本发明属于企业多媒体仿真技能培训技术领域，涉及一种沉浸式虚拟现实的机车乘务员非正常行车实训考核系统。
背景技术
铁路机车车辆在运行过程中会出现零部件损坏，不同天气、不同地域、不同的铁路坡度、不同区间段发生事故等非正常情况，很多非正常情况列车司机都不曾遇到过，无法从容地进行处理，保证行车安全，需要进行系统的培训来强化处理事故的能力。常规的方法是师傅带着徒弟现场培训，不但学习速度慢、出师晚、规范性差，而且对于百年不遇的事故不能模拟，只能学习理论知识，而列车司机及乘务员的工作水平及处理事故的能力直接关系到全线的运营安全，需要对列车司机及乘务员，尤其是新入岗的员工进行经常性的业务培训，以提高技术业务水平保证运行安全。仿真教学解决了上述困难，但是现有的虚拟仿真设备不能完全还原现场，使用鼠标点击2d图片不直观，去实地模拟人多且容易造成人身伤害。虚拟仿真设备费用昂贵需要大量资金，占用场地大，而且培训的车型单一，不能满足机车乘务员非正常行车实训与考核工作。
本随着计算机和网络技术的发展，数据信息的传递越来越便利，为教学和技术培训的方式带来了巨大的改变，使得教学和训练不再受到时间和场地的限制。沉浸式学习(immersivelearning)，是指通过虚拟现实(virtualreality，vr)技术为受训者提供一个接近真实的培训环境，借助虚拟工作环境与现实操作相结合的方式，让培训者通过高度参与互动、演练而提升技能。尚未发现通过沉浸式虚拟场景培训机车乘务人员的专利和非专利报道。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种沉浸式虚拟现实的机车乘务员非正常行车实训考核系统，利用虚拟工作环境培训机车乘务务人员，使得学员进入沉浸式虚拟现实场景进行培训，节省培训成本，提高培训的系统性和规范性，有利于机车和铁路列车运行安全。
本发明的技术方案是：沉浸式虚拟现实的机车乘务员非正常行车实训考核系统，包括定位追踪单元、监管单元、客户端服务器单元、教学单元、模拟演练单元、考核单元、模型单元、动画单元、数据库单元和语音单元，各单元通信连通，并与教师端和学生端通信连通。定位追踪单元提供操作需要追踪的外部条件，监管单元通过教师端查看学生端的各项操作，提供远程指导和监控。语音单元包含教学用到的指引语音和模拟演练、考核及远程指导时传输的实时语音。模型单元为动画单元、教学单元、模拟演练单元和考核单元提供需要模型。动画单元为教学单元、模拟演练单元和考核单元提供动画基础，教学单元对学员进行列车非正常行车的正规流程教学。模拟演练单元以教学为基础巩固所学知识，并显示演练中的错误操作。考核单元将学员学习到的知识进行考核，监管单元用于监控学员的学习画面操作。数据库单元将系统的数据进行存储、同时供系统提取数据进行分析。客户端服务器单元用于多人协作时进行网络传输。
定位追踪单元包含主机、定位器、头盔显示器、vive操控手柄和vive追踪器，追踪器系在练习人员的脚部和/或需要追踪的部位。定位器、头盔显示器、vive操控手柄和vive追踪器与主机通信连通，形成运行软件所需的定位追踪环境。
沉浸式虚拟机车乘务员非正常行车实训考核系统的工作流程包括非正常情况选择模块、实训模式选择模块和功能模块，功能模块包括理论部分和实战部分。理论部分包括感知认知模块和教学模块，实战部分包括模拟演练模块和考核模块，感知认知模块包括需要感知认知的部位，教学模块、模拟演练模块和考核模块与监管单元和教师端通信连通。
