劉廣文

(呼和浩特鐵路局　科學(xué)技術(shù)研究所， 內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

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HXD3D型電力機(jī)車標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序模擬演練系統(tǒng)的研制*

劉廣文

(呼和浩特鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所， 內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

介紹了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的純軟件機(jī)車標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序模擬演練系統(tǒng)的研制過程及使用效果，系統(tǒng)針對HXD3D型電力機(jī)車的一般操縱方法和機(jī)車檢查標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序開發(fā)了學(xué)習(xí)、練習(xí)和考試模塊，使機(jī)車乘務(wù)員可以在三維仿真的駕駛環(huán)境下進(jìn)行反復(fù)的學(xué)習(xí)演練，從而達(dá)到熟悉機(jī)車操縱流程和機(jī)車檢查標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序的目的。系統(tǒng)于2015年1月研制完成，經(jīng)過現(xiàn)場試用證明其具有安裝成本低、可大批量安裝、單次培訓(xùn)人員多、培訓(xùn)方式靈活、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、便于修改完善等優(yōu)點(diǎn)，可作為機(jī)車駕駛模擬操作臺的有效補(bǔ)充。

HXD3D; 標(biāo)準(zhǔn)化; 模擬演練; 虛擬現(xiàn)實(shí)

列車模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)是一種先進(jìn)的、安全的、高效的培訓(xùn)工具，它通過對列車性能和駕駛操作流程的仿真構(gòu)建一個高度真實(shí)感的駕駛環(huán)境，為受訓(xùn)司機(jī)提供培訓(xùn)的環(huán)境與手段。然而，查閱相關(guān)資料[1-3]得知，目前對列車模擬駕駛方面的研究，大多與硬件結(jié)合，其培訓(xùn)內(nèi)容也僅限于機(jī)車駕駛過程中的應(yīng)急處置，對于剛?cè)腓F路部門的學(xué)習(xí)機(jī)車乘務(wù)員以及鐵路院校的學(xué)生還沒有較為全面的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序培訓(xùn)演練系統(tǒng)。

呼和浩特鐵路局于2011年12月引進(jìn)機(jī)車駕駛仿真模擬操作臺，從安裝到測試歷時近2年，經(jīng)過對設(shè)備軟、硬件多次改進(jìn)，于2013年正式投入使用。操作臺雖然具有體驗(yàn)直觀、仿真效果好的優(yōu)點(diǎn)，但也存在造價昂貴、對培訓(xùn)場地要求高、培訓(xùn)效率低等缺點(diǎn)，且其在仿真細(xì)節(jié)上還存在諸如仿真效果夸張、線路仿真粗糙、牽引設(shè)置不精確等不足，最重要的是由于是從鐵路外引進(jìn)，一旦有新的培訓(xùn)需求，需要通過廠家定制開發(fā)，周期長、成本高。為提高機(jī)車乘務(wù)員實(shí)作培訓(xùn)質(zhì)量，鐵路局組織專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊，自主研發(fā)HXD3D型電力機(jī)車駕駛模擬演練培訓(xùn)系統(tǒng)，該課題被列為呼和浩特鐵路局2014年重大課題。

1　研究目的及方法

1.1研究目的

(1)完成鐵路局管內(nèi)試驗(yàn)區(qū)段線路三維視景及機(jī)車模型的制作；

(2)結(jié)合三維仿真視景圖像和機(jī)車模型搭建可在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行機(jī)車標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序模擬演練的軟件系統(tǒng)。

1.2研究方法

(1)通過錄像設(shè)備采集現(xiàn)場實(shí)際線路、站場環(huán)境的高清數(shù)據(jù)；

(2)通過業(yè)務(wù)部門搜集線路、站場設(shè)備(線路曲線、接觸網(wǎng)分相、信號機(jī)位置、道岔類型等)的有效參數(shù)；

(3)通過三維建模工具制作線路、站場視景圖像；

(4)基于專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)引擎設(shè)計虛擬現(xiàn)實(shí)互動程序。

1.3關(guān)鍵技術(shù)

(1)三維仿真建模技術(shù)。系統(tǒng)采用3DSMAX建模工具按1:1比例構(gòu)建與現(xiàn)場相符的機(jī)車、線路、站場模型，為后期合成做好準(zhǔn)備。

(2)二維貼圖和界面設(shè)計技術(shù)。系統(tǒng)采用Photoshop對現(xiàn)場拍攝的照片進(jìn)行處理并制作模型貼圖，以最大程度的接近現(xiàn)場實(shí)際效果。

