辛東紅

隨著鐵路電務(wù)施工技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)化程度的不斷提高，電務(wù)職工的施工技術(shù)水平也需隨之提高，建設(shè)實訓(xùn)基地對電務(wù)職工進(jìn)行技能培訓(xùn)及考核成為鐵路施工單位的迫切需求。但是，全部基于現(xiàn)場實物的培訓(xùn)基地需要較大場地，且需投入大量的人力、物力和財力；鐵路電務(wù)設(shè)備型號繁多、價格昂貴、使用復(fù)雜，很難在一個實物培訓(xùn)基地采購多套完整的真實設(shè)備用于職工技能培訓(xùn)、定級考核等作業(yè)；現(xiàn)有鐵路電務(wù)施工作業(yè)還存在人員培養(yǎng)周期長、施工圖紙不直觀，缺乏高效的培訓(xùn)考核技術(shù)手段和設(shè)備等問題。因此，現(xiàn)階段無論是鐵路施工單位的電務(wù)施工專業(yè)培訓(xùn)還是鐵路電務(wù)段的職工職業(yè)技能訓(xùn)練，都需要一套安全、實用、高效、低耗的培訓(xùn)系統(tǒng)。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）是一種可以創(chuàng)建和模擬各種環(huán)境的計算機(jī)仿真技術(shù)，利用計算機(jī)軟件生成一種模擬環(huán)境，通過具備多種傳感器的智能可穿戴設(shè)備向使用者提供視覺、聽覺、觸覺等多種現(xiàn)實世界中真實的感覺。本文提出一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的鐵路電務(wù)施工仿真系統(tǒng)解決方案。該系統(tǒng)參照鐵路信號工程項目施工標(biāo)準(zhǔn)，還原現(xiàn)場施工流程、施工要求、注意事項等電務(wù)專業(yè)施工要素，充分利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的表現(xiàn)形式［1］，通過逼真的沉浸式仿真環(huán)境調(diào)動起使用者的興趣，將整個施工流程和作業(yè)步驟在虛擬化場景中加以展示和演練；同時系統(tǒng)還設(shè)計了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能化專家評估系統(tǒng)，對學(xué)員的操作做出評價及分析。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)硬件平臺基于高性能商用圖形工作站和Oculus VR頭盔系統(tǒng)，軟件開發(fā)基于Unity3D平臺，采用3Dmax建模工具，結(jié)合.NET框架程序設(shè)計［2，4］。系統(tǒng)設(shè)計便捷、可靠，并且支持跨平臺移植，可以方便地在移動終端使用，并在不同終端之間實現(xiàn)自由遷移。應(yīng)用軟件由虛擬現(xiàn)實場景、教學(xué)認(rèn)知、實操演練、智能考核4個模塊組成，后3個軟件模塊均基于第1個軟件模塊實現(xiàn)各自功能。系統(tǒng)組成框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

虛擬現(xiàn)實場景模塊是實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的載體，它與實際施工環(huán)境幾乎一致，能夠提供良好的沉浸式施工環(huán)境體驗；施工作業(yè)預(yù)案來自于現(xiàn)場施工單位，能夠提供最貼近電務(wù)施工現(xiàn)場專業(yè)崗位的演練內(nèi)容［5-6］。基于典型施工場景，系統(tǒng)通過教學(xué)、演練、考核3條主線，實現(xiàn)整個鐵路電務(wù)施工過程的實訓(xùn)。

教學(xué)認(rèn)知模塊在虛擬環(huán)境中設(shè)計多媒體教學(xué)素材，使用者可以很直觀地了解信號系統(tǒng)施工環(huán)境、工具、流程及技術(shù)動作等。系統(tǒng)設(shè)計具有交互功能的3D課件，充分利用文本、圖形、三維影像、三維動畫和聲音等多種媒體表現(xiàn)形式，通過刺激學(xué)員的視覺和聽覺神經(jīng)，調(diào)動起學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性和主動性。

實操演練模塊以教師機(jī)為控制中樞，可以通過教師機(jī)設(shè)置并下發(fā)各種基于真實現(xiàn)場施工技術(shù)要求設(shè)計的預(yù)案，學(xué)員機(jī)可以通過本地控制軟件完成各自獨立的漫游和操作，也可以由教師機(jī)指定在組內(nèi)實現(xiàn)角色扮演交互式演練，真正實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的管理員與學(xué)員、學(xué)員與學(xué)員的互動。

