《基于虚拟现实技术的调度集中和列车调度指挥三维仿真培训系统的设计和实现》-工学论文，计算机论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

基于虚拟现实技术的调度集中和列车调度指挥三维仿真培训系统的设计和实现

范文

张威

摘要：针对铁路调度集中和列车调度指挥系统的教学、培训和运输安全的需求，研究设计一套既能应用于职业院校教学和实训，也能应用于铁路现场职工培训的虚拟现实三维仿真培训系统。根据教学和培训的需要，设计了铁路调度集中和列车调度指挥系统的培训内容、教学功能、技术指标和架构组成，形成了完整的系统设计方案，为系统的研发过程做出了详细规划，通过具体实施，形成了教学培训系统。

关键词：调度集中;列车调度指挥系统;虚拟现实;仿真平台

中图分类号：TP311? ? ? ? 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）12-0238-03

现代化的铁路运输调度指挥方法是铁路运输管理现代化的重要标准，也是铁路运输信息化建设和应用的重点。铁路列车调度指挥系统以信息技术改变了传统的调度指挥模式，实现了透明指挥和控制。铁路调度集中和列车调度指挥系统（TDCS 和 CTC）是铁路发展的重点技术，也是铁路电务专业工作人员必须掌握的信号新技术。TDCS 和 CTC 设备造价昂贵，需要场地，而且需要建立在多个真实联锁车站的基础上才能采集到足够的联锁数据，实现调度指挥系统功能，因此，建设 TDCS 和 CTC 实训系统非常困难。另外，目前国内关于 TDCS 和 CTC 设备的相关课程资源极其匮乏，极大地影响了相关课程的教学质量，因此目前急需一种先进的手段来解决教学过程中遇到的困难。基于目前的条件，可以采用虚拟现实技术，仿真现场TDCS 和 CTC 设备的结构和原理、标准化检修作业过程和常见故障处理等内容，教师可以在教室授课时使用该系统配合理论讲解，提高学生的理解程度，也可以安排学生在电脑上通过交互式的操作，完成设备认知和作业实训的过程，在对设备有了直观认识的基础上，教师再进行教学和指导，就能使学生迅速理解和掌握相关设备的原理和维护知识，学生通过课程教学后相当于参加了一次现场实训，能极大地减轻教师教学难度，提升教学质量和效率，并且为学生毕业后从事相关专业工作打下坚实基础。

1 培训系统内容设计

根据调度集中和列车调度指挥系统课程教学的需要，结合现场生产实际情况，按照职业技能教学培养思路，首先使学员了解设备结构，在此基础上熟知设备的日常操作和标准化检修作业流程，最后掌握常见故障的处理思路和方法。按照上述思路设计了调度集中和列车调度指揮系统两大类设备的教学培训内容。

1.1 调度集中系统教学培训内容设计

该系统主要分为“列车调度指挥系统结构教学、列车调度指挥系统标准化检修作业和列车调度指挥系统常见故障处理”三大部分教学培训内容，其中列车调度指挥系统结构教学又包含“列车调度指挥系统机柜拆解和组装、列车调度指挥系统主控室设备的拆解和组装”共2个独立的教学培训单元模块;列车调度指挥系统标准化检修作业包含“机柜内部检查、机柜外部检查、主备机功能切换、鼠标检查、键盘检查、显示器检查、内部控制台检修”共7个独立的教学培训单元模块;列车调度指挥系统常见故障处理包含“A 机、B 机无法切换、TDCS 系统显示器故障、TDCS 系统硬盘故障、工控机死机故障、TDCS 系统 NPC 板故障、路由器 2T 模块故障、通道双断故障”共7个独立的教学培训单元模块。

1.2 列车调度指挥系统教学培训内容设计

该系统主要分为“调度集中系统结构教学、调度集中系统标准化检修作业和调度集中系统常见故障处理”三大部分教学培训内容，其中调度集中系统结构教学又包含“工控柜拆解和组装、采集柜拆解和组装、运转室 CTC 设备拆解和组装”共 2个独立的教学培训单元模块;调度集中系统标准化检修作业包含“CTC 检修程序柜内检查、CTC 检修程序倒换试验检测、工控柜检修、采集柜检修”共4个独立的教学培训单元模块;调度集中系统常见故障处理包含“自律机故障处理、工控机硬盘连接线松动、采集柜硬盘更换、工控机单机切换故障检修、工控机硬件接触不良故障检修、工控机电源故障”共6个独立的教学培训单元模块。

2系统教学功能设计

调度集中系统和列车调度指挥系统是一个复杂系统，科学的体系框架和功能设计对提高学员的教学培训和考核质量至关重要。系统遵循建模、仿真、表现一体化的方法论，借助虚拟现实技术，系统采用“学习、练习、考试”三位一体闭环式的教学模式，将各类系统教学培训功能与三种教学模式相结合，能迅速提升认知和理解效率，具体功能设计如下：

（1）学习模式：使用文字、语音及视频，分步骤直观讲解设备操作、巡视检修和应急处置的相关知识，告诉学员需要做什么、该怎么做，使用什么工具或仪器，达到什么样的技术标准等。

