三維模擬仿真在鐵路機車駕駛上的應(yīng)用

張 贏

（呼和浩特鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所 內(nèi)蒙古呼和浩特 010052）

三維模擬仿真在鐵路機車駕駛上的應(yīng)用

張 贏

（呼和浩特鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所 內(nèi)蒙古呼和浩特 010052）

本文是通過運用3D Studio Max軟件，建立適當(dāng)?shù)娜S模擬仿真場景和電力機車模型，運用VRP交互虛擬現(xiàn)實平臺軟件進行編譯開發(fā)，使機車司機通過電腦操控三維模擬仿真的HXD3D電力機車模型，在三維模擬仿真虛擬現(xiàn)實場景中進行電力機車駕駛標準化作業(yè)的學(xué)習(xí)。這將對機車司機的標準化作業(yè)提供真實可靠的模擬仿真環(huán)境，是一種比較實用的培訓(xùn)新入職機車司機標準化作業(yè)的方法。

三維仿真 3D Studio Max VRP

1 引言

鐵路系統(tǒng)對新入職機車司機的培訓(xùn)一般采用比較傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式，即：授課、現(xiàn)場學(xué)習(xí)、練習(xí)、實際操作等方式來培訓(xùn)機車司機，這種傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式與方法具有一定的局限性和危險因素。運用三維仿真模擬的方式來培訓(xùn)司機，這樣不僅可以使新入職的司機快速學(xué)習(xí)、了解、掌握機車駕駛的基本原理和標準化作業(yè)流程，而且可以避免去現(xiàn)場學(xué)習(xí)、練習(xí)時候所產(chǎn)生的局限性、危險因素。因此，三維仿真模擬在鐵路機車駕駛上的應(yīng)用具有很重要的意義，它不僅僅為新入職的機車司機提供一個快速入手、良好、真實、安全、可靠的培訓(xùn)環(huán)境與手段，而且三維仿真模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)，對新入職的培訓(xùn)司機而言，具有安全、經(jīng)濟、高效、培訓(xùn)過程可控可重復(fù)、便于進行突發(fā)事件及故障狀態(tài)模擬等優(yōu)點，有助于培訓(xùn)司機在特殊條件下的駕駛技能及應(yīng)變能力。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，在三維仿真模擬駕駛設(shè)備上培訓(xùn)新入職的鐵路司機，一般可節(jié)省30%的經(jīng)費。

國內(nèi)目前針對鐵路機車駕駛的三維仿真模擬系統(tǒng)相關(guān)研究已取得了不少成果，并將其轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品投入使用，應(yīng)用效果良好。市場上現(xiàn)有各種針對鐵路系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計的三維仿真模擬系統(tǒng)，盡管系統(tǒng)在設(shè)計界面和操作方式、方法上存在差異，但基本的原理與設(shè)計思路都是一致的。這類仿真模擬系統(tǒng)，雖然有效的解決了新入職機車司機的培訓(xùn)，但是并沒有完全解決司機對實際現(xiàn)場環(huán)境的駕駛培訓(xùn)，而且價格較高，安裝過程復(fù)雜，耗時長。對鐵路局來說是一個較大的經(jīng)濟負擔(dān)。

2 總體方案設(shè)計

開展研究，經(jīng)過與鐵路局機務(wù)處、總工室等部門共同研究，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型電力機車模型。

（1）選定的區(qū)間線路距離工作場所較近，為現(xiàn)場數(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型電力機車是我局擔(dān)當(dāng)客運牽引任務(wù)的主力機型。

