杜 彪，唐 兆，李春林，劉瑞軍，宋冬利

（1. 神華鐵路貨車運輸有限責(zé)任公司 榆林車輛維修分公司，榆林 719000；2. 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

近年來，我國鐵路交通事故10 億 km 死亡率和死亡人數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢，主要原因在于我國鐵路技術(shù)高速發(fā)展，鐵路部門創(chuàng)新設(shè)備檢測、維修和養(yǎng)護(hù)手段，充分發(fā)揮安全激勵約束機制，使得由于技術(shù)問題等導(dǎo)致的交通事故數(shù)量極少發(fā)生。

現(xiàn)在事故發(fā)生的主要原因是人為行為和自然災(zāi)害等。有數(shù)據(jù)分析表明，大約90%的鐵路運輸事故與人的不安全行為有關(guān)，人的不安全行為是導(dǎo)致事故發(fā)生的關(guān)鍵因素。近年來，鐵路貨車危險品事故原因分析顯示，67% 的事故也是由人的原因造成的[2-3]。因此，為了進(jìn)一步降低鐵路事故發(fā)生率，減少鐵路事故傷亡人數(shù)，提高鐵路車輛行車安全性，有必要對鐵路員工和相關(guān)人員進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)，尤其是鐵路車輛檢修人員、鐵路周邊作業(yè)人員、和司機，行車人員等，從而提高相關(guān)工作人員的總體素質(zhì)和操作技能，減少由人為原因造成的鐵路事故的發(fā)生。

為了對進(jìn)行相關(guān)人員有效的培訓(xùn)，鐵路領(lǐng)域開發(fā)了多款培訓(xùn)教育軟件系統(tǒng)。如上海鐵路局早在2005 年就開發(fā)了《上海鐵路局行車事故快速救援處置預(yù)案應(yīng)用系統(tǒng)》[4]，近年來國家鐵路局安全技術(shù)中心和北京交通大學(xué)也聯(lián)合開發(fā)了《鐵路事故現(xiàn)場數(shù)字化建模及動態(tài)仿真分析系統(tǒng)》對事故現(xiàn)場進(jìn)行建模和仿真分析，用于事故演練和培訓(xùn)學(xué)習(xí)[5]。此外，還有一些高校和鐵路機構(gòu)聯(lián)合進(jìn)行了相關(guān)的研究和開發(fā)工作[6-12]。

現(xiàn)有系統(tǒng)多基于單一PC 終端實現(xiàn)，隨著移動通信和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，移動學(xué)習(xí)和具有沉浸感的體驗式學(xué)習(xí)已經(jīng)成為演練培訓(xùn)系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。因此，結(jié)合沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)，研發(fā)了一套多種終端鐵路貨車事故演練系統(tǒng)，該系統(tǒng)由知識學(xué)習(xí)、事故模擬和考試系統(tǒng)等主要模塊組成。本文詳述了系統(tǒng)的架構(gòu)、開發(fā)路線和關(guān)鍵人機交互方式的實現(xiàn)過程。

1 系統(tǒng)主要模塊與技術(shù)路線

多終端鐵路貨車事故虛擬現(xiàn)實演練系統(tǒng)設(shè)計主要包括3 大模塊：知識學(xué)習(xí)、事故模擬和考試系統(tǒng)，其主要技術(shù)路線和軟件主界面，如圖1 所示。

1.1 知識學(xué)習(xí)模塊

知識學(xué)習(xí)模塊主要由3 部分組成，分別為理論知識學(xué)習(xí)、試題庫學(xué)習(xí)和常見危險源介紹。（1）理論知識學(xué)習(xí)主要包含工廠安全安規(guī)條例、事故應(yīng)急處置作業(yè)指導(dǎo)、安全細(xì)則等內(nèi)容，以Word 和PDF 文本的形式展示。（2）試題庫學(xué)習(xí)主要通過連接海量題庫學(xué)習(xí)，題庫內(nèi)容主要為根據(jù)理論知識學(xué)習(xí)中的條例設(shè)計的選擇題、判斷題以及填空題。（3）常見危險源介紹通過圖文演示和動態(tài)演示的方式展示鐵路貨車車間作業(yè)中常見的危險源。

