25G 型AC380V 空調(diào)客車干線絕緣故障處理VR 實訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

許廣強(qiáng) 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司合肥車輛段

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）是一項綜合集成技術(shù),涉及計算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及人工智能等領(lǐng)域。通過多種傳感設(shè)備，用戶可以根據(jù)自身的感覺，使用人的自然技能對虛擬世界中的物體進(jìn)行考察與操作，參與其中的事件，同時提供視、聽、觸覺等直觀而又自然的實時感知，并使參與者“沉浸”于模擬環(huán)境之中。虛擬現(xiàn)實為人們對復(fù)雜場景進(jìn)行可視化操作提供了新的途徑。用戶可以利用構(gòu)建好的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，將自己置身其中，探索和體驗由于客觀現(xiàn)實的限制而不能直接體驗的事物。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要應(yīng)用于各種仿真模擬系統(tǒng)，例如航天實驗室、虛擬駕駛、工程設(shè)計、房屋裝修、醫(yī)療培訓(xùn)、軍事演習(xí)等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在鐵路行業(yè)主要應(yīng)用在實作技能培訓(xùn)方面，例如機(jī)車駕駛、接發(fā)列車、信號控制等，用于客車車輛檢修培訓(xùn)還處于起步階段。

1 項目背景

客車車輛檢修是一項實操性非常強(qiáng)的技術(shù)能力，培養(yǎng)一名技能高超的職工既要有車輛構(gòu)造、系統(tǒng)原理、檢修技術(shù)等理論知識體系培訓(xùn)，又要有拆卸、組裝、故障處置等實操技能訓(xùn)練，因此無論采用什么樣的培訓(xùn)方式，這兩種類型的培訓(xùn)內(nèi)容是缺一不可的。但是不同的培訓(xùn)方式，在培訓(xùn)效果、效率、成本等方面差別較大。客車車輛檢修理論知識培訓(xùn)主要采用PPT、音視頻影像的形式，配合題庫練習(xí)、理論考試的方式對規(guī)章、工藝、作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行學(xué)習(xí)。實作技能培訓(xùn)采用建立實訓(xùn)基地，通過模型、報廢車輛來進(jìn)行演練。這樣的傳統(tǒng)培訓(xùn)方式存在如下問題：

（1）規(guī)章、工藝、作業(yè)指導(dǎo)書及題庫等文本型資料比較枯燥，而對于生產(chǎn)一線的職工來說，接受度很低，學(xué)習(xí)培訓(xùn)效果較差。大部分職工基本依靠死記硬背的方式來學(xué)習(xí)，缺乏對實物感官的想象空間。PPT、音視頻影像等資料直觀性、興趣性較好，比文本型資料的培訓(xùn)效果要好一些，但PPT 主要以圖文方式，對維修過程連續(xù)性的展現(xiàn)并不具備優(yōu)勢，而音視頻影像等通常只能錄制外觀等表面現(xiàn)象，對客車車輛部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的展現(xiàn)不夠精細(xì)。

（2）實作技能培訓(xùn)通常利用現(xiàn)車、報廢車輛、實訓(xùn)基地實訓(xùn)設(shè)施來進(jìn)行實作訓(xùn)練。利用現(xiàn)車培訓(xùn)受場地、車型、生產(chǎn)運輸及天氣因素的限制，每次訓(xùn)練的人數(shù)有限，部分作業(yè)環(huán)節(jié)有危險，新職工缺乏實作經(jīng)驗，可能造成人身傷害、實作訓(xùn)練還會消耗大量的工具、配件和物料，成本較高。隨著客車車輛新車型、新裝備、新技術(shù)更新速度加快，很多新車型還沒到報廢年限，沒有可以用于新技術(shù)實作訓(xùn)練的報廢車輛；建立實訓(xùn)基地，配備大型的車輛部件成本較高而且占用場地空間大，通過模型只能對外觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解，無法反復(fù)實作練習(xí)。

（3）傳統(tǒng)“傳、幫、帶”的師帶徒實作技能培養(yǎng)方式由于受師父個人技術(shù)能力的差異及時間精力的限制，不可能實現(xiàn)多次重復(fù)講解演示，帶徒數(shù)量有限，而且即使是優(yōu)秀的技術(shù)骨干，也不可能方方面面都精通，也會存在能力短板和不擅長的部分，因此培養(yǎng)出來的徒弟技能水平也是參差不齊。

