基于VR的虚拟铁路运输投送装卸载训练系统设计

基于 VR的虚拟铁路运输投送装卸载训练系统设计

翟再兴 1 李海华 1 王宇哲 1 陈浩 1 孙一攀 1

陆军军事交通学院（天津 300100）

摘要：铁路运输投送具有运量大、速度快、持续能力强、受天候条件影响小的优点，适合长距离、大运量、重装备的运输投送。本文在对铁路运输投送装卸载训练模拟训练系统功能需求分析的基础上，对基于VR的虚拟铁路运输投送装卸载训练系统设计进行研究。

关键词：虚拟现实；铁路运输；装卸载训练；系统设计

铁路运输投送具有运量大、速度快、持续能力强、受天候条件影响小的优点，适合我军长距离、大运量、重装备的运输投送[1]。目前，只有拥有军专线条件的部队才能开展常态化铁路运输投送装卸载训练，大多数部队并不具备开展常态化铁路运输投送装卸载训练的条件，只能结合部队重大演习演训活动，才能借助开展铁路运输投送的机会锻炼部队的铁路运输投送装卸载能力。然而开展铁路运输投送活动需要多部门协调配合，如运输投送机构、部队、军代表和铁路部门等，需要经过多个环节，不便于部队开展常态化铁路运输投送装卸载训练。利用虚拟现实（VR）技术可以有效克服开展铁路运输投送装卸载训练的诸多不足，以实景显示的方式，使受训者真实参与到铁路运输投送装卸载训练中，从而提升受训部队实装条件下的铁路运输投送装卸载能力。

一、VR技术概述

虚拟现实技术，简称VR技术，是20世纪发展起来的一项全新技术。它囊括多媒体技术、电子信息、仿真技术、计算机网络技术、并行处理技术、图形处理、多传感器技术和人机交互等多项技术。VR是以交互性、构想性和沉浸性为基本特征的计算机高级界面，它能模仿人的视觉、听觉、嗅觉、触觉等感觉器官功能，使人沉浸在计算机生成的虚拟世界中，并可以通过讲话、做动作等方式与计算机实现实时人机交互，创建了一种智能化的多维信息空间。虚拟现实系统既可以让使用者“身临其境”地感觉到如飞机，火车、水、风等客观世界存在的事物，还可以突破客观世界规律，感受到无法在现实中亲身经历的体验。虚拟现实技术具有超越现实的虚拟性，它的核心是计算机，用于生成虚拟世界的图形；关键外设是图像显示设备，常见的有三维投影仪、头盔显示器和VR眼镜等，用于产生立体视觉效果；其他外设主要用于实现与虚拟现实人机交互，如数据手套、传感器，三维鼠标等。用户与虚拟现实系统交互过程如图1所示。虚拟现实系统建立的基础是建立模型，在计算机内部建立虚拟世界。硬件条件上，通过激光三维扫描物体成像技术，将现实中的物体扫描中点云，转换为计算机可以识别的3D数据格式，可以使用3D MAX、AutoCAD等软件建模。

