基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的調(diào)度集中和列車調(diào)度指揮三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

張威

摘要：針對(duì)鐵路調(diào)度集中和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)的教學(xué)、培訓(xùn)和運(yùn)輸安全的需求，研究設(shè)計(jì)一套既能應(yīng)用于職業(yè)院校教學(xué)和實(shí)訓(xùn)，也能應(yīng)用于鐵路現(xiàn)場(chǎng)職工培訓(xùn)的虛擬現(xiàn)實(shí)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。根據(jù)教學(xué)和培訓(xùn)的需要，設(shè)計(jì)了鐵路調(diào)度集中和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)的培訓(xùn)內(nèi)容、教學(xué)功能、技術(shù)指標(biāo)和架構(gòu)組成，形成了完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為系統(tǒng)的研發(fā)過程做出了詳細(xì)規(guī)劃，通過具體實(shí)施，形成了教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：調(diào)度集中;列車調(diào)度指揮系統(tǒng);虛擬現(xiàn)實(shí);仿真平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）12-0238-03

現(xiàn)代化的鐵路運(yùn)輸調(diào)度指揮方法是鐵路運(yùn)輸管理現(xiàn)代化的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是鐵路運(yùn)輸信息化建設(shè)和應(yīng)用的重點(diǎn)。鐵路列車調(diào)度指揮系統(tǒng)以信息技術(shù)改變了傳統(tǒng)的調(diào)度指揮模式，實(shí)現(xiàn)了透明指揮和控制。鐵路調(diào)度集中和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)（TDCS 和 CTC）是鐵路發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)，也是鐵路電務(wù)專業(yè)工作人員必須掌握的信號(hào)新技術(shù)。TDCS 和 CTC 設(shè)備造價(jià)昂貴，需要場(chǎng)地，而且需要建立在多個(gè)真實(shí)聯(lián)鎖車站的基礎(chǔ)上才能采集到足夠的聯(lián)鎖數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮系統(tǒng)功能，因此，建設(shè) TDCS 和 CTC 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)非常困難。另外，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于 TDCS 和 CTC 設(shè)備的相關(guān)課程資源極其匱乏，極大地影響了相關(guān)課程的教學(xué)質(zhì)量，因此目前急需一種先進(jìn)的手段來解決教學(xué)過程中遇到的困難?；谀壳暗臈l件，可以采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，仿真現(xiàn)場(chǎng)TDCS 和 CTC 設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理、標(biāo)準(zhǔn)化檢修作業(yè)過程和常見故障處理等內(nèi)容，教師可以在教室授課時(shí)使用該系統(tǒng)配合理論講解，提高學(xué)生的理解程度，也可以安排學(xué)生在電腦上通過交互式的操作，完成設(shè)備認(rèn)知和作業(yè)實(shí)訓(xùn)的過程，在對(duì)設(shè)備有了直觀認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，教師再進(jìn)行教學(xué)和指導(dǎo)，就能使學(xué)生迅速理解和掌握相關(guān)設(shè)備的原理和維護(hù)知識(shí)，學(xué)生通過課程教學(xué)后相當(dāng)于參加了一次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)，能極大地減輕教師教學(xué)難度，提升教學(xué)質(zhì)量和效率，并且為學(xué)生畢業(yè)后從事相關(guān)專業(yè)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 培訓(xùn)系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)度集中和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)課程教學(xué)的需要，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況，按照職業(yè)技能教學(xué)培養(yǎng)思路，首先使學(xué)員了解設(shè)備結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上熟知設(shè)備的日常操作和標(biāo)準(zhǔn)化檢修作業(yè)流程，最后掌握常見故障的處理思路和方法。按照上述思路設(shè)計(jì)了調(diào)度集中和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)兩大類設(shè)備的教學(xué)培訓(xùn)內(nèi)容。

1.1 調(diào)度集中系統(tǒng)教學(xué)培訓(xùn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要分為“列車調(diào)度指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)、列車調(diào)度指揮系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化檢修作業(yè)和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)常見故障處理”三大部分教學(xué)培訓(xùn)內(nèi)容，其中列車調(diào)度指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)又包含“列車調(diào)度指揮系統(tǒng)機(jī)柜拆解和組裝、列車調(diào)度指揮系統(tǒng)主控室設(shè)備的拆解和組裝”共2個(gè)獨(dú)立的教學(xué)培訓(xùn)單元模塊;列車調(diào)度指揮系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化檢修作業(yè)包含“機(jī)柜內(nèi)部檢查、機(jī)柜外部檢查、主備機(jī)功能切換、鼠標(biāo)檢查、鍵盤檢查、顯示器檢查、內(nèi)部控制臺(tái)檢修”共7個(gè)獨(dú)立的教學(xué)培訓(xùn)單元模塊;列車調(diào)度指揮系統(tǒng)常見故障處理包含“A 機(jī)、B 機(jī)無(wú)法切換、TDCS 系統(tǒng)顯示器故障、TDCS 系統(tǒng)硬盤故障、工控機(jī)死機(jī)故障、TDCS 系統(tǒng) NPC 板故障、路由器 2T 模塊故障、通道雙斷故障”共7個(gè)獨(dú)立的教學(xué)培訓(xùn)單元模塊。

