混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道交通信號(hào)與控制的應(yīng)用＊

黃聰

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州 545616）

0.引言

近年來(lái)，我國(guó)軌道交通行業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，列車(chē)控制與運(yùn)輸指揮等各種鐵路產(chǎn)品均發(fā)生了改變，鐵路運(yùn)營(yíng)里程明顯增加，運(yùn)營(yíng)速度也隨之提升，同時(shí)對(duì)鐵路建設(shè)效率和信號(hào)設(shè)備能夠安全平穩(wěn)運(yùn)行提出了更高的要求。在當(dāng)代軌道交通技術(shù)中充分融合混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)對(duì)主要環(huán)節(jié)進(jìn)行虛擬仿真，借助有關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，使工作效率與質(zhì)量得到大幅提升，有效節(jié)省維護(hù)成本，同時(shí)又能確保某些工作環(huán)節(jié)具備一定的安全性。

1.簡(jiǎn)述混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1.1 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)全稱(chēng)是Mediated Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)為MR，包括了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)跟增強(qiáng)虛擬，是被“智能硬件之父”多倫多大學(xué)教授Steve Mann所提出的介導(dǎo)現(xiàn)實(shí)進(jìn)而演化而來(lái)的?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)際上是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種延伸，它借助計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)及可視化技術(shù)可生成現(xiàn)實(shí)中不存在的虛擬對(duì)象，而后再利用傳感技術(shù)可把此虛擬對(duì)象疊加至真實(shí)環(huán)境當(dāng)中來(lái)，如此一來(lái)虛擬對(duì)象跟真實(shí)環(huán)境就是實(shí)時(shí)出現(xiàn)在同一空間中，而用戶在現(xiàn)實(shí)設(shè)備的幫助下，便可觀看到與體驗(yàn)到十分充滿真實(shí)感的新環(huán)境[1]。

1.2 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

首先，它把現(xiàn)實(shí)世界跟虛擬世界結(jié)合在一起，其次，能夠?qū)崟r(shí)交互運(yùn)行，即用戶可以跟虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界展開(kāi)實(shí)時(shí)自然化的交互，最后，它可對(duì)三維虛擬模型加以匹配，即把虛擬世界跟現(xiàn)實(shí)世界展開(kāi)精準(zhǔn)對(duì)齊。

一般而言，AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)）選用的都是可視化技術(shù)，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下經(jīng)過(guò)相機(jī)自定位可直接將虛擬信息或場(chǎng)面疊加在畫(huà)面中，但并未詳細(xì)融合邏輯坐標(biāo)；而MR在對(duì)一個(gè)或多個(gè)物體開(kāi)展定位追蹤的基礎(chǔ)上，有效的把現(xiàn)場(chǎng)物體跟虛擬場(chǎng)景相融合到了一起，呈現(xiàn)出來(lái)的是更具真實(shí)性、充滿虛實(shí)結(jié)合特色的畫(huà)面及場(chǎng)景。通常來(lái)說(shuō)，一個(gè)MR系統(tǒng)包含有4個(gè)構(gòu)成要素，它們分別是虛擬場(chǎng)景生成單元、頭部跟蹤裝置、穿透式頭盔顯示器及交互設(shè)備。這4部分在各自的“崗位”上“各司其職”，其中虛擬場(chǎng)景生成單元主要用在虛擬環(huán)境的管理、模擬及搭建上；頭部跟蹤裝置主要用來(lái)跟蹤用戶視線；穿透式頭盔顯示器則用來(lái)將真實(shí)場(chǎng)景環(huán)境跟虛擬環(huán)境信息相融合起來(lái)；而交互設(shè)備主要是用來(lái)輸出、輸入多種感官數(shù)據(jù)[2]。

2.城市軌道交通信號(hào)與控制

目前，城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)所起到的作用日益增長(zhǎng)，選擇與現(xiàn)場(chǎng)情況相符的一種城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)控制形式，將有利于城市軌道交通更好的發(fā)揮出自身作用。隨著技術(shù)的更新與發(fā)展，信號(hào)系統(tǒng)工作效率得到了顯著提升，在信號(hào)系統(tǒng)作用下，城市軌道交通安全運(yùn)行的能力得到了一定程度的提高，做好城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)維護(hù)工作，從基本運(yùn)營(yíng)逐步延伸，有效確保信號(hào)系統(tǒng)精準(zhǔn)傳輸信息，加強(qiáng)運(yùn)行過(guò)程中防控系統(tǒng)外部風(fēng)險(xiǎn)的能力，才有助于軌道交通信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行的更加高效、可靠。在軌道交通信號(hào)控制中，十分有必要把內(nèi)部調(diào)控跟外部信號(hào)防護(hù)相結(jié)合在一起，并有針對(duì)性地處理特定問(wèn)題，例如，應(yīng)如何運(yùn)用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)備運(yùn)維檢修，如何實(shí)現(xiàn)用戶培訓(xùn)遠(yuǎn)程協(xié)作，怎樣做好有關(guān)的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)與仿真，如何發(fā)揮其遠(yuǎn)程輔助檢查功能。特別是在運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)。就信號(hào)控制方式上，我們不僅要做好風(fēng)險(xiǎn)的防控工作，還要盡可能選用新型技術(shù)融入到軌道交通信號(hào)中來(lái)，有效促使城市軌道交通行業(yè)發(fā)展更加長(zhǎng)遠(yuǎn)安全。

