戴培基 ， 李海華， 劉國清， 楊慶洋 ， 程軼非

(1.陸軍軍事交通學院學員五大隊研究生隊，天津 300161;2.陸軍軍事交通學院聯(lián)合投送系，天津 300161)

鐵路軍用梁是為解決橋梁保障問題而設(shè)計的臨時性鐵路橋梁，在平時和戰(zhàn)時的國家交通建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。然而鐵路軍用梁構(gòu)件質(zhì)量大，架設(shè)訓練搬運困難，致使人工架設(shè)訓練時組訓難度大，所需經(jīng)費成本高，效果難以預期；使用吊車和龍門架進行拼組時，由于需要工程機械設(shè)備的協(xié)助，在操作過程中也存在諸多安全隱患。目前已研制出的軍用橋梁模擬訓練系統(tǒng)，其原理是利用圖片、3D模型對軍用橋梁進行介紹和演示，其系統(tǒng)功能簡單，訓練形式單一，難以滿足復雜條件下的實戰(zhàn)化訓練要求。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，它在軍事、教育、醫(yī)療、工業(yè)制造、航天訓練等領(lǐng)域都有著廣泛的應用[1]。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以很好的解決目前架設(shè)訓練中存在的問題，為其拼組架設(shè)訓練提供技術(shù)輔助手段。在此背景下，本文基于VR技術(shù)進行鐵路軍用橋梁架設(shè)模擬訓練系統(tǒng)設(shè)計，以破解傳統(tǒng)實踐難題，為受訓者提供逼真、安全的訓練環(huán)境和可重復、低成本的訓練手段，提高受訓者實踐運用和動手操作能力。

1 VR技術(shù)介紹

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術(shù)，即VR技術(shù)，是一項綜合了計算機仿真、圖形學、圖像處理、人機交互、傳感與識別等多項技術(shù)的總稱。通過虛擬現(xiàn)實，可以提供給用戶真實自然的體驗，包括聽覺、視覺、觸覺甚至嗅覺上的刺激。虛擬現(xiàn)實創(chuàng)建沉浸感(immersion)和交互性(interaction)[2]，沉浸感是指虛擬現(xiàn)實技術(shù)利用先進的視覺表現(xiàn)技術(shù)、力(觸)覺表現(xiàn)技術(shù)、嗅(味)覺表現(xiàn)技術(shù),為用戶構(gòu)建逼真的數(shù)字化環(huán)境，可以使人介于真實與虛擬世界中，產(chǎn)生近似真實的感知，完全沉浸在虛擬現(xiàn)實產(chǎn)生的世界中[3]。交互性是指用戶和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)之間的交互作用，VR強調(diào)人與虛擬環(huán)境之間的感知傳遞。VR技術(shù)通過捕捉人的手勢、姿勢、身體位置和轉(zhuǎn)向角度等，用戶可以對系統(tǒng)中的模型、場景等進行操作，用戶體驗遠遠超過傳統(tǒng)的簡單的人機交互方式[4]。用戶與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)之間的交互過程如圖1所示。

圖1 用戶與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的交互過程

模型建立是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎(chǔ)，初步在計算機內(nèi)部建立和現(xiàn)實世界對應的虛擬世界。硬件上基于激光干涉原理，采用三維成像掃描儀對物體進行掃描。通過接觸式掃描或非接觸式主動掃描的方式，創(chuàng)建物體表面的點云和材質(zhì)貼圖，轉(zhuǎn)換成計算機可以讀取識別的3D數(shù)據(jù)格式保存，操作方便快捷。軟件上一般采取AutoCAD、3DS MAX等軟件進行建模。無論采用何種方式，建立基礎(chǔ)信息和模型庫是一項基礎(chǔ)的需要長期進行的工作。

仿真引擎是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心，為實現(xiàn)三維場景圖形的創(chuàng)建、結(jié)構(gòu)管理和繪制提供系列接口。采用主流游戲引擎套件Unity 3D進行開發(fā)，Unity 3D功能豐富操作簡單，兼容性好且易于移植，有著較高的市場占有率。3DS MAX制作的模型文件，以.fbx格式可以直接導入Unity 3D進行編輯修改和渲染。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