(3)虛擬現(xiàn)實(shí)互動類程序設(shè)計。系統(tǒng)采用某公司的VRP11.0作為虛擬數(shù)據(jù)引擎，結(jié)合引擎提供的腳本編碼實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)合成及場景互動，達(dá)到機(jī)車駕駛模擬演練及標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序練習(xí)的目的。

(4).NET編碼。系統(tǒng)采用Mirosoft Visual Studio 2010開發(fā)系統(tǒng)集成平臺，將制作的各個模塊以統(tǒng)一的平臺進(jìn)行展示。

2　試驗(yàn)區(qū)段線路三維視景及機(jī)車模型的制作

2.1試驗(yàn)區(qū)段和機(jī)車車型的選擇

為了便于開展研究，經(jīng)過與業(yè)務(wù)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(jī)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(jī)車是呼和浩特鐵路局擔(dān)當(dāng)客運(yùn)牽引任務(wù)的主力機(jī)型；

(4)呼和浩特鐵路局已有的模擬操縱臺還沒有對HXD3D型機(jī)車的模擬操作功能，該項(xiàng)目的研究成果可彌補(bǔ)這一空白。

2.2制作內(nèi)容

(1)呼和浩特站站場完全視景制作。包括站房、站臺、線路、道岔、信號機(jī)、接觸網(wǎng)及周邊建筑；

(2)呼和浩特東站站場完全視景制作；

(3)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物視景的制作；

(4)HXD3D型電力機(jī)車完全仿真模型的制作。

2.3制作的主要過程

(1)在業(yè)務(wù)站段的配合下，赴車站及區(qū)間拍攝現(xiàn)場照片和視景；

(2)與相關(guān)部門聯(lián)系，搜集車站與區(qū)間線路的相關(guān)資料，包括CAD圖紙、接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)、地面信號數(shù)據(jù)等；

(3)使用3DSMAX等工具軟件制作與實(shí)際相符的車站、區(qū)間線路視景及機(jī)車模型；

(4)對制作的模型進(jìn)行后期處理，使其盡可能達(dá)到實(shí)際效果。

3　機(jī)車駕駛模擬演練系統(tǒng)的研制

3.1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(yàn)性的完成機(jī)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(jī)車檢查標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序的學(xué)習(xí)、練習(xí)和考試；

(2)機(jī)車一般操縱程序的練習(xí)；

(3)將上述培訓(xùn)模塊集成到一起的機(jī)車駕駛模擬演練平臺的開發(fā)。

3.2研制過程

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

(2)將前期制作的線路視景和機(jī)車模型導(dǎo)入到三維數(shù)據(jù)引擎軟件(VRP11.0)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(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件；

(5)將制作完成的培訓(xùn)模塊集成到機(jī)車駕駛模擬演練平臺中。

4　成果展示

4.1系統(tǒng)主界面

如圖1所示，界面包含系統(tǒng)名稱、線路類型、機(jī)車型號及版本信息，點(diǎn)擊界面右下方的“開始”按鈕，進(jìn)入系統(tǒng)功能模塊選擇界面，點(diǎn)“退出”按鈕關(guān)閉系統(tǒng)。

圖1　主界面

4.2功能選擇界面

如圖2所示，系統(tǒng)共包含“一般操縱方法”、“駕駛室檢查”、“機(jī)械間檢查”、“機(jī)車外圍檢查”和“車底檢查”5個功能模塊，點(diǎn)擊任一模塊進(jìn)入該模塊的功能操作界面。點(diǎn)擊“返回”按鈕返回到主界面。在界面設(shè)計上，系統(tǒng)充分考慮了擴(kuò)展性，更多的模塊選擇可通過“上一頁”和“下一頁”按鈕切換顯示。

圖2　功能模塊選擇界面

4.3功能模塊操作界面

如圖3所示，點(diǎn)擊進(jìn)入所選功能模塊后，可通過“學(xué)習(xí)”、“練習(xí)”和“考試”3種模式完成該模塊的演練培訓(xùn)。界面左側(cè)以錄像的方式，向使用者介紹該模塊的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序，使用者可通過反復(fù)觀看達(dá)到熟悉作業(yè)流程的目的。通過點(diǎn)擊界面下方的“練習(xí)”按鈕，進(jìn)入練習(xí)模式，點(diǎn)擊“考試”按鈕進(jìn)入考試模式，點(diǎn)擊“返回”按鈕返回到上一級界面。界面右側(cè)是對該模塊培訓(xùn)內(nèi)容的簡要說明。