智能考核模塊具備基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的電子化智能考核功能，可以實現(xiàn)實操及理論客觀題、主觀題的自動考核、自動評分，結(jié)果上傳至教師機(jī)統(tǒng)計并可打印輸出。題庫設(shè)計為開放式題庫，可以由使用教師自行編制試題。系統(tǒng)部分考核功能可以采用基于互聯(lián)網(wǎng)的B/S模式，使用者只要在移動終端或者計算機(jī)上使用瀏覽器，即可通過Web Server與服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2 功能設(shè)計

軟件采用模塊化設(shè)計，各模塊之間通過接口（協(xié)議）進(jìn)行通信。本文僅對系統(tǒng)中使用較多新技術(shù)、設(shè)計相對復(fù)雜的功能模塊加以闡述。

2.1 虛擬現(xiàn)實場景模塊設(shè)計

根據(jù)鐵路施工單位崗位特點，設(shè)計實際操作考核場景，最終提取出信號施工工程六大場景，借助VR交互平臺工作站、OCULUS套裝，實現(xiàn)360度立體展示沉浸式交互體驗［4-5］。

1）信號路基場景，包含敷設(shè)電纜、方向電纜盒、終端電纜盒、信號機(jī)、鋼軌引接線、應(yīng)答器、雙體防護(hù)罩等信號設(shè)備模型。

2）信號道岔場景，包含轉(zhuǎn)轍裝置、密貼檢查裝置、道岔融雪電氣柜、隔離變壓器、道岔跳線等信號設(shè)備模型。

3）信號橋梁場景，包含方向電纜盒、終端電纜盒、信號機(jī)、區(qū)間信號標(biāo)志牌、鋼軌引接線、應(yīng)答器、雙體防護(hù)罩等信號設(shè)備模型。

4）信號隧道場景，包含方向電纜盒、終端電纜盒、五位色燈信號機(jī)、鋼軌引接線、雙體防護(hù)罩、扼流變壓器等信號設(shè)備模型。

5）信號室內(nèi)場景，包含電纜柜、綜合柜、防雷分線柜、移頻柜、接口柜、信號電源防雷箱、外電網(wǎng)檢測箱、電源屏、室內(nèi)上下走線等信號室內(nèi)設(shè)備模型，見圖2。

圖2 信號室內(nèi)施工場景

6）標(biāo)準(zhǔn)中間站場景，包含完整中間站模型等。

虛擬場景制作技術(shù)是體現(xiàn)虛擬世界構(gòu)建是否真實的重要手段。該系統(tǒng)所有模型通過多層紋理設(shè)計，將場景內(nèi)的重要細(xì)節(jié)展示出來，然后通過法線的凹凸貼圖展示各個場景細(xì)節(jié)對于光線的反應(yīng)，從而使整個場景更具立體感。在增加了多層紋理細(xì)節(jié)之后，整個畫面的細(xì)膩程度有了很大提升，并且在法線貼圖廣泛應(yīng)用之后，整個畫面極具層次感。通過使用豐富的光照元素，使畫面能夠生動起來。

為了最大限度地還原施工現(xiàn)場，使用沉浸式體驗的表現(xiàn)方式是最佳途徑。系統(tǒng)采用基于Facebook系統(tǒng)的VR設(shè)備實現(xiàn)演練功能，可以使受訓(xùn)人員快速融入到場景當(dāng)中，切實體驗到訓(xùn)練內(nèi)容中的各處細(xì)節(jié)。系統(tǒng)采用基于Unity物理引擎編寫的第一人稱視角行動組件。Unity自帶的物理引擎可以比較完整地模擬虛擬場景中的宏觀物理運動，而電務(wù)施工大部分的應(yīng)用場景都是宏觀物理力學(xué)可以表達(dá)的場景。為了實現(xiàn)全過程身臨其境的效果，在Unity中使用RotateView（）函數(shù)，可以實現(xiàn)攝像頭的自由轉(zhuǎn)動。該函數(shù)在3D場景中通過對主角實施作用力來實現(xiàn)主角的運動，使用該函數(shù)后整個人物控制器都是在3D的模擬力學(xué)環(huán)境中運動，從而能夠較好地完成行動慣性、彈跳等展示任務(wù)。使用基于上述技術(shù)開發(fā)的VR設(shè)備，整個環(huán)境對于受訓(xùn)人員的感受都是真實可見并且一一對應(yīng)的，因此他們在虛擬環(huán)境中可以快速對應(yīng)到實際的施工場景，完成地理位置、材料安裝等方面的了解和實操［2，4］。

