关于高速铁路K5B型计算机联锁真模拟演练培训系统的设计与研究

张 赢

（呼和浩特铁路局科学技术研究所 内蒙古呼和浩特 010052）

关于高速铁路K5B型计算机联锁真模拟演练培训系统的设计与研究

张 赢

（呼和浩特铁路局科学技术研究所 内蒙古呼和浩特 010052）

本文是通过运用3D Studio Max软件，实现高速铁路K5B型计算机联锁系统三维建模，运用VRP交互虚拟技术制作实现虚拟现实场景，介绍了K5B型计算机联锁仿真模拟培训系统开发的基本过程。本系统通过对K5B型计算机联锁系统标准化检修操作的模拟仿真，为铁路电务系统以及高等职业技术学院的学习与教学，提供了一个具有高度真实感的现场作业过程，是一种比较实用的培训、学习、教学的系统。

三维仿真 3D Studio Max VRP K5B

1 引言

三维模拟仿真技术，或称虚拟仿真技术。是指利用计算机技术生成的一个逼真的，具有视、听、触、味等多种感知的虚拟环境，用户可以通过其自然技能使用各种传感设备同虚拟环境中的实体相互作用的一种技术。得益于现代计算机技术的高速发展，三维仿真技术的应用领域愈加广泛，无论是教育、科研、医疗、制造、娱乐，这种技术都凭借其真实、可观、可塑性强展现出它强大的优势。本文提出一种高速铁路K5B型计算机联锁系统模拟仿真系统，真实的展示了K5B型计算机联锁系统标准化检修操作过程。可以有效降低铁路企业电务工作人员培训的成本消耗，同时降低电务系统学习过程中误操作带了的风险。

在众多基于三维模型的虚拟渲染引擎的，VR-Platform（简称VRP）是由我国中视典公司开发的制作三维虚拟现实的软件，可运行在大多数平台之上，跨平台性能强，适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、真正实现了所见即所得[1]。

国内目前针对铁路K5B型计算机联锁仿真模拟系统相关研究已取得了不少成果，并将其转化成产品投入使用，应用效果良好。市场上现有各种针对铁路系统研发设计的三维仿真模拟系统，尽管系统在设计界面和操作方式、方法上存在差异，但基本的原理与设计思路都是一致的。这类仿真模拟系统，虽然有效的解决了新入职电务工作人员的培训，但是并没有完全解决电务工作人员对实际现场环境的检修培训，而且价格较高，安装过程复杂，耗时长。对铁路局来说是一个较大的经济负担。

2 高速铁路K5B型计算机联锁系统的设计

高速铁路K5B型计算机联锁仿真模拟系统利用3D Studio Max软件建立三维模型，通过运用VRP交互虚拟技术制作来实现操作人员对K5B型计算机联锁系统的标准化检修作业的学习、练习以及考试。

高速铁路K5B型计算机联锁仿真模拟系统中以我局察素齐车站为场景构建一个三维仿真模拟的大场景，其中察素齐车站主要模型包括信号楼、车站候车室、站台、铁道线路以及车站周围建筑，信号楼中的机械室与运转室是该系统的最主要部分，其中机械室中的模型主要包括DS6-K5B型计算机联锁系统所含设备为原型，即：监控机柜、联锁机柜、电源机柜。由于系统中模型数量庞大，种类众多，整个场景的制作有一定的难度。

3 高速铁路K5B型计算机联锁仿真模拟系统开发的基本过程

高速铁路K5B型计算机联锁仿真模拟系统开发设计流程如图1所示：

图1 高速铁路K5B型计算机联锁仿真模拟系统开发设计流程图

从以上流程不难看出，高速铁路K5B型计算机联锁仿真模拟系统的制作主要分为DS6-K5B型计算机联锁系统所含设备和其所在场景的三维建模及在VRP中漫游功能的实现。

3.1 高速铁路K5B型计算机联锁系统和所在场景的三维建模

3.1.1 素材采集与资料收集

根据DS6-K5B型计算机联锁系统所含设备和其所在场景的实际情况，我们对监控机柜、联锁机柜、电源机柜、运转室、机械室以及所在车站进行了素材的采集，并通过相关业务部门收集到了该设备检修标准化操作资料。利用谷歌地图截图和现场实际采集的素材为大场景的定位提供了精确的依据。采集素材中的高清照片为三维建模中的制作贴图提供了最基础的资料。

3.1.2 高速铁路K5B型计算机联锁系统三维模型的建立

三维建模阶段是高速铁路K5B型计算机联锁仿真模拟系统制作流程中的关键阶段之一，本阶段必须完成系统中所有模型的建立（包括监控机柜、联锁机柜、电源机柜、运转室、机械室以及察素齐车站）。设备机柜三维模型如图2所示。

监控机柜中相关设备的三维模型如图3所示：

图2 机柜三维模型

图3 监控机柜三维模型

联锁机柜中相关设备的三维模型如图4所示：

电源机柜中相关设备的三维模型如图5所示：

图5 电源机柜中设备三维模型

察素齐车站站场整体三维模型，如图6所示：

图6 察素齐站场三维模型

在3DsMAX中建出能将图片合适贴上的模型，将处理好的图片通过材质球贴到模型对应的位置上。全部模型建成后，经过调整和优化场景，打上主光源和辅光源，制作完成所需动画，进行烘焙、测试以及修改后导入到VR-Platform虚拟现实平台软件中进行下一阶段功能的编辑。

