韓 龍

（呼和浩特鐵路局 信息技術所，助理工程師，內蒙古 呼和浩特 010020）

隨著我國鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，鐵路設備的安全更加引人關注，同時，鐵路新線大量建設和新職人員不斷增加，而且設備結構復雜、維修時間緊迫、現場無法實施演練等因素，對現場工作人員的業(yè)務水平以及設備維修能力提出更高的要求。為了實現對設備維護和橋修的標準化作業(yè)流程，提高作業(yè)人員處理故障的效率，開發(fā)一套基于熟悉設備結構、掌握常見故障處理方法、規(guī)范作業(yè)流程的三維仿真系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 三維仿真技術介紹

三維仿真技術是虛擬現實技術（VirtualReality，簡稱VR）的一部分，是一種創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)〔1〕。它通過對實體進行三維計算和圖形處理而構成三維數字模型，編制到計算機中產生逼真的“虛擬環(huán)境”，并利用三維引擎將模型進行一定的組織和再現，使用戶體驗到身臨其境的感覺，實現人機交互。三維仿真技術研究已經成為計算機圖形學領域的熱點之一，并隨著計算機仿真技術、動態(tài)監(jiān)測以及三維Web技術的發(fā)展，其表現形式更加真實、直觀、生動〔2〕。三維技術廣泛應用在資源環(huán)境模型、地形模擬、CAD輔助設計、影視特技、廣告設計等方面。它具有可視化程度高、表現形式靈活多樣、動態(tài)感和真實感強、資料更新方便等優(yōu)點，還可以應用于政府輔助決策、防洪減災、地形勘查與野外作業(yè)設計、水電、建筑工程規(guī)劃設計與選址、環(huán)境評估、城市與社區(qū)規(guī)劃設計、房屋裝修設計、旅游景點規(guī)劃、醫(yī)學、生物、大氣及軍事等各個領域。隨著計算機與圖形、圖像處理技術的發(fā)展，數字產品三維化已經成為當今信息產品的一大趨勢〔3〕。

三維仿真技術，通常與圖像處理技術、計算機視頻、音頻技術、光學電子學處理技術一同應用于各種仿真模擬系統(tǒng)的開發(fā)當中。三維模型的建立包括設計模型的結構形狀、紋理效果、光照效果、相關位置、整體環(huán)境效果等〔4〕。應用三維引擎將模型按照實體的真實環(huán)境進行可視化模擬再現，也可以通過數據手套、數據頭盔以及其他虛擬現實硬件，提供全新的交互方法。

2 三維仿真培訓系統(tǒng)設計

根據現場生產實際，結合標準化作業(yè)流程，應用三維仿真技術開發(fā)鐵路培訓系統(tǒng)，通過建立設備模型，依據實際作業(yè)辦法，詳細演示設備結構、日常維護方法、常見故障處理等內容，形成一套集學習、練習、考試3種模式的教學培訓系統(tǒng)見圖1。

圖1 系統(tǒng)3種模式登錄窗口

2.1 學習模式 該模式以音頻、視頻、解說等方法對設備工作原理及結構、標準化作業(yè)流程、檢修方法進行說明，主要讓職工了解設備的詳細結構，并提供設備的拆裝過程，可以對各個部分進行全方位的觀察。學習模式以解說的方式引導培訓人員按照標準化作業(yè)方法，對設備進行日常的維護和檢修。如學習色燈信號機檢修時登錄窗口見圖2所示。

圖2 色燈信號機檢修登錄窗口

2.2 練習模式 練習模式為培訓人員提供虛擬的操作體驗，真正實現人機交互，提高職工實踐動手操作能力，按照學習模式的方法對設備進行規(guī)范的操作，對每一步操作都會有語音提示，如果操作錯誤，會及時提示進行更正，幫助職工掌握標準化作業(yè)方法。TDCS故障處理模塊練習見圖3所示。

圖3 TDCS故障處理模塊練習

2.3 考試模式 考試模式作為檢驗學習、練習效果和培訓質量的考核方法，將標準化作業(yè)流程的每一步依據各自的重要性和安全性劃分為相應的分數值，職工在沒有任何提示的條件下，在規(guī)定的時間內完成所有的維護檢修項目，系統(tǒng)根據作業(yè)人員的操作是否正確給出最后的得分，并記錄在職工培訓教育考核中。

3 設備模型建立

本系統(tǒng)采用3dsMax對設備進行三維建模、圖片渲染以及動畫制作。3dsMax是Autodesk公司推出的基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件，具有性價比高、操作簡單、對硬件系統(tǒng)的要求相對較低等特點。該軟件提供建模、動畫制作等工具，廣泛應用于電影電視后期特效、游戲、建筑設計、室內設計、工業(yè)設計、多媒體制作與輔助教學等領域。