2.2 實操演練模塊設(shè)計

演練預(yù)案來自于真實建設(shè)單位和運營單位，提供最貼近當(dāng)今現(xiàn)場專業(yè)崗位的演練內(nèi)容，通過模擬實際的工作環(huán)境和工作流程，使用人員可以盡快熟悉環(huán)境以及各種工藝流程操作。預(yù)案包括但不限于以下內(nèi)容：隧道地段軌道電路設(shè)備安裝、橋梁信號標(biāo)志牌安裝、橋梁扼流變壓器安裝、橋梁地段電子設(shè)備安裝、路基地段電子設(shè)備安裝、進(jìn)站口機(jī)械絕緣節(jié)處設(shè)備安裝、軌枕側(cè)面補(bǔ)償電容安裝、護(hù)輪軌處跳線焊接、應(yīng)答器螺栓安裝及配件組裝、轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝等。預(yù)案實操界面示例見圖3。

圖3 預(yù)案實操界面示例

系統(tǒng)通過配置文件定義預(yù)案，精準(zhǔn)還原實際施工現(xiàn)場場景及工藝流程。演練模式下選擇預(yù)案后，學(xué)員根據(jù)數(shù)據(jù)庫中預(yù)制的步驟完成預(yù)案，系統(tǒng)具備專家提示功能，對于不熟悉的流程，也可以根據(jù)提示輕松完成預(yù)案，實現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。

系統(tǒng)采用動態(tài)任務(wù)觸發(fā)和多攝像機(jī)技術(shù)實現(xiàn)交互式演練功能，教師與學(xué)員的互動是實訓(xùn)演練中的重要環(huán)節(jié)，互動可以輔助學(xué)員更好地理解實訓(xùn)的要點，通過互動式的交流可以建立一一對應(yīng)的施工場景的操作需求，將自己快速融入到虛擬世界中的團(tuán)隊當(dāng)中。

“動態(tài)任務(wù)”是指任務(wù)的觸發(fā)并不依賴于虛擬軟件中的固定事件，而是依靠軟件的相互通信，根據(jù)用戶的需求快速建立起來的任務(wù)模式。傳統(tǒng)的基于任務(wù)模式的角色扮演類軟件設(shè)計一般采用固定觸發(fā)式任務(wù)架構(gòu)，隨著劇情的發(fā)展，根據(jù)用戶的操作觸發(fā)相應(yīng)的任務(wù)。這種架構(gòu)在單一用戶的運行模式下可以有效地解決實時性的問題，然而在多用戶狀態(tài)下，數(shù)據(jù)同步會造成很大的麻煩。為了協(xié)調(diào)多用戶系統(tǒng)下任務(wù)實時觸發(fā)的問題，系統(tǒng)使用了動態(tài)任務(wù)觸發(fā)架構(gòu)，其軟件設(shè)計類圖見圖4。動態(tài)任務(wù)觸發(fā)構(gòu)架中的觸發(fā)器，不是一個具體事件，而是一組可配置的事件集合。當(dāng)一個任務(wù)的所有分支條件都滿足時，自動觸發(fā)任務(wù)中的下一個步驟。例如，在任務(wù)開始前收集足夠的工具和材料，在任務(wù)進(jìn)行中使用對應(yīng)的工具完成相應(yīng)步驟，且當(dāng)前步驟的所有工具、材料、操作都正確時，自動進(jìn)行任務(wù)中的下一個步驟。

圖4 動態(tài)任務(wù)觸發(fā)軟件設(shè)計類圖

一項完整的施工演練任務(wù)定義為主線任務(wù)（MainLineMission），由多個基于不同操作步驟的子任務(wù)（SubLineMission）組成，每個子任務(wù)下還可分多個子任務(wù)（例如不同的工具使用）。在任務(wù)步驟的IMission接口中包含Complete事件，當(dāng)滿足條件后觸發(fā)Complete事件，上一級任務(wù)響應(yīng)該子任務(wù)的Complete事件，來判斷自身任務(wù)是否完成，這樣在避免輪詢的情況下可以根據(jù)事件觸發(fā)來決定是否已經(jīng)完成全部任務(wù)。同時，主線任務(wù)中提供了添加子任務(wù)的方法，可以在程序運行中動態(tài)添加支線子任務(wù)。

系統(tǒng)采用Unity中自帶的多攝像機(jī)技術(shù)解決目標(biāo)設(shè)備與攝像機(jī)之間存在遮擋的問題，在不降低顯卡運算效率的前提下打開多個攝像機(jī)，將被遮擋的目標(biāo)分配給能看見目標(biāo)并與其距離最近的攝像機(jī)，可以保證目標(biāo)的透析度，使用戶對于虛擬場景有全方位的認(rèn)識。在第一人稱視角模式下，大場景的熟悉往往需要花費大量的時間，因為使用者只能通過模擬自己的行動速度來穿越整張地圖。而利用小地圖技術(shù)，用戶只需要通過快速觀察自己的人物在小地圖中間所處的位置，就可以完成用戶腦海當(dāng)中的角色快速定位，這對于電務(wù)施工培訓(xùn)過程中人員對于虛擬訓(xùn)練場景的快速熟悉具有很大的幫助。