（4）我局已有的模擬操縱臺還沒有對HXD3D型機車的模擬操作功能，該項目的研究成果可彌補這一空白。

3 三維模型的確定

（1）呼和浩特站與呼和浩特東站站場視景制作。包括站房、站臺、線路、道岔、信號機、接觸網(wǎng)及周邊建筑。

（2）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。

（3）HXD3D型電力機車完全仿真模型的制作。

4 三維模型設(shè)計與建立

4.1 場景建模

建筑的三維模型的搭建相對簡單，重點是對建筑模型的貼圖。建模過程中，基本都是采用創(chuàng)建簡單模型，然后對模型進行編輯、變形后，形成最終模型。需要注意的兩點：第一，由于這個大場景的底圖坐標是帶一定角度的，所以在創(chuàng)建基本體后，使用修改命令對其進行編輯的時候要注意，因為模型會沿一定角度變化而非垂直或水平方向（比如擠出、移動等操作），造成模型嚴重變形，所以在對模型進行編輯修改時應(yīng)先將其旋轉(zhuǎn)為標準坐標方向，編輯完成后再旋轉(zhuǎn)回來即可。第二，每建立一個模型，及時修改它的名字，命名最好有一定規(guī)律和特征，便于與其他制作人員所做的模型區(qū)分開，同時模型的名字也不易太長、太復(fù)雜，否則在VRP中導(dǎo)出或烘焙時容易報錯。

4.2 HXD3D型電力機車建模

HXD3D型電力機車的三維建模屬于高級建模，模型的構(gòu)建比較復(fù)雜。建模過程中，采用的基本方法和技巧與場景建?；疽恢?，有所區(qū)別的是，在建模時，必須對模型的尺寸掌握的比較詳細，以確保模型建好后不失真的同時，還可以完全可以裝配起來，特別是機車內(nèi)部機械間內(nèi)的每個設(shè)備、部件的三維模型，必須按相應(yīng)的比例進行建模，只有這樣才能夠裝配到整個機車上，同時做好模型的命名工作，這樣可以使后期的相關(guān)工作更加容易進行。

4.3 模型的合并調(diào)整

由于建立的建筑模型中，許多是一個小區(qū)內(nèi)，模型完全相同或相似，都使用同一貼圖，因此可以合并，以減少模型數(shù)量。合并的方法是：選擇其中一個建筑模型a，點擊右鍵選“Attach”，然后移動鼠標，在可以合并的另一模型b上鼠標指針變?yōu)椤?”字形，點擊鼠標左鍵，b模型外輪廓線顏色變成與a模型的一樣，表示合并成功，依次點擊c、d、e……多個模型就合并為一個。需要注意的是，不同貼圖的模型絕對不能合并；另外實例復(fù)制的模型，需先點擊“Make Unique”將其獨立，再進行合并，因此實例復(fù)制也要謹慎使用。

4.4 模型的貼圖制作

模型貼圖的制作在整個建模過程中是非常重要的一個環(huán)節(jié)，如果貼圖制作的不理想，會影響整個模型的質(zhì)量，甚至?xí)绊懙胶笃谠赩RP中的編譯。盡量不使用像素很大的貼圖，一般新建大小為512*512或256*256的圖片即可；其次，在一張圖片上放置盡量多的修改好的圖片，甚至可以是多個物體的貼圖，以供多個模型使用，這樣不僅可以減少了貼圖數(shù)量，又將使用同一貼圖的模型合并為一個物體，這也就減少了模型數(shù)量，并且避免了多維材質(zhì)的產(chǎn)生，為后期這個場景導(dǎo)入VRP提供了良好的基礎(chǔ)條件。