感知认知模块的工作流程为：①选择非正常情况选择模块和实训模式选择模块；②选择理论部分及感知认知模块选项；③在感知认知模块中通过选择需要感知认知的部位选项，进入要感知认知的部位，要感知认知的部位包括操作台、机车控制区、机车外部分管、机车各风管、机车车底和其它部位；④监管单元监管感知认知的过程。
教学模块的工作流程为：①选择非正常情况选择模块和实训模式选择模块；②选择理论部分及教学模块选项，监管单元监管教学过程；③开始教学，根据教学模块学习的内容进行操作，遇到的问题通过网络请求远程指导；④完成教学返回步骤①或退出教学模块。
模拟演练模块的工作过程为：①选择非正常情况选择模块（14）和实训模式选择模块；②选择实战部分及模拟演练模块选项，监管单元监管模拟演练过程；③开始演练，根据教学模块学习的内容进行操作，遇到的问题通过网络请求远程指导；④练习模块结束对练习的结果进行统计，列出误操作项；⑤返回步骤①或退出模拟演练模块。
考核模块的工作过程为：①选择非正常情况选择模块和实训模式选择模块；②选择实战部分及考核模块选项，监管单元监管模拟演练过程；③进入选题项随机抽题进行考核；④考核完成后，考核数据传至教师端，给出得分和扣分明细。
客户端服务器单元用于远程教学，所述远程教学流程为：①进入选择模拟训练模块；②按照教学模块的内容进行操作；③判断有无问题；④如果没有问题，继续操作直至完成教学内容，选择返回步骤①或退出远程教学；⑤如果有问题，通过网络请求远程指导，教师进行远程教学，然后返回步骤③。
本发明以中国铁路总公司《技规》以及各级部门颁布的技术规章中涉及非正常行车规定为依据，结合现场作业实际情况，融规章制度和现场作业为一体，按处理步骤、处理顺序详细列出遇到非正常情况时，机车乘务员应执行的规章制度及应遵循的作业程序。
沉浸式虚拟现实的特点是利用头盔把用户的视觉、听觉封闭起来，产生虚拟视觉，同时利用操作手柄操作虚拟场景中的零件和物体产生虚拟触动感。系统语音单元为学员提示操作步骤和讲解，进行人机交互，与此同时相应的腿部跟踪器追踪，使系统达到尽可能的实时性。临境系统是真实环境替代的理想模型，具有交互手段的虚拟环境。本发明借助三维引擎软件建模及编写程序、htcvive设备展示(包含多个定位器、头戴显示器、vive操控手柄、vive追踪器等)，用于实现铁路机车乘务员非正常行车实训考核。
本发明沉浸式虚拟现实的机车乘务员非正常行车实训考核系统利用虚拟工作环境培训机车乘务人员，使得学员进入沉浸式虚拟现实场景进行培训，提高了对铁路机务人员培训和考核的系统性和规范性，有利于机车和铁路列车运行安全。根据学员的具体需要可以选择车型、岗位和环境，有针对性地进行培训，可对铁路行业多年遇不到的事故进行针对性的演练，借助于互联网实现多人协作共同完成操作。
附图说明
图1为本发明沉浸式虚拟现实的机车乘务员非正常行车实训考核系统的结构框图；
图2为沉浸式虚拟现实的机车乘务员非正常行车实训考核系统的工作流程图；
图3为监管单元意图；
图4为感知认知模块的流程示意图；
图5为教学模块的流程示意图；
图6为模拟演练模块的流程示意图；
图7为考核模块的流程示意图；
图8为远程教学示意图；
图9为异地培训人员进行操作的示意图.
