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VR基础上铁路军用桥梁架设模拟训练系统设计研究
摘要：铁路军用桥梁是国家重要的交通战备物资,但在平时拼组架设训练中存在诸多现实困难和安全隐患。针对这一问题,在分析系统所需关键技术的基础上,设计了铁路军用桥梁架设训练模拟仿真系统的技术方案、技术架构和系统功能,为铁路军用桥梁架设训练提供了一种安全经济、实用可靠的方案。
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铁路军用梁是为解决桥梁保障问题而设计的临时性铁路桥梁,在平时和战时的国家交通建设中发挥着重要作用。然而铁路军用梁构件质量大,架设训练搬运困难,致使人工架设训练时组训难度大,所需经费成本高,效果难以预期;使用吊车和龙门架进行拼组时,由于需要工程机械设备的协助,在操作过程中也存在诸多安全隐患。目前已研制出的军用桥梁模拟训练系统,其原理是利用图片、3D模型对军用桥梁进行介绍和演示,其系统功能简单,训练形式单一,难以满足复杂条件下的实战化训练要求。近年来,随着虚拟现实技术的快速发展,它在军事、教育、医疗、工业制造、航天训练等领域都有着广泛的应用[1]。利用虚拟现实技术,可以很好的解决目前架设训练中存在的问题,为其拼组架设训练提供技术辅助手段。在此背景下,本文基于VR技术进行铁路军用桥梁架设模拟训练系统设计,以破解传统实践难题,为受训者提供逼真、安全的训练环境和可重复、低成本的训练手段,提高受训者实践运用和动手操作能力。
1、VR技术介绍
虚拟现实(VirtualReality)技术,即VR技术,是一项综合了计算机仿真、图形学、图像处理、人机交互、传感与识别等多项技术的总称。通过虚拟现实,可以提供给用户真实自然的体验,包括听觉、视觉、触觉甚至嗅觉上的刺激。虚拟现实创建沉浸感(immersion)和交互性(interaction)[2],沉浸感是指虚拟现实技术利用先进的视觉表现技术、力(触)觉表现技术、嗅(味)觉表现技术,为用户构建逼真的数字化环境,可以使人介于真实与虚拟世界中,产生近似真实的感知,完全沉浸在虚拟现实产生的世界中[3]。交互性是指用户和虚拟现实系统之间的交互作用,VR强调人与虚拟环境之间的感知传递。VR技术通过捕捉人的手势、姿势、身体位置和转向角度等,用户可以对系统中的模型、场景等进行操作,用户体验远远超过传统的简单的人机交互方式[4]。用户与虚拟现实系统之间的交互过程如图1所示。
图1用户与虚拟现实系统的交互过程
模型建立是虚拟现实系统的基础,初步在计算机内部建立和现实世界对应的虚拟世界。硬件上基于激光干涉原理,采用三维成像扫描仪对物体进行扫描。通过接触式扫描或非接触式主动扫描的方式,创建物体表面的点云和材质贴图,转换成计算机可以读取识别的3D数据格式保存,操作方便快捷。软件上一般采取AutoCAD、3DSMAX等软件进行建模。无论采用何种方式,建立基础信息和模型库是一项基础的需要长期进行的工作。
仿真引擎是虚拟现实系统的核心,为实现三维场景图形的创建、结构管理和绘制提供系列接口。采用主流游戏引擎套件Unity3D进行开发,Unity3D功能丰富操作简单,兼容性好且易于移植,有着较高的市场占有率。3DSMAX制作的模型文件,以.fbx格式可以直接导入Unity3D进行编辑修改和渲染。
2、系统总体设计
2.1 设计原则
