基于VR技术的铁路通信施工安全技术教程研制

基于 VR技术的铁路通信施工安全技术教程研制

袁晓莉

中国铁路设计集团有限公司 天津 300308

摘要：安全教育培训在铁路工程施工中是必不可少的一项施工交底内容，运用VR（虚拟现实）技术来辅助安全教育培训，有助于提高交底效率，可在施工前更为深刻地理解施工过程中可能发生的某个事件，使施工技术人员得到指导，有预想地进行工程准备，将现场实际情况具象化，强化施工安全意识。为此，本文结合大张客专通信专业施工与现场实际情况，根据标准规范，制作适用于施工安全技术交底的VR培训教程，通过硬件（VR体验平台）和软件的结合，使施工人员有身临其境的感觉，加强对技术规范内容的理解。

关键词：VR技术；铁路通信；施工安全

1 教程设计

1.1 功能设计

VR施工安全技术培训教程设计登录界面，以及铁塔设备安装高处作业安全、既有线施工安全、通信室内设备安装与配线施工安全等3个场景，实现在沉浸式虚拟操作环境下，受训人员独立完成施工安全技术标准化操作。

1.2 技术指标

1.2.1 刷新率与帧数

刷新率和帧数是影响虚拟现实体验的重要因素之一。刷新率与帧数低，则容易引起体验者眩晕感和不适感。本系统运行帧数保持90帧以上，同时采用的头戴式显示器刷新率达到90 Hz，可保证本培训系统稳定流程运行。

1.2.2 头显分辨率

分辨率是影响沉浸感的重要因素之一，分辨率越高，画面越清晰，越能使人产生身临其境的感觉；分辨率越低，则屏幕越容易产生颗粒感，易破坏人员在虚拟环境中的沉浸感。受硬件技术限制，目前主流VR头戴式显示器分辨率为单眼1 080×200像素，组合分辨率为2 160×1 200像素。

1.2.3 场景复杂度

场景是指应用中用户所处的虚拟环境，包括环境中的光照、阴影、模型设备、自然景观、角色人物等。

1）物品排布。虚拟物品与人在3～10 m范围内，体验效果最佳。

2）模型顶点数。经试验，单个场景中模型的顶点数不超过50万个，可保证系统稳定流畅运行。

3）视场角（FOV）。交互信息保证在60°以内显示，可达到培训的良好效果。

1.3 虚拟场景

虚拟场景设计主要包括模型构建要求、模型排布规范，以及对场景整体容纳资源的限制。场景中建造的模型，在满足当前虚拟场景渲染效果的前提下，尽量删减模型的顶点数，对隐藏的模型面片也不进行绘制处理，减少渲染运算，提升系统效能。虚拟场景中的设备模型以及其他物品皆围绕观察者进行圆弧状排布，排布层次突出重点，满足人眼观察物体习惯，有效减弱视疲劳。一个虚拟场景在满足功能需求的前提下，尽量减少多余资源的出现，避免了加载场景过程中出现卡顿。

1.4 系统交互

受训人员首先进入登录界面场景，选择3个体验场景之一；进入体验场景后，通过手柄触发互动模拟展示；通过头显设备进行场景流程展示，经各个流程节点触发操作，部件高亮和工艺点文字提示提升体验效果；通过发射射线或者直接触碰虚拟部件的方式触发互动，及时将触发信息信号（如手柄振动感等）反馈给受训人员，达到真实的体验感觉。

2 关键技术

2.1 开发及运行环境

开发工具采用3D建模软件、Unity3D引擎和Visual Studio编译器。通过采集设备实景数据，利用3D建模软件对施工安装环境等进行三维模型的构建；将建好的模型导入Unity3D引擎中进行相应的配置；基于导入的模型和Unity3D引擎地形系统构建虚拟操作环境；利用C#编程语言进行各系统的逻辑编写调试；最终发布在VR设备进行培训。运行环境是Steam及Steam VR。