通過以趣味性、易于學(xué)習(xí)吸收的方式展現(xiàn)應(yīng)該學(xué)習(xí)的內(nèi)容，建立安全防護(hù)相關(guān)的知識學(xué)習(xí)系統(tǒng)，以此來提高職工的學(xué)習(xí)效率，增強記憶效果。

規(guī)劃合適的學(xué)習(xí)流程，讓職工在學(xué)習(xí)的過程中循序漸進(jìn)，層層積累，最終學(xué)會所有的相應(yīng)規(guī)范。該模塊主要包括2 部分的工作：(1)大量收集與調(diào)研鐵路安全防護(hù)規(guī)范及操作注意事項相關(guān)資料，整理成文，形成系統(tǒng)的知識；(2)通過圖文演示與動畫演示的方式對員工進(jìn)行培訓(xùn)與指導(dǎo)，以有趣的學(xué)習(xí)方式展示相關(guān)內(nèi)容，提高職工學(xué)習(xí)的效率和積極性，加深職工對于所學(xué)內(nèi)容的印象。

1.2 事故模擬模塊

事故模擬模塊為系統(tǒng)的核心，在事故模擬模塊中，主要利用三維可視化技術(shù)和沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）還原事故現(xiàn)場、模擬事故過程。通過VR 技術(shù)，職工可以身臨其境的學(xué)習(xí)與掌握各種事故處理的流程、方法以及注意事項[13]。（1）操作者在虛擬場景中通過虛擬交互設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)，頭顯設(shè)備展現(xiàn)三維虛擬場景，其中在虛擬場景中通過物理引擎進(jìn)行仿真以達(dá)到現(xiàn)實世界的物理現(xiàn)象，同時添加一些動畫與特效，共同實現(xiàn)三維立體視覺；（2）在進(jìn)行虛擬場景制作同時進(jìn)行相應(yīng)聲音的設(shè)計，通過逼真的聲音特效達(dá)到高保真聽覺與真實感；（3）在手柄設(shè)計中，基于手柄已有的特性開發(fā)具有力反饋的效果，使操作者具有很好的觸覺感受；（4）為了增強虛擬世界的真實性，在腿部添加2 個輔助追蹤器，進(jìn)行更高精度的追蹤，從而實現(xiàn)更佳的虛擬體驗。

系統(tǒng)良好的交互性能與舒適的操作體驗，可以使員工自由進(jìn)入檢修的關(guān)鍵位置，使用各種工具、零件與場景、配件進(jìn)行實時交互，提高事故處理效率，保護(hù)職工的人身安全以及增加職工對于相應(yīng)事故的處理經(jīng)驗。通過對事故過程的還原，情景的再現(xiàn)，加深職工對于事故的印象，通過在虛擬場景中的實際操作，熟悉預(yù)防事故的基本事項，正確操作。

1.3 考試系統(tǒng)模塊

在考試系統(tǒng)模塊中，主要包括理論測試與互動測試2 大部分，（1）理論測試部分由常識、題庫、圖片與音頻組成，可以進(jìn)行題量、類型的智能個性化生成，以滿足不同水平考試的需求；（2）互動測試主要由VR 測試、危險源識別以及嚴(yán)肅游戲等組成，進(jìn)行有機組合多角度考查員工。理論測試加強職工對基礎(chǔ)知識的掌握，互動測試與VR 考試共同提高職工的實際動手能力。綜合，兩者結(jié)合可以全面評價職工水平以及強化職工的相關(guān)知識與技能。

通過多終端鐵路貨車事故分析智能演練系統(tǒng)3個模塊相互作用，職工可循序漸進(jìn)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識。通過可穿戴設(shè)備提供的身臨其境的體驗，引導(dǎo)職工按照規(guī)范的步驟處理突發(fā)事件，使職工積累相應(yīng)事故的處理經(jīng)驗。另外，該系統(tǒng)采取多終端模式進(jìn)行設(shè)計，為職工提供了多種方式（App、Web、桌面應(yīng)用程序）進(jìn)行相互補充學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)的效率。

2 事故系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

為了提高受訓(xùn)者的體驗度和學(xué)習(xí)意愿，我們設(shè)計了一個具有多個終端的演練系統(tǒng)，如圖2 所示。

2.1 手機端App實現(xiàn)