1.2 列車調(diào)度指揮系統(tǒng)教學(xué)培訓(xùn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要分為“調(diào)度集中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)、調(diào)度集中系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化檢修作業(yè)和調(diào)度集中系統(tǒng)常見故障處理”三大部分教學(xué)培訓(xùn)內(nèi)容，其中調(diào)度集中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)又包含“工控柜拆解和組裝、采集柜拆解和組裝、運(yùn)轉(zhuǎn)室 CTC 設(shè)備拆解和組裝”共 2個(gè)獨(dú)立的教學(xué)培訓(xùn)單元模塊;調(diào)度集中系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化檢修作業(yè)包含“CTC 檢修程序柜內(nèi)檢查、CTC 檢修程序倒換試驗(yàn)檢測(cè)、工控柜檢修、采集柜檢修”共4個(gè)獨(dú)立的教學(xué)培訓(xùn)單元模塊;調(diào)度集中系統(tǒng)常見故障處理包含“自律機(jī)故障處理、工控機(jī)硬盤連接線松動(dòng)、采集柜硬盤更換、工控機(jī)單機(jī)切換故障檢修、工控機(jī)硬件接觸不良故障檢修、工控機(jī)電源故障”共6個(gè)獨(dú)立的教學(xué)培訓(xùn)單元模塊。

2系統(tǒng)教學(xué)功能設(shè)計(jì)

調(diào)度集中系統(tǒng)和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，科學(xué)的體系框架和功能設(shè)計(jì)對(duì)提高學(xué)員的教學(xué)培訓(xùn)和考核質(zhì)量至關(guān)重要。系統(tǒng)遵循建模、仿真、表現(xiàn)一體化的方法論，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，系統(tǒng)采用“學(xué)習(xí)、練習(xí)、考試”三位一體閉環(huán)式的教學(xué)模式，將各類系統(tǒng)教學(xué)培訓(xùn)功能與三種教學(xué)模式相結(jié)合，能迅速提升認(rèn)知和理解效率，具體功能設(shè)計(jì)如下：

（1） 學(xué)習(xí)模式：使用文字、語(yǔ)音及視頻，分步驟直觀講解設(shè)備操作、巡視檢修和應(yīng)急處置的相關(guān)知識(shí)，告訴學(xué)員需要做什么、該怎么做，使用什么工具或儀器，達(dá)到什么樣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。

（2） 練習(xí)模式：學(xué)員根據(jù)提示采用交互式操作來完成實(shí)踐演練過程，學(xué)員端的各項(xiàng)操作演練過程中均有專家引導(dǎo)系統(tǒng)幫助學(xué)員自行開展演練，文字欄將提示每一步的操作方法，具體操作位置會(huì)有閃爍提示，學(xué)生主動(dòng)選取工具器材，根據(jù)過關(guān)式的原則，嚴(yán)格按實(shí)驗(yàn)步驟操作，做錯(cuò)會(huì)有錯(cuò)誤提示，正確會(huì)有正確提示，相當(dāng)于教師在身邊全程指導(dǎo)，一步步完成學(xué)習(xí)模式講授的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)員的一對(duì)一指導(dǎo)，大大提高了學(xué)員的學(xué)習(xí)效率。

（3） 考試模式：在考試模式下，專家引導(dǎo)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉操作提示功能。并且設(shè)定了考試完成時(shí)間，規(guī)定時(shí)間內(nèi)，學(xué)生可以完全自由的選擇步驟和工具器材，在沒有任何提示和指導(dǎo)的情況下，完成整個(gè)操作、檢修或應(yīng)急處置過程，系統(tǒng)自動(dòng)記錄學(xué)員操作步驟分?jǐn)?shù)，考試結(jié)束后自動(dòng)評(píng)判每個(gè)作業(yè)步驟正確與否，給出到每個(gè)作業(yè)步驟的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)和總成績(jī)，能夠清晰地知曉操作錯(cuò)誤之處，加深學(xué)員的認(rèn)識(shí)和判斷，方便學(xué)生回到學(xué)習(xí)和練習(xí)模式反復(fù)學(xué)練之后，最終滿分通過考試，熟練掌握實(shí)踐技能。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)教學(xué)培訓(xùn)的需求，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、具體功能實(shí)現(xiàn)層、系統(tǒng)核心整合層和人機(jī)接口層四大層次，如圖1所示，具體內(nèi)容和功能如下：

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層：主要包括各類三維立體模型組成的虛擬環(huán)境、設(shè)備、工具、文字、圖片、動(dòng)畫、語(yǔ)音和按鈕 UI 等一系列系統(tǒng)基本元素和相關(guān)教學(xué)知識(shí)內(nèi)容。