其中：1—教师端、2—学生端、3—定位追踪单元、5—监管单元、6—客户端服务器单元、7—教学单元、8—模拟演练单元、9—考核单元、10—模型单元、11—动画单元、12—数据库单元、13—语音单元、14—非正常情况选择模块、15—实训模式选择模块、16—感知认知模块、17—教学模块、18—模拟演练模块、19—考核模块、20—需要感知认知的部位、25—培训人员、26—理论部分、27—实战部分、28—选题项。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
本发明沉浸式虚拟现实的机车乘务员非正常行车实训考核系统，如图1所示，包括定位追踪单元3、监管单元5、客户端服务器单元6、教学单元7、模拟演练单元8、考核单元9、模型单元10、动画单元11、数据库单元12和语音单元13。定位追踪单元、监管单元、客户端服务器单元、教学单元、模拟演练单元、考核单元、模型单元、动画单元、数据库单元和语音单元之间通信连通，上述各单元与教师端1学生端2通信连通。定位追踪单元提供操作需要追踪的外部条件，定位追踪单元包含主机、定位器、头盔显示器、vive操控手柄和vive追踪器，追踪器系在练习人员的脚部和/或需要追踪的部位。定位器、头盔显示器、vive操控手柄和vive追踪器与主机通信连通，形成运行软件所需的定位追踪环境。两个或多个定位器串联安置在培训场所（或教室），头盔设有显示器和耳麦，戴上头盔可以看到场景内画面，听到语音单元的播放声音、传输外界的声音。监管单元通过教师端查看学生端的各项操作，根据情况控制学生的进度，在模拟演练单元和考核单元进行训练和考核时教师端查看学生的操作步骤，提供远程指导和监控。语音单元包含教学用到的指引语音、模拟演练、考核及远程指导时传输的实时语音，以及对学生实时语音的识别和系统进行提示的语音。模型单元为动画单元、教学单元、模拟演练单元和考核单元提供需要模型，包括系统用到的机车、工具、人物等模型。动画单元为教学单元、模拟演练单元和考核单元提供动画基础，提供系统的指引动画和人物动画。教学单元对学员进行列车非正常行车的正规流程教学。模拟演练单元以教学为基础巩固所学知识，并显示演练中的错误操作。考核单元将学员学习到的知识进行考核，监管单元用于监控学员的学习画面操作，监管单元教师借助头盔及电脑屏幕获取练习人员的实时画面及数据，实时监控练习人员的操作的同时可以控制学生的操作，将学生操作暂停和继续，对学生提供实时指导，在考核单元可接收学生成绩。数据库单元将系统的数据进行存储、同时供系统进行提取数据进行分析。客户端服务器单元用于多人协作时进行网络传输。
如图2所示，沉浸式虚拟现实的机车乘务员非正常行车实训考核系统的工作流程包括非正常情况选择模块14、实训模式选择模块15和功能模块，功能模块包括理论部分26和实战部分27。理论部分包括感知认知模块16和教学模块17，实战部分包括模拟演练模块18和考核模块19，感知认知模块包括需要感知认知的部位20。感知认知模块、教学模块、模拟演练模块和考核模块与监管单元5和教师端1通信连通。如图3所示监管单元培训人员25通过感知认知模块、教学模块、模拟演练模块和考核模块进行培训操作，监管单元5查看培训人员进行感知认知模块、教学模块、模拟演练模块和考核模块各项操作，提供远程指导和监控，接收学生成绩。在感知认知模块通过ui配合语音，用手柄进行选择各个配件及部位进行360度的观看。教学模块配合语音模块以及各种ui提示进行一步步的教学。模拟演练模块根据教学模块学习的内容进行操作。考核模块练习人员随机抽题进行作答，考核完成后可将考试结果传输给监管单元分析获取学生考试得分及扣分项。每个模块均设有监管功能，可对练习人员的画面进行查看，并对操作的模块进行控制。