2.3 智能考核模塊設(shè)計

為了評測學(xué)員的培訓(xùn)掌握情況，系統(tǒng)設(shè)計了基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的自動化考核功能，分為專業(yè)知識考核和預(yù)案考核2類。

專業(yè)知識考核采用B/S模式，學(xué)員通過瀏覽器進(jìn)入自己的個人主頁，可通過在線考試頁卡選擇對應(yīng)的專業(yè)知識考核。整個流程借助網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，既能方便在線學(xué)習(xí)與考核，又能擁有強(qiáng)大的題庫且易于編輯擴(kuò)充，教師只需要在服務(wù)器端編輯或更新基于規(guī)定模板的題庫，即可實現(xiàn)全網(wǎng)試題的更新和升級。同時，試卷采用既有套組還是自動隨機(jī)生成可由教師機(jī)進(jìn)行設(shè)置，如果選擇隨機(jī)生成，則系統(tǒng)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的原理自動根據(jù)學(xué)員歷史操作生成不同難度試卷。

預(yù)案考核以教師機(jī)為中心，對于學(xué)員的操作過程，系統(tǒng)使用了基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的決策樹ID3算法來分析預(yù)測其適合的考核標(biāo)準(zhǔn)。決策樹通常被用來解決分類問題，通過一系列規(guī)則可對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，它一般呈現(xiàn)為類似于流程圖的樹狀結(jié)構(gòu)，提供一種在一定條件下得到某些值的類似規(guī)則方法。決策樹中的每個非葉子節(jié)點上的特征是根據(jù)不同分類算法特征選擇標(biāo)準(zhǔn)，在所有特征之間相互比較獲得，從根節(jié)點出發(fā)，順著分支到達(dá)葉子節(jié)點，葉子節(jié)點是決策出的結(jié)果。每一條路徑即為一條分類規(guī)則，決策樹中的所有這些規(guī)則組合在一起就構(gòu)成了分類器，用來進(jìn)行預(yù)測［10］。決策樹計算復(fù)雜度不高，便于使用，可處理具有不相關(guān)特征的數(shù)據(jù)，能夠很容易地構(gòu)造出易于理解的規(guī)則。系統(tǒng)基于決策樹的案例考核模塊設(shè)計見圖5。

圖5 基于決策樹的案例考核模塊設(shè)計

系統(tǒng)將所有學(xué)員在實操演練模塊中的操作記錄在數(shù)據(jù)庫中，使用決策樹ID3算法能夠根據(jù)登錄者在實操演練模塊中表現(xiàn)出的操作習(xí)慣及錯誤概率，自動調(diào)整評判標(biāo)準(zhǔn)和考核預(yù)案選擇提示，便于智能化區(qū)分初級、中級、高級學(xué)員的考核難度，無需更換題庫及評判標(biāo)準(zhǔn)，即可得出準(zhǔn)確的測試結(jié)果。智能考核模塊軟件流程見圖6。

圖6 智能考核模塊軟件流程

針對學(xué)員的每個預(yù)案考核結(jié)果，根據(jù)正確數(shù)、錯誤數(shù)，計算正確率、錯誤率，同時按預(yù)案名稱分組，計算每個預(yù)案所有學(xué)員的平均分，并以圖表的形式反饋到教員，便能清晰地知道每個學(xué)員對具體預(yù)案的掌握情況，以及學(xué)員知識點的掌握程度。智能考核結(jié)果分析見圖7。

圖7 智能考核結(jié)果分析

3 結(jié)束語

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的電務(wù)施工仿真系統(tǒng)在中鐵十二局和部分鐵路院校實際應(yīng)用，并取得良好效果。該系統(tǒng)改變了目前國內(nèi)電務(wù)施工單位作業(yè)演練的培訓(xùn)方法，硬件投資小，以逼真的形式、完善的錯誤操作模型庫，通過虛擬沉浸式場景最大限度地模擬鐵路電務(wù)施工作業(yè)現(xiàn)場，對使用者有強(qiáng)大的吸引力，能夠最大限度地調(diào)動使用者的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

通過模擬真實鐵路電務(wù)工作環(huán)境和工作流程，使施工人員熟悉作業(yè)環(huán)境，演練各種作業(yè)環(huán)節(jié)，有助于解決不可視、不可摸、不可入、危險性場所等施工演練方面的問題，同時可以解決員工培訓(xùn)設(shè)備不足、設(shè)備型號及技術(shù)參數(shù)落后等問題，從而提高施工作業(yè)仿真和演練的技術(shù)水平。