2）具體功能實(shí)現(xiàn)層：包括四個(gè)子系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各類主要功能。

（1）圖形圖像顯示子系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維模型構(gòu)建和加載顯示、實(shí)時(shí)光影效果、模型材質(zhì)系統(tǒng)、物體表面多層貼圖系統(tǒng)，能構(gòu)建出信號(hào)機(jī)械室內(nèi)和車站運(yùn)轉(zhuǎn)室內(nèi)真實(shí)的作業(yè)環(huán)境，同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的剛體動(dòng)畫、柔體動(dòng)畫、人物骨骼動(dòng)畫和二維動(dòng)畫等功能。

（2）事件流程控制子系統(tǒng)：將整個(gè)程序分解為多個(gè)子程序單元，可實(shí)現(xiàn)智能組合、判斷、選擇、跳轉(zhuǎn)等功能。

（3）工具仿真子系統(tǒng)：包含三維虛擬軟件系統(tǒng)、工具虛擬模型、軟件接口、仿真系統(tǒng)與交互控制、工具的碰撞檢測(cè)等。

（4）智能化引導(dǎo)教學(xué)系統(tǒng)：教學(xué)系統(tǒng)以智能化的方式，根據(jù)不同的場(chǎng)景和條件，通過圖表、文字、顏色和聲音等多種方式給予學(xué)員豐富詳細(xì)的操作指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)學(xué)員的自主學(xué)習(xí)和演練。

3）系統(tǒng)核心整合層：根據(jù)用戶的操作，綜合調(diào)用系統(tǒng)的各子系統(tǒng)功能，計(jì)算后將正確的結(jié)果通過圖形處理器輸出給用戶，同時(shí)記錄用戶各類數(shù)據(jù)，并且為變量交換等功能提供臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

4）人機(jī)接口層：包括系統(tǒng)選擇界面、具體教學(xué)單元模塊的操作界面和幫助文件等一系列用戶的操作界面和鼠標(biāo)鍵盤等硬件設(shè)備的按鍵控制接口功能。

4系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 模型創(chuàng)建與場(chǎng)景設(shè)置

TDCS 和 CTC 系統(tǒng)由多個(gè)機(jī)柜和車務(wù)終端等設(shè)備組成，使用3ds MAX工具建立三維模型和展UV后，使用 Substance Painter 工具制作顏色、高光、法線、凹凸、金屬等貼圖，導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D引擎中賦予材質(zhì)和貼圖，根據(jù)不同設(shè)備和零部件的物理屬性，設(shè)置其材質(zhì)的光學(xué)屬性，形成光線照射時(shí)的反射和散射等效果。最后設(shè)置燈光和天空盒之后進(jìn)行整體烘焙，完成場(chǎng)景的基礎(chǔ)模型創(chuàng)建工作[1]。

4.2 場(chǎng)景仿真

根據(jù) TDCS 和 CTC 系統(tǒng)的設(shè)備物理屬性，在 Unity3D 引擎中設(shè)置各設(shè)備和零部件的碰撞檢測(cè)功能，形成碰撞觸發(fā)器。根據(jù)教學(xué)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)各類設(shè)備檢修時(shí)的攝像機(jī)移動(dòng)、三維動(dòng)畫和粒子特效等效果，使用時(shí)間軸time line和Animator 等組件配合完成主要教學(xué)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的講解和表現(xiàn)過程。編程實(shí)現(xiàn)“學(xué)習(xí)、練習(xí)和考試”三位一體教學(xué)模式的控制功能，形成教學(xué)的閉環(huán)。

4.3 人機(jī)交互界面的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)功能制作系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，首先使用 Photoshop 等工具制作按鈕和各類面板等UI素材，然后為各類功能按鈕設(shè)置特效和腳本，實(shí)現(xiàn)交互控制功能。

4.4 系統(tǒng)發(fā)布測(cè)試

系統(tǒng)可以發(fā)布輸出為 Windows、Android、IOS、HTML5等平臺(tái)的應(yīng)用程序或網(wǎng)頁(yè)資源，根據(jù)不同的操作系統(tǒng)和平臺(tái)進(jìn)行貼圖的優(yōu)化設(shè)置，盡量保證程序在流暢運(yùn)行的情況下降低硬件資源消耗，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。TDCS系統(tǒng)最終的運(yùn)行效果如圖2所示，CTC系統(tǒng)最終的運(yùn)行效果如圖3所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)時(shí)的設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法，通過鐵路調(diào)度集中和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了分析和歸納，形成了清晰的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和具體實(shí)現(xiàn)方法，通過具體實(shí)施形成了TDCS和CTC系統(tǒng)的三維仿真類培訓(xùn)系統(tǒng)，豐富了該類課程的教學(xué)培訓(xùn)資源，解決了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)困難的問題，也為同類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊明晟，胡遠(yuǎn)彪.基于Unity 3D的巖心鉆機(jī)模擬操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].有色金屬工程，2020，10（9）：117-121.

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