基于铁路事故救援VR虚拟训练仿真系统研究

摘要：借助先进的虚拟现实技术，打造一套专门针对铁路救援人员的高效、安全且成本节约的训练平台。本研究设计一款应用于铁路事故救援演练的虚拟现实模拟系统。系统依托于虚拟现实交互装置和三维物理模拟引擎，构建铁路事故救援模拟的开发架构。该系统不仅重现事故现场的真实铁路网络，还实现事故的虚拟模拟，并提供直观的虚拟事故场景。

关键词：铁路事故救援；VR；虚拟训练；仿真系统

引言

铁路系统作为国家经济的命脉和关键基础设施，其安全运行至关重要。然而，人员配置不合理、自然条件影响、操作不规范等因素均可能诱发铁路安全次生事故。鉴于此，提升铁路救援队伍的应急处理能力和起重机械操作技能，成为一项迫切需要解决的课题。运用虚拟现实技术的模拟训练因其高安全性、定制化训练以及高度的开放性等特性，在众多应急救援培训领域逐渐崭露头角，成为研究的新焦点。虚拟现实（VR）技术依托于计算机图像学，用户能够通过特定的输入设备构建起逼真的虚拟场景，并借助输出设备在视觉、听觉、触觉乃至嗅觉上体验到这些场景。正是由于VR技术能够提供近似现实的体验以及安全的操作环境，已被广泛用于火灾救援、航海安全、紧急医疗救治以及煤炭行业的培训中。

1.基于铁路事故救援VR虚拟训练仿真系统构建原则

构建的虚拟现实教学平台融合先进的虚拟现实技术与铁路应急救助的核心理论。在运用该平台开展铁路事故应急救助模拟训练时，需遵循以下流程：

（1）系统熟悉化。在专业人士辅导下，用户对平台进行初步接触，学习操作技巧并逐步适应模拟的事故现场。

（2）模拟操作训练。当用户对系统有全面了解并掌握操作要领后，便开始进入实际的事故救援操作训练环节。用户需依据铁路行车事故的救援准则执行吊装恢复工作，在此过程中可能会遭遇与周边环境的交互干扰，用户需有效应对这些问题。此外，在吊装恢复操作中，起重机操作人员需与虚拟环境中的信号指挥人员密切配合，共同完成救援任务。

（3）综合评价环节。在这个环节，专业技术人员将对操作者在系统内的实际操作成效进行监测与评价。技术人员需密切关注操作者执行起重机操作流程的规范性、是否存在安全隐患、是否顺利完成救援及吊装恢复任务，以及信号指挥人员的动作是否标准。对关键环节进行详细记录或视频摄录，确保所收集的影像资料全面且精确，便于后续深入分析。

2.基于铁路事故救援VR虚拟训练仿真系统设计与实现

2.1场景构建

2.1.1三维环境建模

对事故地点的自然地形进行复原，以便为救援工作提供仿真视图，在此基础上整合立体的构筑物和基础设施模型，打造出一个仿真的铁路地理空间。具体而言，这涉及对事故细节的模拟重建，包含山脉、峡谷、道路和建筑的三维塑造，并融入气候元素，比如云层、降水等自然现象。

2.1.2铁路事故现场建模

打造一个按实际比例缩放的事故现场铁路模型，其中包括铁路构造元素如高架桥、曲线、隧道、轨道、信号支柱等基础设施，以及与实物大小一致的救援起重机等铁路救援设备。同时，还包括其他比例模型，例如挖掘机、救援列车、机车车辆、建筑物和救援人员等，均按照实际尺寸制作。

2.1.3场景实时渲染及浏览

在构建出广阔的事故场景地形之后，可以实时且灵活地查看周遭的地理环境和交通情况，为救援策略的制定提供精确的资料。将事故列车的具体位置和状态与三维地形及铁路场景结合，准确地重现事故发生的列车、周边环境和铁路布局等细节，实现对铁路事故场景的完整重建。

2.2虚拟事故仿真

为重现列车事故状况，开展列车撞击的虚拟实验，该实验在多个速度级别下对列车撞击进行模拟。一节列车主要由车体、转向架、车厢缓冲器以及车钩等部分构成。在模拟过程中，对转向架、车体、车厢缓冲器和车钩的复杂性进行简化，仅保留车体部分。通过弹簧将两车体相连。为模拟列车撞击后的整体运动状态，采取一列车以正面撞击另一列车的形式。由于列车与轨道之间存在相对运动，因此使用移动臂方式连接，并设定摩擦系数为0.1。本研究构建地面与高架桥两种虚拟事故场景进行模拟。

2.3人机交互设计

目前，市场上主流的起重机操作训练系统在人与机器的互动上呈现出较高的一致性，用户需首先通过操纵杆、控制装置或键盘等输入设备来驾驭系统，进而对模拟的起重机进行操作练习。这种交互方式存在几个内在的局限性：1）操作设备通常较为精细，需要谨慎操作，对新手来说具有一定的挑战性；2）这些设备往往无法执行一些复杂的动作，比如手势操作；3）部分用户感到这些设备入门难度较大。另外，现有的起重机训练设备普遍缺少一个互动协作的环境。在实际的起重作业中，操作常常需要团队合作完成，司机经常会面临视线受阻的问题，尤其在视野死角中，他们不得不完全依赖地面指挥人员的手势信号来执行任务。针对这些问题，本研究提出一种创新的交互模式，以期克服上述困难。

2.4系统评估

在该环境中，一名操作者负责操控虚拟铁路起重机的运行，而另一名操作者则通过手势动作来指挥系统中的动画角色。本次实验中，仅配置一套HTC Vive设备，并搭载最新的Vive追踪模块。该追踪模块能够通过连接现实中的物品，实现对虚拟场景内物体的位置定位，其作用与HTC Vive手柄相仿。

基于此，本研究将所提出的系统与传统的手柄操作训练系统进行对照实验，记录并对比参与者在执行任务时的完成时长和出错频率。在实验阶段结束后，通过填写问卷的形式搜集用户对于系统的使用体验，进而对这些反馈数据进行汇总分析，以得出最终的实验结果。

结束语

本文深入探讨针对铁路事故救援的模拟虚拟现实系统的开发与应用，旨在为铁路起重机事故救援人员提供专业的培训平台。在该系统中，参与者能够在仿真的三维事故场景中进行铁路事故救援技巧的学习与实践。与传统训练系统不同，本系统采用手势控制替代常规的键盘、操纵杆和手柄输入方式，以手势操作作为与铁路事故救援模拟虚拟现实系统交互的新手段。实验证明，这种基于手势的人机交互方法具有较高的实用性和可行性。系统还能够营造一个高度逼真的虚拟事故现场，为救援人员提供事故细节信息，这既有利于救援工作的开展，也便于对事故成因进行深入分析。鉴于系统目前提供的铁路事故场景较为有限，未来研究应着重于构建更多重大事故场景模型，并对这些模型的有效性进行进一步的验证与评估。

参考文献

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