3.混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道交通信號(hào)與控制中的應(yīng)用

3.1 用于設(shè)備運(yùn)維檢修

在技術(shù)不斷發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷進(jìn)步的基礎(chǔ)上，軌道交通信號(hào)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)水平越來(lái)越高，尤其是無(wú)人駕駛線路運(yùn)用的設(shè)備信息化及智能化程度十分高，所以在對(duì)交通信號(hào)進(jìn)行維護(hù)時(shí)，工作現(xiàn)場(chǎng)需很多具備專(zhuān)業(yè)維修技能的維修人才可以對(duì)故障涉筆展開(kāi)及時(shí)維護(hù)。也就是說(shuō)這高度依賴具備極強(qiáng)專(zhuān)業(yè)技能且可以及時(shí)作出響應(yīng)的工作人員。通常來(lái)說(shuō)，設(shè)備故障的維修都是由第三方專(zhuān)業(yè)服務(wù)商和設(shè)備制造廠商所負(fù)責(zé)的，當(dāng)維修人員到達(dá)后，他們會(huì)根據(jù)維修指導(dǎo)手冊(cè)及自身經(jīng)驗(yàn)展開(kāi)維修。而一旦遇到相對(duì)復(fù)雜的故障，或者是無(wú)法確定的故障點(diǎn)時(shí)，他們就不得不倚靠技術(shù)專(zhuān)業(yè)的遠(yuǎn)程指導(dǎo)或是邀請(qǐng)他們到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修。所以排障及維修方法很難得到有效傳承，且設(shè)備維修不僅耗費(fèi)時(shí)間，還耗費(fèi)一定的精力。

而融合了MR技術(shù)的設(shè)備檢修指導(dǎo)系統(tǒng)，可通過(guò)MR設(shè)備HoloLens實(shí)時(shí)向我們顯示具體的維修方案?，F(xiàn)場(chǎng)維修工作者穿戴HoloLens以后，可以更加直觀地看到虛擬設(shè)備具體模型、維修技術(shù)操作動(dòng)畫(huà)文字及相關(guān)的提示語(yǔ)音。借助HoloLens內(nèi)外部攝像頭和語(yǔ)音設(shè)備，可以及時(shí)對(duì)維修者的操作視線和手法進(jìn)行跟蹤與識(shí)別，并完成人機(jī)交互。通過(guò)對(duì)接集中監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)取得信號(hào)反饋等數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)客觀分析有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)跟以往故障案例相對(duì)比，估算出故障點(diǎn)有關(guān)信息，并把這些特征傳送至HoloLens中，現(xiàn)場(chǎng)維修者通過(guò)匹配故障特征，可迅速判斷出是否為常見(jiàn)故障，若是則可直接調(diào)出解決方案，并根據(jù)具體方案展開(kāi)維修，而如果此故障無(wú)法識(shí)別，那么維修者則可以迅速聯(lián)系專(zhuān)家進(jìn)行遠(yuǎn)程在線指導(dǎo)，把現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)畫(huà)面跟數(shù)據(jù)信息同步發(fā)送給專(zhuān)家客戶端，由他們遠(yuǎn)程指導(dǎo)故障排修工作。由此可見(jiàn)這種設(shè)備檢修知道系統(tǒng)不僅可以有效提升現(xiàn)場(chǎng)維修工作者的技術(shù)水平，還能使維修流程及效率得到顯著提升，這是一種設(shè)備維修新模式，更有利于維護(hù)交通信號(hào)與控制的安全性及平穩(wěn)性。

