《交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）—第四部分裝備《地鐵車輛細(xì)粒度部件虛擬現(xiàn)實(shí)建模及其檢修培訓(xùn)應(yīng)用》

本期項(xiàng)目簡(jiǎn)介

完成單位: 南昌軌道交通集團(tuán)有限公司、江西科駿實(shí)業(yè)有限公司、 華東交通大學(xué)

主要完成人: 賀斯進(jìn)、 萬可謙、 肖乾、 陳星、 黃展軍、 劉小蘭、 熊軍、 游孟醒、 方云虹、何小輝、 鄒慶春、 付勝華、 江現(xiàn)昌、 付芳蓉、 周裔輝

項(xiàng)目簡(jiǎn)介

(一) 項(xiàng)目背景

隨著城軌交通發(fā)展, 城軌交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日漸擴(kuò)大, 運(yùn)輸任務(wù)與日俱增, 列車運(yùn)行故障數(shù)隨之增加。列車車輛檢修人員的日常維護(hù)與檢修工作是列車安全運(yùn)營(yíng)的基本保障, 為提高檢修人員的業(yè)務(wù)能力, 有必要對(duì)檢修人員進(jìn)行城軌車輛檢修的培訓(xùn)技術(shù)加以改進(jìn)。

目前, 我國(guó)地鐵車輛檢修培訓(xùn)采取以幻燈片投影教學(xué)為主, 配合基于實(shí)際車輛零部件的認(rèn)知與實(shí)操的培訓(xùn)模式。該種傳統(tǒng)地鐵車輛檢修教學(xué)模式存在培訓(xùn)效率低、 受限因素多、 投入消耗大等問題, 與快速形成高水平檢修隊(duì)伍之間形成了越來越大的矛盾。VR 技術(shù)檢修培訓(xùn)具備傳統(tǒng)紙質(zhì)文檔的文字、二維圖表無法比擬的解析能力, 不但可以清晰直觀地表述檢修過程, 使檢修操作人員在短時(shí)間內(nèi)了解檢修對(duì)象和掌握檢修技巧, 節(jié)約采用真實(shí)樣機(jī)培訓(xùn)的成本, 還能為設(shè)計(jì)師帶來真實(shí)的沉浸式體驗(yàn), 進(jìn)一步改進(jìn)拆裝步驟等檢修設(shè)計(jì)。目前,VR 技術(shù)已運(yùn)用于交通、 環(huán)境、 航天等多個(gè)領(lǐng)域,而在地鐵車輛檢修方面的應(yīng)用還很少。為加強(qiáng)車輛檢修維護(hù)質(zhì)量, 改善培訓(xùn)效果, 行業(yè)急需開展基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的地鐵車輛檢修技術(shù)與應(yīng)用研究。

(二) 技術(shù)概況

本項(xiàng)目是對(duì)軌道交通車輛檢修培訓(xùn)技術(shù)的研究, 屬于城市軌道交通車輛檢修培訓(xùn)技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域。項(xiàng)目研究基于 zSpace 硬件平臺(tái)的 3D 展示技術(shù), 通過城軌車輛零件細(xì)粒度建模、 場(chǎng)景建模、圖形處理、 虛擬交互設(shè)計(jì)、 系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)試, 結(jié)合三維虛擬顯示展示平臺(tái), 實(shí)現(xiàn)對(duì)部件結(jié)構(gòu)功能的全面學(xué)習(xí)指導(dǎo)。項(xiàng)目通過移動(dòng)終端拍攝視頻, 將匹配到的視頻圖像和相應(yīng)的三維虛擬圖像進(jìn)行疊加處理, 為學(xué)員提供虛實(shí)結(jié)合的逼真視覺感受,實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛檢修業(yè)務(wù)的泛在式培訓(xùn), 提高了學(xué)習(xí)的便捷性。項(xiàng)目通過研究城軌車輛故障體系, 實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫中對(duì)故障的分類分級(jí)存儲(chǔ), 并建立故障樹, 存儲(chǔ)不同故障出現(xiàn)的原因, 依托建立的故障數(shù)據(jù)庫, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)員進(jìn)行高質(zhì)量的故障應(yīng)急處理培訓(xùn)。項(xiàng)目成果顯著提高了車輛檢修人員培訓(xùn)效率與質(zhì)量, 保障了城軌車輛運(yùn)營(yíng)安全,降低了車輛檢修人員培訓(xùn)成本。