手機App 的開發(fā)主要基于Android 系統(tǒng)進(jìn)行。開發(fā)工具使用已經(jīng)比較成熟的AndroidStudio，開發(fā)語言采用Java[13]?？梢赃M(jìn)行簡易的VR 場景瀏覽，沒有頭顯設(shè)備所需要的復(fù)雜準(zhǔn)備與操作，員工可以在自己的手機上安裝簡易VR 版App，放入Google cardboard 盒子中進(jìn)行體驗。

2.2 桌面端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)

桌面應(yīng)用程序采用Unity 3D 軟件開發(fā)。Unity 3D 可以比較方便地進(jìn)行VR 方面的開發(fā)、可穿戴設(shè)備定制開發(fā)與設(shè)計以及便于場景的快速且真實的渲染。為實現(xiàn)職工通過VR 穿戴設(shè)備進(jìn)行事故處置演練，通過Maya 建立相應(yīng)的模型，導(dǎo)入Unity 3D 中，在Unity 3D 進(jìn)行完成VR 可穿戴設(shè)備與各種工具及零配件模型的實時交互設(shè)計，實現(xiàn)貨車事故虛擬現(xiàn)實演練[14]。

2.3 Web端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)

Web 端應(yīng)用程序主要基于PHP 的CakePHP 開源框架，可快速靈活地進(jìn)行項目開發(fā)，設(shè)計有賬戶登錄、考試、學(xué)習(xí)與后臺記錄等功能，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)理論學(xué)習(xí)與考試部分，方便職工隨時隨地的學(xué)習(xí)與考試。

3 人機交互關(guān)鍵技術(shù)

人機交互直接關(guān)系到受訓(xùn)者的用戶體驗，從而影響受訓(xùn)者學(xué)習(xí)主動性和培訓(xùn)效果，為了提高系統(tǒng)人機交互友好度，我們提出了一些新的人機交互方式。

3.1 受訓(xùn)者在虛擬場景中自然的大范圍移動技術(shù)

現(xiàn)有的移動方式包括：空間位置的瞬移和觸控鍵的控制移動?？臻g位置瞬移的方式可有效地減少移動造成的眩暈感，但無法模擬工作人員在行走時的工作狀態(tài)，例如人員巡檢等。觸控鍵的控制移動方式由于人員并未真實的移動而造成嚴(yán)重的眩暈感，降低了VR 的沉浸感。

本系統(tǒng)提供了一種更加友好的工作人員大范圍移動解決方案。在本系統(tǒng)中，相比傳統(tǒng)的VR 設(shè)備，新增兩個腿部跟蹤設(shè)備，該設(shè)備通過實時捕捉定位操作人員小腿的動作，將腿部位移實時轉(zhuǎn)換為操作人員在虛擬場景中的位置移動，同時根據(jù)兩個手柄控制器的方向確定身體的方向，將身體的方向作為虛擬場景中位置移動的方向。該方法融合了現(xiàn)有的兩種方式的優(yōu)點，克服了大范圍移動引起的眩暈感。

腿部綁定定位器實現(xiàn)人物自然行走和移動原理，具體原理，如圖3 所示。

其中人物在虛擬場景中移動速度v和移動方向s的確定如下：

—左手手柄的單位方向向量（矢量）；

—右手手柄的單位方向向量（矢量）；

P1—追蹤器前一幀的三維坐標(biāo)（是指場景渲染的前一幀，計算機顯示是一幀一幀渲染的）；

P2—追蹤器當(dāng)前幀的三維坐標(biāo)；

Δs—人物在真實世界兩幀之間腿的揮動距離（標(biāo)量）；

—映射在虛擬場景中的人物在兩幀之間的位移向量（矢量）；

v此處求得人物的移動標(biāo)量速度；將左右手柄單位方向向量之和作為人物移動的方向，即2 個向量的夾角。

空間定位器通過發(fā)射紅外光實時捕捉綁在操作人員小腿上的位置追蹤器和握在手中的控制手柄在空間中的運動。追蹤器將操作人員在空間中腿部的運動（包括抬腿和收腿）映射為虛擬場景中的移動。我們使用UnityVR 插件SteamVR 開發(fā)追蹤器，調(diào)用其提供的API，API 會自動采集追蹤器任意幀的空間位置，根據(jù)追蹤器傳感器前后兩幀的位置差，就可以根據(jù)式（1）計算出人物在虛擬空間中的移動距離，追蹤器將求得的距離映射為人物在空間中的位移；根據(jù)兩個手柄在空間中的方向，如圖3 所示，即可根據(jù)式（2）計算出人物在虛擬空間中的移動方向。