4.4練習(xí)模式

如圖4所示，使用者在練習(xí)模式下，可通過點(diǎn)擊界面下方的指示按鈕(燈泡)獲得有關(guān)當(dāng)前操作的提示，界面還提供了視角切換按鈕，點(diǎn)擊它們可查看機(jī)車內(nèi)部各個部位。在該模式下，使用者通過鼠標(biāo)操作機(jī)車的各個部位，系統(tǒng)可真實(shí)的模擬實(shí)際的機(jī)車駕駛環(huán)境，從而達(dá)到機(jī)車駕駛程序練習(xí)的目的。

圖3　功能模塊操作界面

圖4　練習(xí)模式

4.5考試模式

如圖5所示，在考試模式下，界面不再提供操作提示，使用者只能在規(guī)定的時間范圍內(nèi)按照練習(xí)掌握的操作步驟完成該模塊的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序，點(diǎn)擊界面下方的

“提交考試”(對號)按鈕后，系統(tǒng)給出考試結(jié)果。由于有時間限制，在時間結(jié)束后，即使使用者沒有點(diǎn)擊“提交考試”，系統(tǒng)也會自動結(jié)束考試并給出考試結(jié)果。

5　結(jié)束語

系統(tǒng)于2015年1月底完成研制并通過集成測試、用戶測試和試運(yùn)行。結(jié)果表明項(xiàng)目試驗(yàn)性的制作了1個運(yùn)行區(qū)段的視景數(shù)據(jù)、1個型號的機(jī)車模型、5個標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)培訓(xùn)模塊，并開發(fā)了集成的培訓(xùn)演練平臺，系統(tǒng)采用純軟件的培訓(xùn)模式，具有安裝成本低、可大批量安裝、單次培訓(xùn)人員多、培訓(xùn)方式靈活、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、便于修改完善等優(yōu)點(diǎn)，可作為現(xiàn)有機(jī)車駕駛模擬操作臺的有效補(bǔ)充。

當(dāng)然，由于開發(fā)時間短以及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)不足，系統(tǒng)還存在一些需要改進(jìn)的地方：

(1)對機(jī)車駕駛相關(guān)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行更加深入、系統(tǒng)的研究，形成完整的培訓(xùn)需求；

(2)根據(jù)整理的業(yè)務(wù)需求，制作對應(yīng)的模擬培訓(xùn)模塊；

(3)進(jìn)一步完善培訓(xùn)演練平臺，使其更加適應(yīng)現(xiàn)場培訓(xùn)需求；

(4)制作簡易機(jī)車操作臺，提升現(xiàn)場機(jī)車駕駛員的培訓(xùn)操作體驗(yàn)。

[1]黃恩興.電力機(jī)車模擬駕駛裝置視景仿真開發(fā)[D].成都：西南交通大學(xué),2010.

[2]許麗斌.開發(fā)機(jī)車模擬仿真駕駛系統(tǒng)的探討[J].太原鐵道科技,2012,(3):24-25,38.

[3]李驍宇,李開成,李玉蘭，等.列車司機(jī)駕駛仿真子系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].鐵路計算機(jī)應(yīng)用,2014,(7):16-19.

Development of HXD3D Electric Locomotive Standard Operating Procedure Simulation Training System

LIUGuangwen

(Scientific & Technological Research Institute, Hohhot Railway Bureau, Hohhot 010051 Inner Mongolia, China)

This paper introduce the development process and effect of the locomotive standard operating procedure simulation training system based on virtual reality technology. Aiming at the general operating method and inspection standard operation procedure of HXD3D electric locomotive, the learning, practice and examination modules are developed. Locomotive crew can make learning exercises repeatedly in 3D simulation driving environment, and then can be familiar with the locomotive operation process and locomotive inspection standardized operation procedures. The system finished in January 2015. Through field trial, it is proved that it has many advantages such as low installation cost, large quantities of installation, large numbers of personnel in single training, flexible training mode, independent intellectual property rights and easy to modify and improve. It can be effective supplement of the locomotive driving simulation console.

HXD3D; standardization; simulation training; virtual reality

1008-7842 (2016) 02-0064-03

??)男，工程師(

2015-10-14)

U264.91

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.15

*2014年呼和浩特鐵路局重大課題(2014A001)