图1 用户与虚拟现实系统交互过程

二、功能需求分析

利用VR技术创建铁路运输投送装卸载训练虚拟环境，通过在虚拟环境下，进行模拟装、卸载命令下达训练、开设装、卸载指挥所训练，装备和物资的装、卸载训练和人员登乘等训练，掌握实装条件下铁路运输投送装卸载的流程和标准。与实装训练相比，具有训练程序简单、操作性强，使用方便，训练成本低等优点。基本功能需求分析如下：（1）将我军建制部队列装的装备、物资以及实际装卸载过程需要用到的器材扫描录入系统，同时赋予虚拟仿真产品实装所具备的大小、力学属性、重量、运动、定向等特性，实现虚拟仿真环境和真实铁路运输投送装卸载过程的一致性，使训练者经过虚拟训练后切实可以提高实装条件下的铁路运输投送装卸载能力。（2）实现不同用户在虚拟环境中的虚拟训练。在模拟现实环境下，将指挥员、指挥机构和部（分）队三类不同用户分别依次开展相应训练。（3）实现对虚拟装备的捆绑加固以及物资的装载及卸载训练。（4）实现对部（分）对快速装载过程和结果的检查，在虚拟环境中，评估人员可以模拟在现实环境中对装载分队装载过程的全程观看及检查指导，通过在虚拟环境条件下铁路运输投送快速装载的训练，着重训练引导员与驾驶员之间的协同配合定位能力，发现存在的问题，减少现实条件下装备捆绑加固、定位不合适等问题。（5）实现对训练人员的投送任务的设置。（6）实现在虚拟现实条件下一整套铁路运输投送装卸载过程的实施。（7）系统必须支持整建制部队人员同时在虚拟环境条件下训练的展开，防止出现系统负荷过载，造成系统崩溃的现象。（8）支持虚拟环境下，铁路运输投送全过程的数据记录，可以在数据库中加载和还原场景。此外，随着我军国防力量现代化的建设发展，各种新式装备不断列装部队，对铁路运输投送装卸载训练又会有新的标准和要求，因此，系统设计时还必须考虑以下需求：（1）仿真系统必须支持拓展，可以录入新式装备及它们的各种特性。（2）人机交互必须简单，逼近现实中的操作，不需要过多复杂界面。（3）仿真的装卸载操作过程必须与实际装卸载操作过程一致。

三、虚拟装卸载训练系统设计

1.系统框架

本系统采用MVC的开发模式，将系统设置为视图层、控制层、数据层3层架构，做成一个可用于整建制部队开展虚拟铁路运输投送装卸载的训练系统，如图 2所示为虚拟装卸载训练系统的基本框架。数据层用来管理和存储系统用到的各种数据，如装备三维模型、装载流程库、卸载流程库、用户数据库、专家知识库、装载标准库、卸载标准库、装载过程库、卸载过程库等；视图层主要用来展现部队装、卸载过程以及人机交互操作，指挥员可以进行装、卸载命令下达，指挥机构可以进行装、卸载指挥所开设，部（分）队可以进行快速装、卸载训练；控制层作为视图层和数据层信息交换的接口，是整个模拟系统的关键核心。它接收视图层传递的指令，判断用户想要执行的操作，调用数据层中的数据，实现装备、器材模型的读取，训练过程数据的记录，训练效果的评估分析，并将训练结果传递到视图层，对数据层的数据进行更新存储。

图2 虚拟装卸载训练系统组成框架

2.数据库设计

虚拟铁路运输投送装卸载训练场景和标准离不开我军现行的实装铁路运输投送装卸载数据和标准。为了保证设计方案的科学性和合理性，通过调研多支部队铁路运输投送装卸载训练，收集资料并结合文献研究等方法，获取了系统构建所需要的数据，主要内容包括以下四个方面：一是关于我军现在列装的通用装备方面数据的获取，例如现在列装装备的型号及相关技术参数。二是关于我军现行的铁路运输投送装、卸载方面数据的获取，例如装备捆绑加固标准，装、卸载时间标准等。三是关于装卸载实施流程方面数据的获取，例如指挥所开设，命令下达等。四是关于专家评判的数据获取，例如实际装卸载考评中专家评判标准。