3.2 用戶培訓(xùn)遠(yuǎn)程協(xié)作

目前，軌道交通現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)安裝及用戶培訓(xùn)都面臨著同一個(gè)挑戰(zhàn)：軌道交通信號(hào)遍及全國(guó)，安裝及培訓(xùn)環(huán)節(jié)至關(guān)重要，而符合安裝與培訓(xùn)技能的人才都需要較長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)才行，且傳統(tǒng)出差模式無(wú)論是對(duì)生產(chǎn)成本還是對(duì)工作效率方面都產(chǎn)生了不小的影響。而我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試中有效引入MR技術(shù)，恰好有助于讓那些具備相關(guān)技能的人才徹底擺脫傳統(tǒng)出差帶來(lái)的疲勞感。把遠(yuǎn)程通信跟MR技術(shù)充分融合，創(chuàng)建一個(gè)虛擬仿真系統(tǒng)，借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)共享設(shè)備模型和設(shè)備配線圖等信息，遠(yuǎn)程模擬并演示安裝過(guò)程，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員實(shí)現(xiàn)仿真培訓(xùn)工作。借助多通道人機(jī)交互技術(shù)，能夠讓異地、多人及時(shí)參與到安裝調(diào)試中來(lái)，培訓(xùn)內(nèi)容具備極強(qiáng)交互性，通過(guò)實(shí)時(shí)交流和實(shí)物仿真操作可以做到遠(yuǎn)程培訓(xùn)完美融合，進(jìn)而省去大量因?yàn)楣ぷ魅藛T頻繁奔波而帶來(lái)的成本，大大減少了安裝調(diào)試和維修等工作周期，沖破了地域、文字及語(yǔ)音培訓(xùn)缺乏直觀性等的束縛，同時(shí)將混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在其中還能極大提高現(xiàn)場(chǎng)工作人員的技術(shù)水平，從而提升其工作效率，為軌道交通行業(yè)蓬勃發(fā)展提供一臂之力[3]。此外，還需要對(duì)產(chǎn)品使用的用戶，運(yùn)營(yíng)人員等進(jìn)行培訓(xùn)，有效規(guī)避使用中出現(xiàn)的問(wèn)題及風(fēng)險(xiǎn)，提高應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的處理能力。

3.3 軌道交通信號(hào)有關(guān)的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)與仿真

在設(shè)計(jì)與交通信號(hào)控制有關(guān)的新產(chǎn)品時(shí)，我們也可以充分應(yīng)用混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，即預(yù)先創(chuàng)建一整套新產(chǎn)品系統(tǒng)或某一部分，而后通過(guò)立體投影技術(shù)，設(shè)計(jì)者可親自步入到系統(tǒng)內(nèi)部中，并感受、分析設(shè)計(jì)的產(chǎn)品架構(gòu)是否為科學(xué)、合理的，是否達(dá)到了人性化使用要求，而后再根據(jù)具體情況及時(shí)調(diào)整或更改設(shè)計(jì)方案，不僅有效減少了設(shè)計(jì)變更時(shí)間及周期，而且還大大節(jié)省了設(shè)計(jì)所需的成本。

3.4 遠(yuǎn)程輔助檢查功能

混合實(shí)現(xiàn)技術(shù)還可以用于遠(yuǎn)程輔助檢查功能。作為一種高效的輔助工具，該功能除了包括專(zhuān)家遠(yuǎn)程輔助故障處理外，還可以在設(shè)備安裝調(diào)試階段，遠(yuǎn)程對(duì)以對(duì)設(shè)備的外觀，裝配情況等內(nèi)容進(jìn)行輔助檢查，從而提高現(xiàn)場(chǎng)工程人員的準(zhǔn)確率。此外，還可以應(yīng)用到運(yùn)營(yíng)階段的定期維護(hù)檢查中，在遠(yuǎn)程環(huán)境中熟悉各個(gè)部件及裝配的過(guò)程，進(jìn)而提高相關(guān)人員的設(shè)備裝配能力，通過(guò)該技術(shù)輔助維護(hù)人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)指導(dǎo)。

4.結(jié)語(yǔ)

跟國(guó)外相較來(lái)說(shuō)，我國(guó)MR技術(shù)不管是在應(yīng)用推廣還是在硬件的開(kāi)發(fā)研究上，還存在著一定的差距，特別是在軌道交通信號(hào)與控制的應(yīng)用方面，我國(guó)尚處于摸索時(shí)期。盡管MR技術(shù)的應(yīng)用前景領(lǐng)域十分廣闊，但它在應(yīng)用過(guò)程中依然會(huì)受到經(jīng)濟(jì)投入、軟硬件開(kāi)發(fā)等方面的約束。相信在各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展日趨成熟、探究力度越來(lái)越大的今后，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)對(duì)軌道交通信號(hào)與控制方面造成極為長(zhǎng)遠(yuǎn)影響。