（2）练习模式：学员根据提示采用交互式操作来完成实践演练过程，学员端的各项操作演练过程中均有专家引导系统帮助学员自行开展演练，文字栏将提示每一步的操作方法，具体操作位置会有闪烁提示，学生主动选取工具器材，根据过关式的原则，严格按实验步骤操作，做错会有错误提示，正确会有正确提示，相当于教师在身边全程指导，一步步完成学习模式讲授的实训内容，实现了对学员的一对一指导，大大提高了学员的学习效率。

（3）考试模式：在考试模式下，专家引导系统自动关闭操作提示功能。并且设定了考试完成时间，规定时间内，学生可以完全自由的选择步骤和工具器材，在没有任何提示和指导的情况下，完成整个操作、检修或应急处置过程，系统自动记录学员操作步骤分数，考试结束后自动评判每个作业步骤正确与否，给出到每个作业步骤的评价分数和总成绩，能够清晰地知晓操作错误之处，加深学员的认识和判断，方便学生回到学习和练习模式反复学练之后，最终满分通过考试，熟练掌握实践技能。

3 系统架构设计

根据教学培训的需求，将系统设计为基础数据层、具体功能实现层、系统核心整合层和人机接口层四大层次，如图1所示，具体内容和功能如下：

1）基础数据层：主要包括各类三维立体模型组成的虚拟环境、设备、工具、文字、图片、动画、语音和按钮 UI 等一系列系统基本元素和相关教学知识内容。

2）具体功能实现层：包括四个子系统，主要实现系统的各类主要功能。

（1）图形图像显示子系统：实现基于虚拟现实技术的三维模型构建和加载显示、实时光影效果、模型材质系统、物体表面多层贴图系统，能构建出信号机械室内和车站运转室内真实的作业环境，同时实现复杂的刚体动画、柔体动画、人物骨骼动画和二维动画等功能。

（2）事件流程控制子系统：将整个程序分解为多个子程序单元，可实现智能组合、判断、选择、跳转等功能。

（3）工具仿真子系统：包含三维虚拟软件系统、工具虚拟模型、软件接口、仿真系统与交互控制、工具的碰撞检测等。

（4）智能化引导教学系统：教学系统以智能化的方式，根据不同的场景和条件，通过图表、文字、颜色和声音等多种方式给予学员丰富详细的操作指导，实现学员的自主学习和演练。

3）系统核心整合层：根据用户的操作，综合调用系统的各子系统功能，计算后将正确的结果通过图形处理器输出给用户，同时记录用户各类数据，并且为变量交换等功能提供临时数据库。

4）人机接口层：包括系统选择界面、具体教学单元模块的操作界面和帮助文件等一系列用户的操作界面和鼠标键盘等硬件设备的按键控制接口功能。

4系统的实现

4.1 模型创建与场景设置

TDCS 和 CTC 系统由多個机柜和车务终端等设备组成，使用3ds MAX工具建立三维模型和展UV后，使用 Substance Painter 工具制作颜色、高光、法线、凹凸、金属等贴图，导入Unity 3D引擎中赋予材质和贴图，根据不同设备和零部件的物理属性，设置其材质的光学属性，形成光线照射时的反射和散射等效果。最后设置灯光和天空盒之后进行整体烘焙，完成场景的基础模型创建工作[1]。

4.2 场景仿真

根据 TDCS 和 CTC 系统的设备物理属性，在 Unity3D 引擎中设置各设备和零部件的碰撞检测功能，形成碰撞触发器。根据教学实训内容，设计各类设备检修时的摄像机移动、三维动画和粒子特效等效果，使用时间轴time line和Animator 等组件配合完成主要教学实训内容的讲解和表现过程。编程实现“学习、练习和考试”三位一体教学模式的控制功能，形成教学的闭环。

4.3 人机交互界面的实现

根据系统功能制作系统的人机交互界面，首先使用 Photoshop 等工具制作按钮和各类面板等UI素材，然后为各类功能按钮设置特效和脚本，实现交互控制功能。

4.4 系统发布测试

系统可以发布输出为 Windows、Android、IOS、HTML5等平台的应用程序或网页资源，根据不同的操作系统和平台进行贴图的优化设置，尽量保证程序在流畅运行的情况下降低硬件资源消耗，保障系统的稳定性。TDCS系统最终的运行效果如图2所示，CTC系统最终的运行效果如图3所示。

5 结束语

本文分析了虚拟现实技术应用于教学培训系统时的设计内容和方法，通过铁路调度集中和列车调度指挥系统的设计和实施，对虚拟现实仿真教学培训系统的设计思路进行了分析和归纳，形成了清晰的系统设计方案和具体实现方法，通过具体实施形成了TDCS和CTC系统的三维仿真类培训系统，丰富了该类课程的教学培训资源，解决了现场实训困难的问题，也为同类项目的设计和实现提供了参考。

参考文献：

[1] 杨明晟，胡远彪.基于Unity 3D的岩心钻机模拟操作系统设计与实现[J].有色金属工程，2020，10（9）：117-121.

【通联编辑：代影】

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。