综合考虑该系统的使用对象、使用场景、使用目的,同时考虑现有系统的不足,将VR技术作为系统关键技术,突出“安全、实用、高效”的原则进行设计。系统采用C/S三层架构,C/S采取表示层、业务逻辑层和数据存储层的架构,具有良好的开放性,易于扩展和升级,克服了传统两层架构的不宜扩展、安装费时费力、网络通讯压力大的缺点,并且安全性也远远大于两层结构的设计。采取面向用户的设计理念,具有友好的用户交互界面和人机交互方式,虚拟现实设备交互渠道比传统方式多,且内部界面与传统界面交互方式不同。比如,传统交互采取鼠标点击的方式,虚拟现实设备通过获取眼部动作进行点击或移动,因此需要增加提示性信息和引导说明,易于用户进行操作和使用。
2.2 设计方案
训练人员使用头盔式显示器和力反馈数据手套,在系统搭建的虚拟场景中,协力拼组架设。受训人员可自行选择人工、吊杆或吊车拼组的方式,拼组过程中系统将自动校验人或吊机的最大承受力和其所分配的构件的重量的大小,若所分配重量超过所设定的人或吊机的最大承受能力,则出现告警提示。受训人员根据架设步骤和人员分工,移动拼组、穿打钢销、对位架设。架设完成后,系统自动对所架设桥梁进行“中-活载”条件下的强度仿真校验,对整个过程给出综合评估打分结果。
2.3 技术架构
系统自下而上分为设施设备层、基础数据层、中间支撑层、用户应用层4层结构,如图2所示。
设施设备层由模拟训练中用到的硬件设备组成,包括服务器、计算机、网络交换机、高性能图形工作站、数据手套、3D头盔式显示器、定位定向基站,为系统提供硬件支撑保障。
基础数据层由多个数据库组成,包括桥梁构件尺寸重量材质等基本信息数据库、模型数据库、训练场景数据库、训练评估数据库、用户信息数据库等。各数据库之间数据独立,采用必要的主外键关联,为系统提供基础数据支撑。
图2铁路军用桥梁架设训练模拟仿真系统结构体系
中间支撑层基于虚拟军事仿真平台构建,主要分为数据通讯模块、三维仿真模块、场景渲染模块、训练评估模块4个模块,在提供数据通讯和交换保障的基础上,为整个系统提供基础服务,是整个系统的底层支撑。
为用户提供交互界面,将用户的输入信号传递给下层,将结果反馈给用户。
2.4 功能设计
系统主要设计以下6项功能:
(1)模拟训练。主要为受训人员提供“操作世界”,人员录入本次操作个人信息,在开始训练前的准备阶段,可以对力反馈手套的灵敏度和头盔式显示器分辨率、饱和度等进行个人偏好设置。
(2)场景管理。设置“训练场地”中的水文、气象、地形等周围环境和训练背景,提供数种典型场景模板,也可以由管理员进行编辑和修改。
(3)模型管理。管理数据库中的构件和其他零部件的模型,包括表面贴图、材质、尺寸、重量等信息的修改和更正,需要管理员操作权限。
(4)导调控制。由教员进行控置,人为或系统随机设置情况进行导调。
(5)训练评估。根据系统的校验规则和指标权重,主要为本次受训进行打分评估,采取定性与定量相结合的方式进行评判,提供记录成绩和打印成绩单功能。
(6)用户管理。主要提供用户信息查询、修改、增加、删除功能,可以为不同类别的用户设置不同的操作权限。
3、结束语
虽然全面应用虚拟现实技术训练的局面目前还没有形成,但是我们依然可以感受到虚拟现实技术的巨大潜力和广阔前景,本文为军用铁路桥梁拼组架设训练提出了技术方案,可以解决训练中的问题短板、提升组训的水平和质量,为提升军用铁路桥梁的保障能力奠定基础。
参考文献：
[1]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学(F辑:信息科学),2009(01):4-48.
[2]陈浩磊,邹湘军,陈燕.虚拟现实最新发展技术展望[J].中国科技论文在线,2011,6(01):1-4.
[3]郑娟娟.基于虚拟现实的某自行火炮模拟训练系统设计[D].南京:南京邮电大学,2018.
[4]徐建喜.铁路事故救援模拟虚拟现实系统研究与设计[D].成都:西南交通大学,2018.
戴培基,李海华,刘国清,杨庆洋,程轶非.基于VR的铁路军用桥梁架设模拟训练系统设计[J].国防交通工程与技术,2020,18(04):10-12.
