《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第四部分装备《地铁车辆细粒度部件虚拟现实建模及其检修培训应用》

本期项目简介

完成单位: 南昌轨道交通集团有限公司、江西科骏实业有限公司、 华东交通大学

主要完成人: 贺斯进、 万可谦、 肖乾、 陈星、 黄展军、 刘小兰、 熊军、 游孟醒、 方云虹、何小辉、 邹庆春、 付胜华、 江现昌、 付芳蓉、 周裔辉

项目简介

(一) 项目背景

随着城轨交通发展, 城轨交通网络规模日渐扩大, 运输任务与日俱增, 列车运行故障数随之增加。列车车辆检修人员的日常维护与检修工作是列车安全运营的基本保障, 为提高检修人员的业务能力, 有必要对检修人员进行城轨车辆检修的培训技术加以改进。

目前, 我国地铁车辆检修培训采取以幻灯片投影教学为主, 配合基于实际车辆零部件的认知与实操的培训模式。该种传统地铁车辆检修教学模式存在培训效率低、 受限因素多、 投入消耗大等问题, 与快速形成高水平检修队伍之间形成了越来越大的矛盾。VR 技术检修培训具备传统纸质文档的文字、二维图表无法比拟的解析能力, 不但可以清晰直观地表述检修过程, 使检修操作人员在短时间内了解检修对象和掌握检修技巧, 节约采用真实样机培训的成本, 还能为设计师带来真实的沉浸式体验, 进一步改进拆装步骤等检修设计。目前,VR 技术已运用于交通、 环境、 航天等多个领域,而在地铁车辆检修方面的应用还很少。为加强车辆检修维护质量, 改善培训效果, 行业急需开展基于虚拟现实技术的地铁车辆检修技术与应用研究。

(二) 技术概况

本项目是对轨道交通车辆检修培训技术的研究, 属于城市轨道交通车辆检修培训技术科学领域。项目研究基于 zSpace 硬件平台的 3D 展示技术, 通过城轨车辆零件细粒度建模、 场景建模、图形处理、 虚拟交互设计、 系统优化调试, 结合三维虚拟显示展示平台, 实现对部件结构功能的全面学习指导。项目通过移动终端拍摄视频, 将匹配到的视频图像和相应的三维虚拟图像进行叠加处理, 为学员提供虚实结合的逼真视觉感受,实现轨道交通车辆检修业务的泛在式培训, 提高了学习的便捷性。项目通过研究城轨车辆故障体系, 实现在数据库中对故障的分类分级存储, 并建立故障树, 存储不同故障出现的原因, 依托建立的故障数据库, 实现了对学员进行高质量的故障应急处理培训。项目成果显著提高了车辆检修人员培训效率与质量, 保障了城轨车辆运营安全,降低了车辆检修人员培训成本。

(三) 适用范围

本项目成果适用于地铁车辆检修人员培训等领域。通过开展基于虚拟现实技术的地铁车辆检修技术与应用研究。在基于混合现实的车辆检修培训课堂、 基于移动终端的城轨车辆培训方案设计等多方面实现了全方位的创新, 为学员提供虚实结合的逼真视觉感受, 实现轨道交通车辆检修业务的泛在式培训, 提高了学习的便捷性。

项目创新点

(1) 基于混合现实的车辆检修培训课堂。项目研究了 VR 检修培训课程资源云平台搭建, 其SaaS 层采用了基于 Web 的 VR 资源管理平台, 实现了不同角色的系统操作权限管理。研究基于zSpace 硬件平台的 3D 展示技术, 通过场景建模、图形处理、 虚拟交互设计、 系统优化调试, 结合三维虚拟显示展示平台, 实现对部件结构功能的全面学习指导。研究沉浸式人机交互技术, 通过3dsMAX 三维建模软件建模并将模型到 Unity 引擎中搭建真实性高的虚拟场景, 通过头盔式显示器、手柄和自然语言等方式与环境进行实时交互, 实现了一种身临其境的沉浸感受。

(2) 基于移动终端的城轨车辆培训方案设计。通过移动终端拍摄视频, 采用 Sift 特征匹配算法、ORB 算法等图像特征匹配算法对比数据库中的图像与移动终端拍摄的图像, 将匹配到的视频图像和相应的三维虚拟图像进行叠加处理, 为学员提供虚实结合的逼真视觉感受, 实现轨道交通车辆检修业务的泛在式培训, 提高了学习的便捷性。

(3) 故障导向的城轨车辆检修培训方案。研究城轨车辆故障体系, 实现在数据库中对故障的分类分级存储, 并建立故障树, 存储不同故障出现的原因。依托建立的故障数据库, 实现了对学员进行高质量的故障应急处理培训

同类项目比较

同类项目比较详见表 1。

应用案例

根据本项目研究成果, 南昌轨道交通集团建立了车辆检修 AR/ VR 实训中心, 该中心充分利用多媒体、 传感器、 人机交互、 人工智能等技术以及轨道内网条件, 通过系统化、 直观化的理论讲解, 规范化、 标准化的作业过程演示, 沉浸式、交互型的实操演练, 随机性、 远程化的自测考评,提高车辆段检修工作者的技术能力和作业水平,实现车辆检修标准化和检修质量高标准统一化,提高培训效率, 保障行车安全。

社会效益与经济效益

本项目针对传统城轨车辆检修培训效率低、效果差、 成本高的问题, 研究开发了一套虚拟培训系统。采用高细粒度建模方法, 高仿真地还原了车辆检修场景, 有效提高车辆检修人员的培训效率和技能水平, 为城轨车辆运营安全提供了有效保障, 保障了人员和财产安全, 社会效益十分明显。项目成果应用到南昌轨道交通集团有限公司、 上海军谷实业有限公司等单位员工培训中,员工培训费用节支总额达 4440 万元且在持续扩大,经济效益显著。