感知认知模块包含对机车内的认知、机车外部各风管的认知、机车外各开关的认知、各控制区的认知以及其它各个关键部位零件的认知，其认知部位可在感知认知模块进行详细的选择。如图4所示，感知认知模块16的工作流程为：①选择非正常情况选择模块14和实训模式选择模块15，②选择理论部分26及感知认知模块16选项，③在感知认知模块中通过选择需要感知认知的部位20选项，进入要感知认知的部位，要感知认知的部位包括操作台、机车控制区、机车外部分管、机车各风管、机车车底和其它部位；④监管单元5监管感知认知的过程。
教学模块功能有语音功能，主要包括：智能显示器设置、无线列调终端的使用方法、机车启动模块、转换主副台模块、ccbⅱ型制动机“五步闸”试验模块、“小复位”的使用时机及操作方法、“大复位”的使用时机及操作方法，机车停车模块和停车状态的无火回送操作办法。根据教学模块学习的内容进行操作，遇到的问题通过互联网可申请远程指导。如图5所示，教学模块17的工作流程为：①选择非正常情况选择模块14和实训模式选择模块15；②选择理论部分26及教学模块17选项，监管单元5监管教学过程；③开始教学，根据教学模块学习的内容进行操作，遇到的问题通过网络请求远程指导；④完成教学返回步骤①或退出教学模块。
模拟演练模块18以教学模块为基础对所学的知识进行巩固，同时配合有远程指导功能以及教师监管功能，在练习结束对练习的结果进行统计，列出误操作项。如图6所示，模拟演练模块18的工作过程为：①选择非正常情况选择模块14和实训模式选择模块15；②选择实战部分27及模拟演练模块18选项，监管单元5监管模拟演练过程；③开始演练，根据教学模块学习的内容进行操作，遇到的问题通过网络请求远程指导；④练习模块结束对练习的结果进行统计，列出误操作项；⑤返回步骤①或退出模拟演练模块。
考核模块19在数据库单元中针对69种非正常的情况设置了300道试题，学生端进行随机抽题进行考核，考核完成之后将数据传回教师端，教师端将存储每个考生的试题答题情况，给出扣分明细及得分。如图7所示，考核模块19的工作过程为：①选择非正常情况选择模块14和实训模式选择模块15；②选择实战部分27及考核模块19选项，监管单元5监管模拟演练过程；③进入选题项28随机抽题进行考核；④考核完成后，考核数据传至教师端1，得给出得分和扣分明细。在非正常情况选择模块(共69种选择)，被培训和/或考评的员工通过选择担任的角色(救援司机/被救援司机)以及发生的环境(昼/夜/晴/雨/雪)选择理论基础部分和实战部分的选项进入选择教学模块或模拟演练模块或考核模块进行培训和考核。
客户端服务器单元6用于远程教学，如图8所示，远程教学流程为：①进入选择模拟训练模块18；②按照教学模块17的内容进行操作；③判断有无问题；④如果没有问题，继续操作直至完成教学内容，选择返回步骤①或退出远程教学；⑤如果有问题，通过网络请求远程指导，教师进行远程教学，然后返回步骤③。
岗位培训人员可以异地通过互联网同时利用本发明沉浸式虚拟现实的机车乘务员非正常行车实训考核系统进行培训操作。如图9所示，身处三地的学员，在各自的学生端选择非正常情况选择模块14和实训模式选择模块15，通过互联网进入同一个沉浸式虚拟现实场景中进行感知认知模块、教学模块、模拟演练模块和考核模块的实训操作。
本发明在保障决铁路行业职工培训的人身安全的同时，达到在有限的空间内“一人一辆，将火车开进教室”的目的，根据需要可以选择天气、昼夜以及事故原因，可对铁路行业多年遇不到的事故进行针对性的演练，演练可由多人协作共同完成。演练模块采用实时远程指导，针对有互联网的铁路职工以及铁路院校学生进行远程教学指导。通过教师端和学生端使老师可以监控学生操作，教师端可以看到所有学生端的画面，实时监控练习人员的操作的同时可以控制学生的操作，将学生操作暂停和继续，对学生提供实时指导，在考核单元可接收学生成绩。本发明在多人协作时先选取非正常情况再选取角色，救援司机还是被救援司机，共同完成机车检修和故障处理。