畸變處理與色差矯正完成虛擬現(xiàn)實(shí)圖象的渲染任務(wù)。
本系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)源工具包SteamVR Toolkit(VRTK)為基礎(chǔ),開(kāi)展對(duì)其交互方案的設(shè)計(jì),交互過(guò)程在Unity3D軟件中開(kāi)發(fā)。交互方案包含7種交互方式:漫游,攀爬,檢查工具,工具選取,抓取工具,使用工具,安裝、拆卸零件。
本文仿真實(shí)訓(xùn)的系統(tǒng)測(cè)試是基于V模型和黑盒測(cè)試技術(shù),包括系統(tǒng)環(huán)境測(cè)試、系統(tǒng)功能測(cè)試、UI界面美觀性測(cè)試、交互性能測(cè)試、沉浸感測(cè)試等項(xiàng)目。結(jié)果顯示系統(tǒng)操作反饋良好,交互性好,沉浸感強(qiáng),用戶通過(guò)佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯,可身臨其境般地進(jìn)行維修操作,有效提升接觸網(wǎng)維修仿真實(shí)訓(xùn)的實(shí)作性,達(dá)到了較高的仿真實(shí)訓(xùn)水平,為接觸網(wǎng)維修培訓(xùn)提供了良好的技術(shù)支持和新途徑。訓(xùn)場(chǎng)景再現(xiàn)給學(xué)員,提供了真實(shí)作業(yè)流程與各種突發(fā)情況的解決方案,有利于學(xué)員反復(fù)學(xué)習(xí),熟練操作,使得現(xiàn)實(shí)技術(shù)在鐵路實(shí)訓(xùn)中發(fā)揮重要的作用。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)良好的交互性和沉浸感可以逼真地反映現(xiàn)實(shí)實(shí)物,綜合運(yùn)用圖形、圖像、動(dòng)畫和聲音等多種媒體可模擬接觸網(wǎng)維修現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,使學(xué)員處于一個(gè)虛擬的鐵路現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境空間。既可以滿足不斷發(fā)展的企業(yè)人才標(biāo)準(zhǔn),符合鐵路職業(yè)教學(xué)需求,又節(jié)省開(kāi)銷,并可根據(jù)需求繼續(xù)開(kāi)發(fā)擴(kuò)展功能。目前,作為一項(xiàng)前沿技術(shù),基于沉浸式、增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)的研究與應(yīng)用正處于快速發(fā)展期。本文系統(tǒng)充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的優(yōu)越性,將鐵路接觸網(wǎng)維修的培