3.2 高速铁路K5B型计算机联锁系统的功能实现

本系统利用VR-Platform虚拟现实平台软件实现漫游功能。在VRP编辑器中，利用界面编辑功能对导入的系统进行界面的设计，实现所需的实时漫游和人机交互功能后打包生成可独立执行Exe文件，最后将制作完成的Exe文件集成到高速铁路K5B型计算机联锁仿真模拟系统平台中（可以用Flash制作界面）对应的位置点击后调用运行。

3.2.1 VRP编辑器

目前基于三维模型的实时场景驱动工具种类繁多，比如说VR-Platform（简称VRP）、Unity3D、Virtools、Quest3D等商业化软件。其中VRP是由我国中视典公司开发的具有自主知识产权的一款三维虚拟现实平台软件，采用全中文界面，学习制作虚拟软件的人极易上手。除此之外，VRP采用了可视化的编辑界面，通过简单的语句对程序模块进行搭建实现了复杂的交互功能，避免了其他三维虚拟现实软件重复繁琐的编程。

3.2.2 漫游功能设计

漫游系统具备的首要功能就是漫游，在虚拟现实仿真中，漫游主要有两种方式：自主漫游和固定路径漫游。

（1）自主漫游自主漫游的自由度较高，用户可以根据自己的意愿，在虚拟场景中实现全方位多角度实时漫游。本系统通过设置几个不同视角的绕物旋转相机，完成设备检修维护时切换视角的功能，实现了自主漫游功能。

（2）固定路径漫游

固定路径漫游是在自主漫游的基础上实现的。在场景的测试状态下，进入定点相机视角，录制相机的漫游路线，保存到动画相机列表中，只要回放或调整播放顺序即可实现各种不同效果的固定路径漫游[2]。或者在3DMAX中制作好固定路径的刚体动画，导入VRP中，在控件按钮的脚本中写入播放这个刚体动画的命令，实现在这个固定路径中漫游的功能。

4 三维模型与VRP交互编译

4.1 功能设计与制作过程

在充分采纳现场工作人员的意见后，最终确定完成K5B计算机联锁设备的检修的学习、练习和考试功能，其主要制作过程如下：

（1）根据业务需求设计虚拟现实程序互动脚本。

图7 K5B型计算机联锁仿真模拟系统平台主界面

（2）将前期制作的三维模型以及大场景模型导入到VRP编辑器中。

（3）按照互动脚本的设计要求，利用VRP编辑器的功能完成作业程序的模拟演练程序编制。

（4）利用VRP编辑器打包生成可独立运行的可执行文件。

（5）将制作完成的培训模块集成到K5B型计算机联锁仿真模拟系统平台中。

4.2 VRP的编译

（1）K5B型计算机联锁仿真模拟系统平台，如图7所示。

（2）K5B型计算机联锁仿真模拟系统平台中，标准化检修作业功能模块所包括的五个最常见的检修作业模块，如图8所示。

图8 K5B型计算机联锁仿真模拟系统平台功能模块选择界面

（3）联锁子系统维护作业模块中的学习模式具体操作，如图9所示。

图9 联锁子系统维护学习模式操作界面

（4）联锁子系统维护作业模块中的练习模式具体操作，如图10所示。

图10 联锁子系统维护练习模式操作界面

（5）联锁子系统维护作业模块中的考试模式具体操作，如图11所示。

图11 联锁子系统维护考试模式操作界面

5 结语

本文主要对基于3D Studio Max与VRP的相结合，构建一个虚拟场景与实现进行了研究，总结了K5B型计算机联锁仿真模拟系统开发过程和技术，该系统实现了场景较为复杂检修操作过程，可以较好地培养电务作业人员学习安全操作规程和应急处理能力。当然，本文用于检修操作仅限于鼠标、键盘，今后将在这一方面继续完善，力求操作者在设备检修维护中有更真实可信的体验。本三维仿真模拟系统的开发，作为提高电务检修维护人员操作技能、保证运输安全的重要工具，受到越来越多的铁路部门所青睐，而且市场上从事该系统开发的其它公司屈指可数，因此由我局独立研发拥有完全自主知识产权的K5B型计算机联锁仿真模拟系统意义重大，既可节约采购成本，又可丰富培训资源，其研究成果的推广也将带来良好的社会和经济效益。

[1]涂智明,许海波,许剑东,李珊,郭晗.基于3DMax和VRP的虚拟吊车仿真系统[J].武汉冶金管理干部学院学报,2014,(3)

[2]刘艳霞.虚拟现实技术在机车模拟驾驶训练系统的应用[J].铁路计算机应用,2016,(10)

Design and Research of the 3D Simulation Technology of the K5B Computer Interlocking Simulation Training System for High-speed Railway

ZHANG Ying
(Science and Technology Institute of Hohhot Railway Bureau Hohhot 010052 China)

The 3D modeling of the K5B Computer Interlocking System for high-speed railway was achieved by using the 3D Studio Max software and the virtual reality scene was realized through the use of the VRP interactive virtual technology. This paper introduces the development process of the K5B type computer interlocking simulation training system. This system is a kind of practical training, learning, and teaching system through the simulation of the standardized maintenance operation of the K5B type computer interlocking system and provides a highly realistic field operation process for the railway telecommunication and signaling department and for the learning and teaching of higher vocational colleges.

Three-dimensional simulation 3D Studio Max VRP K5B

A

1673-1816(2017)03-00016-06

2016-06-18

张赢（1982-），男，内蒙古呼伦贝尔人，工程师，硕士。