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作战概念(OperatingConcept,OpCon)是对未来战争的设计,是以体系工程牵引军队长期建设的重要模式,需要有严格、严谨且科学的方法支撑。建模仿真作为先进的军事研究手段,在新型作战概念的提出、开发、验证、评估、更新等阶段都具有不可替代的作用。例如,从2014年开始,美国海军在兵棋推演中发现并提出了“分布式杀伤”概念,并不断通过兵棋、仿真实验对这一概念进行验证、完善。
2020-12-11
在应急救援中，正确选择和应用破障技术及装备至关重要。文章结合武警部队破障救援任务的特点和目的，对目前武警部队采用的破障技术及装备的适用性进行归纳、分析，并结合救援任务实际，提出破障技术及设备的应用要求，为部队高效完成破障救援任务提供有力保障。
2020-11-02
因受到飞行环境、头戴装备[1]和长期久坐等不利因素的影响，军事飞行人员颈腰伤病发生率远高于普通人群[2,3]，高性能战斗机飞行员的发生率又高于其他机型的飞行人员[4,5]。开展颈腰伤病防治专项体能训练是增强飞行人员颈腰活动能力、提升脊柱稳定性、预防颈腰伤病发生的有效措施[6,7,8]，颈腰伤康复期适当进行专项体能训练有利于促进康复[9]。
2020-08-22
随着模拟仿真和计算机技术的蓬勃发展及其在军事领域的广泛利用,运用模拟的方法改变训练的过程和方式,可有效解决实际训练中组织开展难、训练环境缺乏和训练代价较大等难题,能够极大地提高部队实战化军事训练质量和效益。雷达对抗装备模拟训练内容庞杂,影响因素众多且不易度量,评估结果准确与否将影响到部队的训练水平提高和人员训练热情。
2020-08-22
虚拟现实也可以称之为虚拟环境或人工现实,其主要是由计算机产生的一类高级的人机交互系统,其主要是运用三维图形生成技术、高分辨显示技术、多传感交互技术来形成一个逼真的、三维虚拟环境,并利用数据手套、头盔等特殊传感设备或数表、键盘等输入设备来达到实时模拟、交互的效果,从而来对虚拟环境中各类对象进行感知与操作。
2020-08-22
新时代一体化联合作战中，空军使命任务不断拓展，对空军力量建设和运用提出更高的要求，飞行员遂行作战任务，参加军事任务越来越频繁。信息化高技术战争中战场环境恶劣，战斗情境惨烈，战斗过程激烈，极易引起飞行员的心理应激反应，导致其认知、情感、意志等心理活动失常，影响战斗力的发挥。实践证明，72h内进行心理危机干预能有效降低危机事件对飞行员造成的心理损伤，促使飞行员尽早恢复飞行[1]。
2020-08-22
随着信息化战争的不断发展，战场环境复杂多变，普通军事防护设施已远不能防御各种高科技武器装备和精确制导武器，我国国防防护工程面临着新的挑战，也对军事工程设施建设提出了更高的要求。在军事防护设施、军用机场和营房等国防基础设施建设，以及战争发生时的抢修抢建中，需要大量的设计、施工和管理等土木工程专业人才，目前仅仅依靠中国人民解放军的力量已远远不能满足新时代国防建设的需求。
2020-08-22
利用分布交互式仿真技术构建网络化的分队战术模拟训练系统已经成为当前改善分队战术训练条件、提升分队战术训练水平的重要手段，受到了各级各类训练部门的高度重视。在分队模拟训练的组织实施过程中，通常按照训练准备、训练实施和训练评估3个阶段线性推进，导致训练考评结果呈现不及时，难以对受训对象的训练进程、训练操作起到有效的指导作用。
2020-08-22
飞机于第一次世界大战期间开始用于军事目的，当时由于身体健康状况与飞行环境不适导致高达60%的航空飞行相关死亡，进而促进了现代航空医学保障的诞生[1]。随着医学发展、机型改进，航空医学鉴定标准也在不断修订，鉴定机构和机制在不断完善。我军在开展航空医学鉴定时首先依据不同机种对飞行人员身体的要求，区分为歼击机飞行员、多座机飞行员（轰炸机、运输机及直升机）、多座机非驾驶员人员。
2020-08-22
从军事训练实践中总结归纳并转化运用好的训练方法，是促进军事训练水平整体提高的重要方式。传统上，部队发现某种训练方法的优点后，通常是先组织试点，评价其是否具备推广价值，再根据评价结果视情推广。从拓扑层级图及其在相关领域评价应用情况看，其同样适合解决军事训练方法可推广性评价问题。
2020-08-22
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国内刊号：11-4664/E
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创刊时间：2001年
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2020-08-22
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