而基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的客車車輛檢修實訓(xùn)系統(tǒng)具有多角度立體展現(xiàn)車輛內(nèi)外結(jié)構(gòu)、動態(tài)模擬拆裝過程、高度還原現(xiàn)實場景，能夠集成優(yōu)秀專家的經(jīng)驗，培訓(xùn)內(nèi)容統(tǒng)一、占用場地空間小、受訓(xùn)人數(shù)多、不受時間及天氣限制、可反復(fù)實作練習(xí)、新車型更新及時、操作安全、無工件輔材損耗等優(yōu)點。因此結(jié)合當(dāng)前主流的虛擬現(xiàn)實技術(shù)和設(shè)備，根據(jù)實際現(xiàn)狀和需求制定了一個鐵路客車VR 實訓(xùn)系統(tǒng)的整體方案，并從25G型AC 380 V 空調(diào)客車干線絕緣故障處理VR 實訓(xùn)系統(tǒng)開始進(jìn)行試點研制，以期通過系統(tǒng)的建設(shè)，提高培訓(xùn)效率，降低培訓(xùn)成本，促進(jìn)客車車輛檢修人員整體技能水平的提升。

2 研究目標(biāo)

引入VR 技術(shù)，充分利用多媒體、傳感器、人機(jī)交互、三維建模等技術(shù)，通過定位器、VR 頭盔、VR 手柄等設(shè)備，結(jié)合客車車輛庫檢作業(yè)實際，建立基于真實場景和檢修規(guī)程的鐵路客車車輛檢修實訓(xùn)系統(tǒng)。通過系統(tǒng)化、直觀化的理論講解，規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)過程演示，沉浸式、交互型的實操演練，隨機(jī)性、遠(yuǎn)程化的自測考評，再現(xiàn)鐵路客車干線絕緣檢測和故障處理的作業(yè)過程，實現(xiàn)客車車輛段對25G 型AC 380 V空調(diào)客車干線絕緣故障處理的人員實作培訓(xùn)。提高客車車輛檢修人員的技術(shù)能力和作業(yè)水平，保證客車車輛檢修質(zhì)量，實現(xiàn)客車運用安全。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維建模技術(shù)

主要通過3ds MAX 工具對車輛及相關(guān)場景進(jìn)行數(shù)字建模，然后在VR 開發(fā)軟件平臺內(nèi)對模型進(jìn)一步優(yōu)化，并在材質(zhì)、貼圖、光影關(guān)系、骨骼動畫等方面進(jìn)行一系列處理，生成車輛內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的虛擬場景。系統(tǒng)顯示采用國際通行的720p標(biāo)準(zhǔn)；畫面尺寸：1280×720；畫幅比例：16：9；幀率：25 幀/秒。

3.2 人機(jī)交互技術(shù)

虛擬現(xiàn)實要求人機(jī)交互能夠讓操作者能在虛擬空間(virtual environment，VE) 逼真的感受到真實世界一樣的視覺、聽覺、觸覺等感官反饋。VE 空間的浸入體驗，讓學(xué)員能夠體會到操作真實客車車輛帶來的感官感受。系統(tǒng)應(yīng)用目前世界最先進(jìn)的HTC Vive 系統(tǒng)作為終端平臺，將傳感手套、觸覺和力反饋裝置、頭盔式顯示器、3D 聲音生成器等應(yīng)用到客車車輛檢修培訓(xùn)系統(tǒng)中，增加學(xué)員的沉浸感。該系統(tǒng)還能實現(xiàn)多人通過投屏觀看操作人員在場景內(nèi)的實際操作流程。

4 系統(tǒng)性能及功能概述

（1）系統(tǒng)符合客車車輛段《25G 型AC 380 V 空調(diào)客車電力連接座絕緣不良故障處理作業(yè)指導(dǎo)書》作業(yè)流程要求。

施蟄存（1905年12月3日-2003年11月19日）中國現(xiàn)代著名作家、文學(xué)翻譯家、學(xué)者，華東師范大學(xué)中文系教授。原名施青萍，筆名青萍、安華、薛蕙等。施蟄存是中國新感覺派小說的代表作家，以心理描寫見長。

（2）系統(tǒng)以一列18 輛25G 型AC 380 V 空調(diào)客車客車為整體框架（見圖1），模擬庫檢作業(yè)檢測空調(diào)客車干線絕緣不良狀態(tài)，按作業(yè)指導(dǎo)書流程對可能存在的故障項點進(jìn)行排查。

