基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统的制作方法

本发明属于铁路电务施工技术领域，具体涉及一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统。

背景技术：

现代科学技术在职业仿真和考核领域的应用具有特别重大的意义和作用。随着科技进步而发展起来的多媒体、仿真模拟、智能指导、计算机互动仿真、网络仿真和虚拟现实仿真等技术大大促进了新型仿真施工仿真技术的发展。仿真仿真系统资源多样化，仿真通道远程化，是当前仿真施工预演仿真发展的方向。新型仿真施工工艺流程辅助设计软件将从单一性的、以语言文字为主的纸质材料，向多样化的方向发展。多媒体、仿真模拟和智能指导是当前发展的主要方向，可以使仿真施工仿真更加便于理解、便于掌握，使仿真的内容更有针对性，更简捷、易懂，仿真效率大大提高。随着多媒体技术、传感器技术、特别是以计算机为基础的可视化技术的发展，用计算机模拟外界环境对人的感官刺激开始成为可能。事实证明，人对图像、声音和动、触感等感官信息的反应和理解能力远远大于对数字和文字等抽象信息的理解和反应能力。因此，把数字技术引入施工仿真的各阶段，将大大提高仿真的效率，提升仿真效果，避免安全隐患，而虚拟现实技术便是三维可视化数字技术不断发展的产物。

虚拟现实(virtualreality，简称vr)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

随着集成技术，计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域的发展，现代的虚拟技术用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3d世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形(cg)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。

三维游戏既是虚拟现实技术重要的应用方向之一，也为虚拟现实技术的快速发展起了巨大的需求牵引作用。尽管存在众多的技术难题，虚拟现实技术在竞争激烈的游戏市场中还是得到了越来越多的重视和应用。可以说，电脑游戏自产生以来，一直都在朝着虚拟现实的方向发展，虚拟现实技术发展的最终目标已经成为三维游戏工作者的崇高追求。从最初的文字mud游戏，到二维游戏、三维游戏，再到网络三维游戏，游戏在保持其实时性和交互性的同时，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加强。

现有铁路电务专业施工过程中，存在人员培养周期长、施工图纸不直观、施工难点很难预估的问题。如果能将虚拟现实技术应用于工程施工仿真及预演方面，则可以大大提高工程施工和教学的效率。

技术实现要素：

为了解决现有地铁电务专业施工存在人员培养周期长、施工图纸不直观、施工难点很难预估的技术问题，本发明提供了一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统，通过系统进行虚拟施工和施工仿真教学，来提高铁路电务施工的教学效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统，基于三维仿真和三维动画引擎实现，包括预案存储模块、三维场景生成模块、显示模块、教学模块、练习模块和考核模块；

所述预案存储模块用于存储预案，每个预案对应一种铁路电务施工工艺；所述三维场景生成模块用于将预案存储模块内存储的预案转化为三维场景；

所述教学模块用于调用预案存储模块中存储的预案，并通过三维场景生成模块生成为三维场景，发送至显示模块进行显示；

所述练习模块包括预案选择模块和辅助练习模块，所述预案选择模块用于根据用户输入，从预案存储模块内调用对应的预案，并通过三维场景生成模块生成三维练习场景后，发送至显示模块进行显示；所述辅助练习模块用于判断用户输入的操作是否与预案内预设步骤一致，若一致，则进行下一步骤，若不一致，则显示错误提示，并提示和引导用户重新输入正确操作，直至所有操作正确后结束；

所述考核模块包括登陆模块、预案下发模块、成绩统计模块和成绩上传模块，所述登陆模块用于用户输入信息进行登陆，所述预案下发模块用于选择和调用考核预案，并通过三维场景生成模块生成三维考核场景后，向登陆用户下发；所述成绩统计模块用于记录登陆用户输入的操作，判断各个操作是否与考核预案内预设步骤一致，并根据判断结果进行评分，所述成绩上传模块用于将评分结果上传服务器。

所述的一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统，采用b/s模式架构搭建。

所述的一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统，还包括教师端系统和学员端系统，所述教师端系统设置在教师机上，学员端系统设置在学员机上，所述教师端系统用于设置并下发预案，学员端系统用于学员用户完成各自独立的漫游、操作演练，以及教师端系统下发的组内角色扮演交互式演练任务。

所述三维场景生成模块通过unity3d为软件架构添加3d模型来搭建虚拟的环境，通过.net/c#语言来添加规则和逻辑。

所述的一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统，还包括模式选择模块，所述模式选择模块用于选择进入教学模块、练习模块或考核模块。