3.2 事件自動觸發(fā)的智能彈窗設(shè)

該方法提供一種在演練時根據(jù)演練事件的發(fā)生自動獲得相應(yīng)的提示。具體實現(xiàn)方法，如圖4 所示。

系統(tǒng)主要使用Unity3D 軟件進(jìn)行開發(fā)，腳本語言選擇C#，創(chuàng)建腳本，定義EventType 類，用于存放事件碼。將在事故模擬模塊中已經(jīng)做好的所有案例都放入該類，每個案例對應(yīng)一個事件碼；定義CallBack 類，封裝系統(tǒng)所使用到的委托，通過委托可以把方法當(dāng)做參數(shù)傳遞；定義EventCenter 類，在其中定義一個字典來存放委托和事件碼，定義方法實現(xiàn)添加監(jiān)聽，移除監(jiān)聽以及廣播監(jiān)聽的功能。

該方法在演練系統(tǒng)中設(shè)計事件監(jiān)聽器和事件分發(fā)器，當(dāng)事故發(fā)生以后，廣播事件碼，事件監(jiān)聽器就會接收響應(yīng)，進(jìn)而觸發(fā)事件觸發(fā)器。事件觸發(fā)器在接收到響應(yīng)后，就會主動向事件庫進(jìn)行查找，根據(jù)事件碼判斷該事件是否是事件庫中存在的案例事件，如果是則交由事件分發(fā)器處理，不是則拋棄。找出對應(yīng)的事故事件，確認(rèn)事件類型，發(fā)送到事件分發(fā)器。事件分發(fā)器根據(jù)事故情況到彈窗庫進(jìn)行查詢，根據(jù)事件類型或危險源自動彈窗。

其中，向?qū)綄W(xué)習(xí)流程設(shè)計是通過一步一步圖標(biāo)或文字引導(dǎo)使操作者完成相應(yīng)的事故處理；場景位置綁定的智能彈窗設(shè)計即通過識別場景中操作者所發(fā)生的事件進(jìn)行觸發(fā)相應(yīng)的彈窗內(nèi)容，以達(dá)到更加智能的引導(dǎo)學(xué)習(xí)效果，例如在火災(zāi)事故場景，基于操作者所到達(dá)的空間位置進(jìn)行相應(yīng)的彈窗引導(dǎo)；事件自動觸發(fā)的彈窗設(shè)計即通過智能檢索事故發(fā)生的類型然后彈出相應(yīng)的引導(dǎo)內(nèi)容，在火災(zāi)中，智能識別場景中火災(zāi)的類型并進(jìn)行相應(yīng)的彈窗，通過三者混合設(shè)計使操作者學(xué)習(xí)更加智能和高效。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計和實現(xiàn)了一套多終端鐵路貨車事故虛擬現(xiàn)實演練系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的可用性和易用性進(jìn)行了詳細(xì)評估，主要結(jié)論如下：

（1）系統(tǒng)采用多終端設(shè)計模式，包括桌面端、移動端、VR 端和移動VR 端的多終端鐵路事故演練系統(tǒng)是鐵路事故演練和培訓(xùn)的發(fā)展趨勢，各個終端能夠在培訓(xùn)和演練過程中實現(xiàn)優(yōu)勢互補，各個終端的協(xié)同配合可大大提高系統(tǒng)的易用性，具有推廣應(yīng)用價值。

（2）系統(tǒng)實現(xiàn)了一種新的腿部綁定位置跟蹤器實現(xiàn)演練人員在場景中的自然行走和大范圍移動方案，降低了演練人員長時間佩戴頭盔的眩暈感。同時，為了增加演練人員的學(xué)習(xí)效率，提出了一種事件自動觸發(fā)的智能彈窗設(shè)計。