5 三維模型的效果

5.1 線路及站場模型

呼和站線路三維模型主要分為（線路、路基、接觸網(wǎng)、電桿以及信號機等模型），具體如下圖所示：

（1）呼和東站東側(cè)線路三維模型，如圖1所示：

（2）呼和東站西側(cè)線路三維模型，如圖2所示：

圖1 東站東側(cè)線路三維模型

圖2 東站西側(cè)線路三維模型

5.2 周圍建筑及光影

（1）東站周圍建筑及光影信息，如圖3所示：

（2）呼和站建筑及光影信息，如圖4所示：

圖3 東站周圍建筑及光影

圖4 呼和站周圍建筑及光影

5.3 機車模型與站場場景組合

HXD3D型電力機車模與站場場景模型合并后的整體模型，如圖5所示：

6 三維模型與VRP交互編譯

6.1 功能設(shè)計

在充分采納現(xiàn)場工作人員的意見后，最終確定試驗性的完成機車檢查及一般操縱練習(xí)兩個功能模塊的模擬培訓(xùn)功能。主要包括：

（1）機車駕駛室檢查標準化作業(yè)程序的學(xué)習(xí)、練習(xí)和考試。

圖5 HXD3D型電力機車三維模型

（2）機車一般操縱程序的練習(xí)。

（3）機車駕駛模擬演練平臺的開發(fā)。其主要功能是將上述培訓(xùn)模塊集成到一起。

6.2 主要制作過程

（1）根據(jù)業(yè)務(wù)需求設(shè)計虛擬現(xiàn)實程序互動腳本。

（2）將前期制作的線路視景和機車模型導(dǎo)入到VRP編輯器中。

（3）按照互動腳本的設(shè)計要求，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。（4）利用VRP編輯器打包生成可獨立運行的可執(zhí)行文件。

（5）將制作完成的培訓(xùn)模塊集成到機車駕駛模擬演練平臺中。

6.3 VRP的編譯

（1）機車駕駛模擬演練平臺。如圖6所示。

（2）機車駕駛室檢查標準化作業(yè)程序的練習(xí)模塊。如圖7所示。

圖6 機車駕駛模擬演練平臺主界面

圖7 機車駕駛室檢查練習(xí)模塊操作界面

（3）機車駕駛室檢查標準化作業(yè)程序的考試模塊，如圖8所示。

（4）機車操縱程序的練習(xí)模塊。如圖9所示。

7 結(jié)語

通過對實際現(xiàn)場用戶需求的了解，由于開發(fā)人員非鐵路專業(yè)技術(shù)人員，不熟悉鐵路規(guī)章制度，對實際現(xiàn)場提出的很多實際需求無法實現(xiàn)，因此，現(xiàn)有三維仿真模擬系統(tǒng)與實際現(xiàn)場作業(yè)情況仍然存在諸多差異。同時，由于造價昂貴，各局各站段以及全路其它單位擁有三維仿真模擬系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量較少、培訓(xùn)機會匱乏。所以，采用自主研發(fā)的方式不僅能最大程度滿足現(xiàn)場實際需求，還可以成本低，并且使學(xué)習(xí)資源變得充足，具有廣闊的市場空間，良好的推廣前景。

圖8 機車駕駛室檢查考試模塊操作界面

圖9 機車操縱程序練習(xí)模塊

三維仿真模擬的系統(tǒng)開發(fā)，作為提高駕駛員操作技能、保證運輸安全的重要工具，受到越來越多的鐵路部門所青睞，而且市場上從事該系統(tǒng)開發(fā)的其它公司屈指可數(shù)，因此由我局獨立研發(fā)擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的列車模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)意義重大，既可節(jié)約采購成本，又可豐富培訓(xùn)資源，其研究成果的推廣也將帶來良好的社會和經(jīng)濟效益。

Application of Three-Dimensional Simulation in Railway Locomotive Driving

ZHANG Ying
(Science and Technology Research Institute of Hohhot Railway Bureau Hohhot Inner Mongolia 010052 China)

Through the use of three-dimensional Studio Max software, this thesis aims to establish appropriate three-dimensional simulation scene and electric locomotive model, compiled by VRP interactive virtual reality development platform software, locomotive drivers can control HXD3D electric locomotive model in three-dimensional environment with computers, and carry out the learning of standard driving in three-dimensional virtual reality. This will provide a true and reliable simulation environment for the standard operation of locomotive drivers, and is a more practical method for training the new drivers.

three-dimensional simulation 3D Studio Max VRP

A

1673-1816(2016)04-0080-05

2016-03-10

張贏（1982-），男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，工程師，碩士研究生。