所述三维练习场景中，设置有联控按钮、提示按钮、工具按钮和场景按钮；

所述联控按钮用于按步骤显示操作案例；所述提示按钮用于提示按钮用于提示设备安装位置，所述工具按钮用于选择操作工具，所述场景按钮用于返回三维练习场景。

所述三维练习场景中，还设置有任务按钮，所述任务按钮用于用户选择任务。

所述三维考核场景中，设置有计时单元，所述计时单元用于显示登陆用户的剩余操作时间。

所述的一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统，采用中文界面的图形用户接口方式，具备多级菜单、多级窗口、图形移动和窗口缩放的功能；每页屏幕按功能划分为：标题区、菜单区、画面区、对话信息显示区。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统，彻底改变了以前国内电务段职教科对新进职工及再培训职工的设备巡视处理方法，以逼真形式、完善的设备缺陷模型库，通过3d动画最大限度的模拟轨道交通电务生产现场,巡视方式、设置缺陷灵活，隐蔽性强及思路新颖，对学员有极强的吸引力，最大限度的调动了学员学习兴趣和积极性，仿真实训效果大大增强。通过刺激学员的视觉、听觉神经，调动起学员的学习积极性和主动性，明显提高仿真仿真效果；大大降低仿真系统的硬件投资，可以非常方便地反映真实施工现场的变化；通过模拟实际的工作环境和工作流程，使运行人员熟悉环境，熟悉地进行各种操作，将有助于解决不可视、不可摸、不可入、危险性场所的仿真等问题，解决仿真设备不足、型号落后、难以更新换代跟上时代发展的困难，提高仿真预演仿真的技术水平。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中教学模块的界面示意图；

图3为本发明实施例中教学模块的另一界面示意图；

图4为本发明实施例中模式选择模块的界面示意图；

图5为本发明实施例中练习模块的运行流程示意图；

图6为本发明实施例中练习模块的界面示意图；

图7为本发明实施例中考核模块的运行流程示意图；

图8为本发明实施例中考核模块的登陆界面示意图；

图9为本发明实施例中预案下发模块的界面示意图；

图10为本发明实施例中考核模块的截面示意图；

图11为本发明实施例提供的一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统的软件架构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统，基于三维仿真和三维动画引擎实现，包括预案存储模块、三维场景生成模块、显示模块、教学模块、练习模块和考核模块；所述预案存储模块用于存储预案，每个预案对应一种铁路电务施工工艺；所述三维场景生成模块用于将预案存储模块内存储的预案转化为三维场景。

所述教学模块用于调用预案存储模块中存储的预案，并通过三维场景生成模块生成为三维场景，发送至显示模块进行显示；所述练习模块包括预案选择模块和辅助练习模块，所述预案选择模块用于根据用户输入，从预案存储模块内调用对应的预案，并通过三维场景生成模块生成三维练习场景后，发送至显示模块进行显示；所述辅助练习模块用于判断用户输入的操作是否与预案内预设步骤一致，若一致，则进行下一步骤，若不一致，则显示错误提示，并提示和引导用户重新输入正确操作，直至所有操作正确后结束；所述考核模块包括登陆模块、预案下发模块、成绩统计模块和成绩上传模块，所述登陆模块用于用户输入信息进行登陆，所述预案下发模块用于选择和调用考核预案，并通过三维场景生成模块生成三维考核场景后，向登陆用户下发；所述成绩统计模块用于记录登陆用户输入的操作，判断各个操作是否与考核预案内预设操作一致，并根据判断结果进行评分，所述成绩上传模块用于将评分结果上传服务器。

本发明提供的一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统，系统的人机界面满足人体工程学的要求，界面上的信息显示状态发生变化时，中间不应有断续。涉及到与监控或联动相关的界面信息应与被控设备或被联动设备实际状态一致。系统应具备简洁、直观、方便、明确的人机对话方式，所有终端的人机对话方式应一致。采用中文界面的图形用户接口方式，具备多级菜单、多级窗口、图形移动和窗口缩放的功能。每页屏幕应按功能划分为：标题区、菜单区、画面区、对话信息显示区。建模素材来自于新建线路真实现场，3d模型真实、完整，能够提供优秀的沉浸式体验仿真演练环境；演练案例来自于真实建设单位和运营单位，提供最贴近当今现场专业岗位的演练内容；

具体地，本实施例中，仿真系统采用b/s模式架构搭建。b/s模式统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。客户机上只要安装一个浏览器（browser），如internetexplorer，服务器安装sqlserver、oracle、mysql等数据库。浏览器通过webserver同数据库进行数据交互。该建设模式投资成本低，覆盖范围广；易于软件升级和维护，是日后软件仿真系统的发展趋势。