3.功能模块设计

在确定系统需求、系统框架及数据库后，将功能实现过程分为虚拟场景建立、装载过程仿真、卸载过程仿真和信息管理四个功能模块。（1）虚拟场景建立模块。该模块是整个模拟装卸载训练系统最基本的模块，用来显示装备系统、物资系统、器材系统、分系统等三维视图。用户可以用现实生活中常用的手势即可调整虚拟场景中视觉的转换及场景大小的变化。（2）装载过程仿真模块。不同用户向操作界面发出不同的装载操作指令，实现对虚拟铁路运输投送装载过程的操作。如指挥员下达装载命令，指挥机构开设装载指挥所，部（分）队进行装备装载、人员登乘以及物资装载等。为满足不同种类训练需求，主要分两种操作模式：在辅助模式下，系统对不同类型操作人员分别进行提示，如引导人员定位功能，装备停靠车厢位置不符合铁路运输投送装载标准时自动提示功能等；在考核模式下，用户可以随意进行装载操作，系统后台自动记录装载过程，利用一定的考评标准实现对装载过程的评估。（3）卸载过程仿真模块。不同用户向操作界面发出不同的卸载操作指令，实现对虚拟铁路运输投送卸载过程的操作。如指挥员下达卸载命令，指挥机构开设卸载指挥所，部（分）队进行卸载实施。后台记录卸载过程，并利用一定的考评标准实现对卸载过程的评估。（4）信息管理模块。实现训练者信息、装载、卸载和操作者运动等信息管理。训练者信息管理包括训练者操作类别（如指挥员、指挥机构、驾驶员、捆绑加固人员，登乘人员、警戒人员等）、人数、训练科目、训练成绩等。装载信息包括装载标准数据库的增删改查、装载时间记录等，并可根据实际需要调整评判标准。卸载信息包括卸载标准数据库的增删改查、卸载时间记录等，并可根据实际情况需要调整评判标准。操作者运动信息包括动作识别、幅度识别、力度识别等。

四、系统关键技术

1.三维模型处理技术

虚拟装卸载训练系统必备的基本资源包括装备模型库、物资模型库、装卸载器材模型库和人体动作库。为了虚拟训练能起到实装训练的效果，装备、物资以及装卸载器材模型必须与实际的相关性能一致，包括大小、长宽、形状、重量、力学特性等。此外由于整建制模拟投送相关数据较多，场景三维模型渲染度可能跟不上，甚至引发系统崩溃，需要对模型进行优化处理。

2.人体动作识别技术

无论指挥员下达命令还是指挥机构开设指挥所以及部队实施装卸载，都是模拟现实中的装卸载过程，系统必须对人体发出的动作进行有效识别，防止操作者做了装卸载动作，系统却没有做出任何操作的情况。

五、未来军事领域可应用方向分析

1.满足未来后勤保障需求，构建虚拟铁路运输投送训练系统

部队铁路运输投送能力高低直接影响着部队投送速度，左右战局发展。构建虚拟铁路运输投送训练系统，在全军推广使用，可以让不具备随时进行铁路运输投送训练条件的部队开展虚拟训练，提高我军铁路运输投送能力。

2.构建虚拟装卸载训练云仿真平台

以云计算和云仿真理念，构建一套虚拟铁路运输投送训练云仿真平台，将分散的铁路运输投送训练资源、仿真资源集合到一个云共享平台，可以进一步提高系统训练者人员规模，进一步完善模型和数据库等，实现各类资源的优化利用。

六、结语

目前，应用虚拟现实技术开展铁路运输投送装卸载训练的系统还没研发出来，但是我们依然可以预测出虚拟现实技术在未来我军军事领域的广泛应用场景，本文为虚拟铁路运输投送装卸载训练系统进行了设计，部队可以使用该系统有针对性地对某些装卸载重难点项目进行反复训练，为实装铁路运输投送装卸载操作打下良好的技术基础。与传统训练模式相比，虚拟装卸载训练成本低，使用方便，便于部队开展常态化装卸载训练。

参考文献：

[1]孙栋,孙华等.未来作战铁路兵力投送模式研究[J].军事交通学院学报,2020,22(03):13-16.

[2]戴培基,李海华,等.基于VR的铁路军用桥梁架设模拟训练系统设计[J].国防交通工程与技术,2020,18(04):10-12.

[3]贾丽,杜浩,等.基于虚拟现实技术的装备维修训练系统设计[J]科技资讯,2019,17(08):11-13.

【作者简介】翟再兴（

1990.04-），男，汉族，河南省许昌市人，陆军军事交通学院硕士研究生在读，主要研究方向：铁路运输投送能力研究。