圖1 整體框架

（3）系統(tǒng)涵蓋作業(yè)前準(zhǔn)備、相關(guān)檢查檢測、排查故障車輛、查找故障點、故障處理及安裝修復(fù)等功能環(huán)節(jié)。

作業(yè)前準(zhǔn)備：

①按規(guī)定穿戴勞動保護(hù)用品，帶好常用作業(yè)工具，作業(yè)前使用對講機(jī)聯(lián)系確認(rèn)插設(shè)防護(hù)信號（見圖2、圖3）。

圖2 穿戴勞動保護(hù)用品

圖3 確認(rèn)防護(hù)信號

②檢查絕緣表校驗不過期，進(jìn)行開、短路試驗，核對環(huán)境濕度（見圖 4、圖 5）。

圖4 絕緣表校驗

圖5 溫濕度校驗

檢測絕緣，排查并處理故障過程：

①確認(rèn)發(fā)電車柴油機(jī)組停機(jī)，DC24V/48V 已斷電（見圖6、圖 7）。

圖6 柴油機(jī)組停機(jī)

圖7 確認(rèn)斷電

②進(jìn)行車體Ⅰ、Ⅱ路干線絕緣檢測：打開車列首（尾）部車輛車端電力插座防護(hù)蓋，用絕緣表依次檢測線間（U-V、VW、U-W）、線對地間絕緣（U-N、V-N、W-N）（見圖 8）。

圖8 干線絕緣檢測

③將絕緣不良的一側(cè)車輛與發(fā)電車連接的電力連接線摘除分離，按照1/2 分段查找的方法找到故障車輛（見圖9）。

圖9 排查故障車輛

④將絕緣不良的干線分線盒打開，使用套筒扳手將分線盒內(nèi)的三相干線及N 線接線柱螺母拆下，使用絕緣表分別檢測一、二位端三相干線與N 線間絕緣，使用套筒扳手將一位端上、下電力連接座螺栓拆下，檢查判斷出故障點并處理故障（見圖 10、圖 11）。

圖10 查找故障點

圖11 處理故障

故障處理結(jié)果確認(rèn)并恢復(fù)車輛連掛：使用絕緣表檢測一位端三相干線與N 線間絕緣良好，分別安裝恢復(fù)二路干線分線盒配線及一位端上、下電力連接座?；謴?fù)結(jié)束再次檢測確認(rèn)三相干線與N 線間絕緣良好后，依次將電力連接線分離的全部連掛恢復(fù)并確認(rèn)良好（見圖12）。

圖12 恢復(fù)連掛

5 應(yīng)用情況

系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡便，效果逼真，可解決傳統(tǒng)培訓(xùn)方式存在的時空受限、培訓(xùn)人次受限、物料消耗多、故障類型單一等問題，實現(xiàn)培訓(xùn)內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化和考核內(nèi)容的隨機(jī)性，提升培訓(xùn)質(zhì)量和效果。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）節(jié)約培訓(xùn)成本。培訓(xùn)場地小，可節(jié)約大量實訓(xùn)基地占地面積及實訓(xùn)場館建設(shè)費用。

（2）培訓(xùn)過程安全環(huán)保。通過軟件系統(tǒng)學(xué)習(xí)和演練可避免新學(xué)員因為誤操作而引發(fā)的人身傷害事故，可避免因天氣或其他原因?qū)е聼o法進(jìn)行培訓(xùn)教學(xué)；

（3）提升教學(xué)質(zhì)量。采用課堂現(xiàn)場計算機(jī)組合，既增加了趣味性，又使教學(xué)過程具有立體感、真實感，學(xué)員接受度高，且培訓(xùn)故障可隨機(jī)生成，學(xué)習(xí)多樣性、新穎性強(qiáng)。

6 結(jié)論

25G 型AC 380 V 空調(diào)客車干線絕緣故障處理VR 實訓(xùn)系統(tǒng)場景逼真、動畫流暢、功能合理、操作簡便、沉浸感強(qiáng)，仿真教學(xué)與實際作業(yè)可完美契合，不僅創(chuàng)新了培訓(xùn)形式，提高了培訓(xùn)效果，同時也具有良好的推廣應(yīng)用價值，對于旅客列車檢修作業(yè)人員培訓(xùn)的創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。