具体地，本实施例提供的一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统，还包括教师端系统和学员端系统，所述教师端系统设置在教师机上，学员端系统设置在学员机上，所述教师端系统用于设置并下发预案，学员端系统用于学员用户完成各自独立的漫游、操作演练，以及教师端系统下发的组内角色扮演交互式演练任务。也就是说，本发明实施例以教师机为控制中枢，可以通过教师机设置并下发各种预案，学员机可以通过本地控制软件完成各自独立的漫游、操作演练，也可以由教师机指定在组内实现角色扮演交互式演练，因此，本发明真正实现了网络环境下的教师与学员、学员与学员的互动。

此外，本发明提供的一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统，具备电子化自动考核系统，可以实现实操及理论客观题、主观题的自动考核，自动评分，并上传至教师机统计打印输出；题库可以设计为开放式题库，可以由使用教师自行编制试题。

本发明的仿真系统采用了先进的信息技术和高性能的计算机硬件设备，使整套系统的可靠性、可用性、可维护性大幅提高，基本免去了日常的维护工作，可以实现7×24小时的免维护使用。减少了大量金属、木材及电力能源的使用及消耗，符合当前低碳、环保的社会潮流。

具体地，本实施例中，所述三维场景生成模块通过unity3d为软件架构添加3d模型来搭建虚拟的环境，通过.net/c#语言来添加规则和逻辑。

如图2~3所示，本实施例中，教学模块主要用于观摩实际操作的视频，通过点击图2的各个板块，可以进入不同的菜单分选不同的视频进行观看学习，如图3所示。

具体地，本实施例提供的一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统，还包括模式选择模块，其界面示意图如图4所示，所述模式选择模块用于选择进入教学模块、练习模块或考核模块。

具体地，如图5所示，本实施例中，练习模块的工作流程包括以下几个步骤：

s101、预案开始，初始化预案配置；

s102、根据用户的选择的预案名称，选择对应预案执行，通过三维场景生成模块生成三维练习场景后，发送至显示模块进行显示；

s103、判断用户输入的操作是否与预案内预设操作一致，若一致，则进入下一操作步骤，若不一致，则显示错误提示，并提示和引导用户重新输入正确操作，至用户操作正确后，进入下一个操作，重复上述判断；

s104、待用户所有操作均完成后，结束本次预案练习过程。

具体地，如图6所示，所述三维练习场景中，设置有联控按钮、提示按钮、工具按钮、场景按钮和任务按钮，所述联控按钮用于按步骤显示操作案例；所述提示按钮用于提示按钮用于提示设备安装位置，所述工具按钮用于打开工具清单，方便用户选择操作工具，所述场景按钮用于返回三维练习场景，所述任务按钮用于用户选择任务。

具体地，如图7所示，本实施例中，考核模块的工作流程包括以下几个步骤：

s201、预案开始，初始化预案配置，；

s202、根据教师端用户的选择的预案名称，选择对应预案执行并下发至学员端，学员端用户登陆成功后，学员端系统通过三维场景生成模块生成三维练习场景后，发送至显示模块进行显示；

s203、学员端系统的成绩统计模块判断用户输入的操作是否与预案内预设操作一致，若一致，则给分，并进行下一操作，若不一致，则不给分并进入下一个操作，进入下一个操作后，重复上述判断；

s204、待学员端系统的登陆用户所有操作均完成后，成绩统计模块统计成绩，并通过成绩上传模块上传到服务器，本次考试过程结束。

进一步地，本实施例中，如图8所示，本实施例中，所述三维考核场景中，设置有计时单元，所述计时单元用于显示登陆用户的剩余操作时间。如果登陆用户未在规定的倒计时范围内使用或者点选箭头则该步骤的分数将会扣除。

进一步地，如图11所示，本发明提供的一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统，其软件架构包括ui模块和逻辑模块，其中ui模块包括交互界面和三维场景，逻辑模块包括输出存储模块、操作控制模块和步骤执行模块三部分，其中步骤执行模块用于执行场景切换、弹出框、动画播放、物体操作等执行步骤。

综上所述，本发明提供了一种基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统，该系统基于高速铁路信号系统施工和计算机软件及虚拟现实技术，彻底改变了以前国内电务段职教科对新进职工及再培训职工的设备巡视处理方法，以逼真形式、完善的设备缺陷模型库，通过3d动画最大限度的模拟轨道交通电务生产现场，巡视方式、设置缺陷灵活，隐蔽性强及思路新颖，对学员有极强的吸引力，最大限度的调动了学员学习兴趣和积极性，仿真实训效果大大增强。本发明基于虚拟实景环境下的轨道交通施工工艺工法演练；系统分为室内、室外多个典型施工现场环境，包含不同电务设备安装施工所需的各种工具、工艺、工法、工序实操及专家引导说明。技术先进，实用性强，经济环保，教学安排灵活，填补了我国地铁电务专业施工虚拟实景仿真演练教学系统的空白，推广前景好。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。