3.1 建模步驟 采用3dsMax建立模型的過程基本按照以下4個步驟進行：

1）基礎數據獲取。由于本系統(tǒng)基于現場生產實際，模型主要為現場設備，操作流程為標準化作業(yè)方法，因此在前期準備工作中，需要對設備進行全方位的圖片采集，盡可能多的獲取設備的幾何參數以及特征。并依據標準化作業(yè)流程錄制教學視頻，為系統(tǒng)開發(fā)者提供制作依據。

2）設備結構分析。設備結構分析是建立模型前非常重要的一個環(huán)節(jié)，它將決定整個系統(tǒng)的運行效率，避免后期進行交互設計時的重復修改。首先對設備的結構進行認真的分析和合理的分解，確定三維建模時采用的層次結構。其次要根據各模塊的腳本，了解設備的動作原理，確定模型的動畫制作方法。實體照片與設備模型如圖4所示。

圖4 實體照片與模型對照

3）模型建立。在獲取了基礎數據并分析設備結構后，通過3dsMax軟件建立設備模型，在建模過程中要按照模塊腳本需要，對有動畫、需要拆分的模型要單獨制作。對模型進行UV貼圖，并根據需要設置光源進行烘焙，并制作動畫。矮型信號機設備的模型貼圖前后如圖5所示。

圖5 矮型信號機設備模型

4）模型優(yōu)化。模型優(yōu)化是對模型進行后期處理，它關系到整個系統(tǒng)的大小、運行速率以及對操作系統(tǒng)的環(huán)境要求。由于三維引擎在組織模型時要計算模型的個數以及三角面數，因此模型優(yōu)化通常是對模型進行合理的合并以及刪除多余面和不可見的面，使模型的個數與面數盡量的少。

3.2 建模原則與技巧 三維模型的質量對于虛擬仿真系統(tǒng)是十分重要的，采用良好的建模規(guī)范以及原則技巧，都將為系統(tǒng)的可靠運行提供有力的保障。對模型命名、貼圖文件等都要規(guī)范操作，并按照實體分類對模型分層次管理〔5〕。

1）在三維建模中，原則上模型的個數和面數越少越好，這樣有利于提高系統(tǒng)的運行速率。因此在保證模型的可視化效果下，盡量減少模型的個數和面數。建模采用簡模的方法，在滿足光滑柔和的效果條件下盡量分段數要小，也可使用曲面工具和改進的NURBS技術制作復雜模型。多個模型以及一類模型盡量選用同一張貼圖，以便模型的塌陷和合并，以達到減少模型個數的目的。

2）在制作貼圖文件時，要盡量壓縮紋理，并采用tga的格式，貼圖文件的像素大小應為2的N次冪，有利于模型的最優(yōu)化顯示和縮短渲染貼圖的時間，同時這樣保證實時渲染時跳幀率較低和圖像的連續(xù)性最高。

3）對顯示效果要求高的場景，可以通過建立復雜的模型，加入光照等特效后再渲染出效果圖，用其作為仿真模型的貼圖，制作天空盒，可以取得很好的視覺效果，信號機所在的場景中天空、山、樹木和圍欄是利用貼圖文件建立的。如圖6所示。

圖6 信號機場景

4 結束語

本系統(tǒng)已經應用于呼和浩特局的職工培訓當中，為鐵路職工培訓提供了新方法，緩解大量新職人員入路培訓的壓力，縮短了培訓周期，降低了培訓成本，提高了培訓效率。系統(tǒng)中逼真的虛擬環(huán)境讓培訓人員猶如身臨現場，對設備結構及原理有了更全面的認識，并通過設備常見故障案例庫的學習，提高現場應急處理的能力和專業(yè)技能及業(yè)務水平。本系統(tǒng)可以方便的加入新增設備模塊，增加培訓內容。并可以擴展功能，利用數據手套等交互工具對三維模型進行體感操作，提高系統(tǒng)的實用性。

〔1〕余莉，王乘.基于虛擬現實技術的數字校園三維仿真系統(tǒng)〔J〕.計算機仿真，2004，21（4）:98-101.

〔2〕劉渭潔.建立實用型三維地理信息系統(tǒng)〔J〕.中國圖形圖像學報，1999，4（A）（1）:72-75.

〔3〕孫敏，陳軍.三維城市模型的數據獲取方法評述〔J〕.測繪通報，2000，（11）:4-6.

〔4〕余明，過靜珺.三維仿真虛擬現實技術在城市規(guī)劃中的應用〔J〕.測繪科學，2004，29（3）:52-54.

〔5〕趙玲.基于3DMAX的模型優(yōu)化的而研究〔J〕.科學技術與工程，2010，26（10）:66-68.