(三) 適用范圍

本項(xiàng)目成果適用于地鐵車輛檢修人員培訓(xùn)等領(lǐng)域。通過開展基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的地鐵車輛檢修技術(shù)與應(yīng)用研究。在基于混合現(xiàn)實(shí)的車輛檢修培訓(xùn)課堂、 基于移動(dòng)終端的城軌車輛培訓(xùn)方案設(shè)計(jì)等多方面實(shí)現(xiàn)了全方位的創(chuàng)新, 為學(xué)員提供虛實(shí)結(jié)合的逼真視覺感受, 實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛檢修業(yè)務(wù)的泛在式培訓(xùn), 提高了學(xué)習(xí)的便捷性。

項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

(1) 基于混合現(xiàn)實(shí)的車輛檢修培訓(xùn)課堂。項(xiàng)目研究了 VR 檢修培訓(xùn)課程資源云平臺(tái)搭建, 其SaaS 層采用了基于 Web 的 VR 資源管理平臺(tái), 實(shí)現(xiàn)了不同角色的系統(tǒng)操作權(quán)限管理。研究基于zSpace 硬件平臺(tái)的 3D 展示技術(shù), 通過場(chǎng)景建模、圖形處理、 虛擬交互設(shè)計(jì)、 系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)試, 結(jié)合三維虛擬顯示展示平臺(tái), 實(shí)現(xiàn)對(duì)部件結(jié)構(gòu)功能的全面學(xué)習(xí)指導(dǎo)。研究沉浸式人機(jī)交互技術(shù), 通過3dsMAX 三維建模軟件建模并將模型到 Unity 引擎中搭建真實(shí)性高的虛擬場(chǎng)景, 通過頭盔式顯示器、手柄和自然語言等方式與環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)交互, 實(shí)現(xiàn)了一種身臨其境的沉浸感受。

(2) 基于移動(dòng)終端的城軌車輛培訓(xùn)方案設(shè)計(jì)。通過移動(dòng)終端拍攝視頻, 采用 Sift 特征匹配算法、ORB 算法等圖像特征匹配算法對(duì)比數(shù)據(jù)庫中的圖像與移動(dòng)終端拍攝的圖像, 將匹配到的視頻圖像和相應(yīng)的三維虛擬圖像進(jìn)行疊加處理, 為學(xué)員提供虛實(shí)結(jié)合的逼真視覺感受, 實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛檢修業(yè)務(wù)的泛在式培訓(xùn), 提高了學(xué)習(xí)的便捷性。

(3) 故障導(dǎo)向的城軌車輛檢修培訓(xùn)方案。研究城軌車輛故障體系, 實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫中對(duì)故障的分類分級(jí)存儲(chǔ), 并建立故障樹, 存儲(chǔ)不同故障出現(xiàn)的原因。依托建立的故障數(shù)據(jù)庫, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)員進(jìn)行高質(zhì)量的故障應(yīng)急處理培訓(xùn)

同類項(xiàng)目比較

同類項(xiàng)目比較詳見表 1。

應(yīng)用案例

根據(jù)本項(xiàng)目研究成果, 南昌軌道交通集團(tuán)建立了車輛檢修 AR/ VR 實(shí)訓(xùn)中心, 該中心充分利用多媒體、 傳感器、 人機(jī)交互、 人工智能等技術(shù)以及軌道內(nèi)網(wǎng)條件, 通過系統(tǒng)化、 直觀化的理論講解, 規(guī)范化、 標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)過程演示, 沉浸式、交互型的實(shí)操演練, 隨機(jī)性、 遠(yuǎn)程化的自測(cè)考評(píng),提高車輛段檢修工作者的技術(shù)能力和作業(yè)水平,實(shí)現(xiàn)車輛檢修標(biāo)準(zhǔn)化和檢修質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化,提高培訓(xùn)效率, 保障行車安全。

社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益

本項(xiàng)目針對(duì)傳統(tǒng)城軌車輛檢修培訓(xùn)效率低、效果差、 成本高的問題, 研究開發(fā)了一套虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。采用高細(xì)粒度建模方法, 高仿真地還原了車輛檢修場(chǎng)景, 有效提高車輛檢修人員的培訓(xùn)效率和技能水平, 為城軌車輛運(yùn)營(yíng)安全提供了有效保障, 保障了人員和財(cái)產(chǎn)安全, 社會(huì)效益十分明顯。項(xiàng)目成果應(yīng)用到南昌軌道交通集團(tuán)有限公司、 上海軍谷實(shí)業(yè)有限公司等單位員工培訓(xùn)中,員工培訓(xùn)費(fèi)用節(jié)支總額達(dá) 4440 萬元且在持續(xù)擴(kuò)大,經(jīng)濟(jì)效益顯著。