綜合考慮該系統(tǒng)的使用對象、使用場景、使用目的，同時考慮現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，將VR技術(shù)作為系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，突出“安全、實用、高效”的原則進行設(shè)計。系統(tǒng)采用C/S三層架構(gòu)，C/S采取表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)存儲層的架構(gòu)，具有良好的開放性，易于擴展和升級，克服了傳統(tǒng)兩層架構(gòu)的不宜擴展、安裝費時費力、網(wǎng)絡(luò)通訊壓力大的缺點，并且安全性也遠遠大于兩層結(jié)構(gòu)的設(shè)計。采取面向用戶的設(shè)計理念，具有友好的用戶交互界面和人機交互方式，虛擬現(xiàn)實設(shè)備交互渠道比傳統(tǒng)方式多，且內(nèi)部界面與傳統(tǒng)界面交互方式不同。比如，傳統(tǒng)交互采取鼠標點擊的方式，虛擬現(xiàn)實設(shè)備通過獲取眼部動作進行點擊或移動，因此需要增加提示性信息和引導說明，易于用戶進行操作和使用。

2.2 設(shè)計方案

訓練人員使用頭盔式顯示器和力反饋數(shù)據(jù)手套，在系統(tǒng)搭建的虛擬場景中，協(xié)力拼組架設(shè)。受訓人員可自行選擇人工、吊桿或吊車拼組的方式，拼組過程中系統(tǒng)將自動校驗人或吊機的最大承受力和其所分配的構(gòu)件的重量的大小，若所分配重量超過所設(shè)定的人或吊機的最大承受能力，則出現(xiàn)告警提示。受訓人員根據(jù)架設(shè)步驟和人員分工，移動拼組、穿打鋼銷、對位架設(shè)。架設(shè)完成后，系統(tǒng)自動對所架設(shè)橋梁進行“中-活載”條件下的強度仿真校驗，對整個過程給出綜合評估打分結(jié)果。

2.3 技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)自下而上分為設(shè)施設(shè)備層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、中間支撐層、用戶應用層4層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

設(shè)施設(shè)備層由模擬訓練中用到的硬件設(shè)備組成，包括服務(wù)器、計算機、網(wǎng)絡(luò)交換機、高性能圖形工作站、數(shù)據(jù)手套、3D頭盔式顯示器、定位定向基站，為系統(tǒng)提供硬件支撐保障。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層由多個數(shù)據(jù)庫組成，包括橋梁構(gòu)件尺寸重量材質(zhì)等基本信息數(shù)據(jù)庫、模型數(shù)據(jù)庫、訓練場景數(shù)據(jù)庫、訓練評估數(shù)據(jù)庫、用戶信息數(shù)據(jù)庫等。各數(shù)據(jù)庫之間數(shù)據(jù)獨立，采用必要的主外鍵關(guān)聯(lián)，為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

圖2 鐵路軍用橋梁架設(shè)訓練模擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

中間支撐層基于虛擬軍事仿真平臺構(gòu)建，主要分為數(shù)據(jù)通訊模塊、三維仿真模塊、場景渲染模塊、訓練評估模塊4個模塊，在提供數(shù)據(jù)通訊和交換保障的基礎(chǔ)上，為整個系統(tǒng)提供基礎(chǔ)服務(wù)，是整個系統(tǒng)的底層支撐。

為用戶提供交互界面，將用戶的輸入信號傳遞給下層，將結(jié)果反饋給用戶。

2.4 功能設(shè)計

系統(tǒng)主要設(shè)計以下6項功能：

(1)模擬訓練。主要為受訓人員提供“操作世界”，人員錄入本次操作個人信息，在開始訓練前的準備階段，可以對力反饋手套的靈敏度和頭盔式顯示器分辨率、飽和度等進行個人偏好設(shè)置。

(2)場景管理。設(shè)置“訓練場地”中的水文、氣象、地形等周圍環(huán)境和訓練背景，提供數(shù)種典型場景模板，也可以由管理員進行編輯和修改。

(3)模型管理。管理數(shù)據(jù)庫中的構(gòu)件和其他零部件的模型，包括表面貼圖、材質(zhì)、尺寸、重量等信息的修改和更正，需要管理員操作權(quán)限。

(4)導調(diào)控制。由教員進行控置，人為或系統(tǒng)隨機設(shè)置情況進行導調(diào)。

(5)訓練評估。根據(jù)系統(tǒng)的校驗規(guī)則和指標權(quán)重，主要為本次受訓進行打分評估，采取定性與定量相結(jié)合的方式進行評判，提供記錄成績和打印成績單功能。

(6)用戶管理。主要提供用戶信息查詢、修改、增加、刪除功能，可以為不同類別的用戶設(shè)置不同的操作權(quán)限。

3 結(jié)束語

雖然全面應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)訓練的局面目前還沒有形成，但是我們依然可以感受到虛擬現(xiàn)實技術(shù)的巨大潛力和廣闊前景，本文為軍用鐵路橋梁拼組架設(shè)訓練提出了技術(shù)方案，可以解決訓練中的問題短板、提升組訓的水平和質(zhì)量，為提升軍用鐵路橋梁的保障能力奠定基礎(chǔ)。