2.2 系统配置

根据需要培训系统也可由多台高性能图形工作站和多套VR套装组成，以实现多人同时培训。

1）高性能图形处理器。主机配置有专业图形处理显卡、高性能CPU、32 GB运行内存。主要负责系统虚拟环境的渲染以及核心运算的处理。

2) VR套装。包括头戴式显示器、激光定位器、无线操控手柄及相关配件，主要实现VR设备定位、虚拟环境显示及虚拟交互等功能。

2.3 建模技术

依据现场采集的设备尺寸、影像等资料，使用3D建模工具对设备模型进行1∶1建模，同时在保证系统呈现效果的前提下，对模型的面数、定点数进行综合优化，达到性能和渲染效果的平衡，保证模型在虚拟环境中的表现效果，运用贴图、渲染和烘焙等技术手段使模型接近真实。

2.4 系统交互

系统的交互方案基于steam VR插件提供的底层交互机制进行构建，同时综合运用Unity3D引擎内置的功能组件，包括粒子系统、动画系统、灯光静态烘焙、物理系统，以及VRTK、Do Tween等成熟的第三方插件，有效保证了系统的功能实现。

2.5 整体优化

系统开发中后期，利用Unity3D引擎内置的Proflier性能分析工具对系统进行优化测试，从CPU、GPU以及内存三大方面，对系统进行逐级优化，保证系统发布之前各项运行指标满足性能要求。

3 功能实现

3.1 通信铁塔高处作业安全场景

该场景以通信铁塔上安装天馈线和视频监控设备的操作，结合施工安全注意事项，实现通信铁塔高处作业安全场景的模拟。

体验步骤：(1)定向天线、馈线、摄像机地面组装；(2)施工人员在地面依次佩戴好安全带、安全帽；(3)到达作业位置附近固定好安全带；(4)在塔顶固定好滑轮，将大绳一头放至地面；(5)地面辅助人员绑扎固定天线、馈线、摄像机，并拉动大绳；(6)利用滑轮将天线、馈线、摄像机上升至安装位置，测量天线方位角、俯仰角及摄像机安装角度；(7)在安装位置将天线、馈线、摄像机固定好。未执行完前道工序，无法开始下道工序的体验。

3.2 既有线施工安全场景

根据既有线铁路施工安全的相关注意事项，顺序体验以下3个场景：(1)接触网下不准高举施工物具，施工人员在路肩行走时，所携带施工物料、机具要平行于铁路，避免发生触电事故;(2)横跨轨道时，注意“一停、二看、三通过”，施工人员所扛长大物件在路肩行走，必须与铁路线平行，避免物件侵限与来车发生刮碰;(3)严禁在既有线上行走看手机，施工人员在既有铁路线施工时、必须保持高度警惕，听从现场防护员和安全员的指引行走，避免因注意力不集中，发生列车刮碰事件。

3.3 通信室内设备安装与配线安全场景

根据施工现场通信设备安装、配线等工序，包括划线钻孔、固定底座机柜安装、走线架安装、线缆布放和配线成端等，展现通信机房设备安装与配线安全及工艺提升相关要求。

体验顺序：(1)划线钻孔，按照标注摆放好设备底座，划线定位打孔深度，手柄选择电钻并打孔；(2)固定底座，手柄选择膨胀螺栓，放入4个孔内，将设备底座对地安装孔套入膨胀螺栓，并固定紧固；(3)机柜安装，通过手柄将机柜移放在支架上，将安装孔与底座上的安装孔对齐，安装螺栓自上而下穿过安装孔并紧固，用水平尺测量应放在机柜正面、侧面，水平尺的气泡应居中;(4)走线架安装及施工要点;(5)线缆布放及施工要点；(6)配线成端及施工要点。未执行完前道工序，无法开始下道工序的体验。

4 结束语

针对铁路施工安全技术和工艺标准，调研了现有培训模式及效果，研究通用性铁路场景和专用工艺场景界面，搭建VR培训系统整体架构、交互设计架构，研发完成施工安全技术、施工流程的过程展示应用教程。截至目前，本系统已在大张、赣深、连徐、吉首等工程项目中投入使用，对施工安全流程、技术交底等提供了指导和操作依据，取得了良好的效果。

参考文献

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