CN108777090A - 一种沉浸式虚拟现实的列检培训方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种沉浸式虚拟现实的列检培训方法和系统，系统包括主机、定位单元、交互单元、语音单元、Ui单元、统计单元和储存单元，各单元通过主机通信连通。培训方法为：⑴认知模块，帮助学员在短时间内熟悉场景，适应在VR场景内进行操作。⑵教学模块，学员按照标准流程完成列检教学训练操作。⑶练习模块，学员进行自由列检练习，巩固所学知识内容。⑷考核模块，学员根据前3个模块所掌握的知识，进行技能考核。本发明使学员进入虚拟现实的场景进行系统的培训，短时间内训练出合格的列检员工，节省培训成本，提高了培训的系统性、规范性和安全性。

Description

一种沉浸式虚拟现实的列检培训方法和系统

技术领域

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列检培训方法和系统。

背景技术

铁路车辆在运行过程中，零部件会逐渐磨耗、腐蚀和损伤，为使车辆经常处于质量良好状态，确保行车安全并延长车辆使用寿命，必须对铁路车辆进行各种检查和修理工作。列车检查（简称列检）是铁路运行安全重要的环节，是检查列车车辆走行部分的转向架及制动系统是否出现问题与故障，并及时排除。列检是重要的技术工作岗位，员工上岗前要经过严格的技术培训和考试。对列检员工的培训常规方法是师傅带着徒弟现场培训，不足是学习速度慢、出师晚、规范性差，由于师傅之间的技术差异使培训出的员工技术水平参差不齐。

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(Immersive Learning)，是指通过虚拟现实(Virtual Reality，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，被培训者通过高度参与互动、演练而提升技能。

公开号为CN 106781802A的发明专利公开“一种铁路货车检修VR实训系统,采用VR沉浸式虚拟现实仿真技术，构建铁路货车检修实训模块和资源库，实训模块和资源库采取并行的系统架构，既可按照既定的形式划分和组织各实训模块，同时资源库开放，由教师自由调用”。该专利申请利用虚拟技术提供仿真、可视、交互的学习资料，为教师讲解新知识、展示新技术，学生课下自主学习新知识等提供参考资料。但是该专利申请不能实现学员进入沉浸式虚拟现实场景中进行教学、训练和考核，不能完成列检员工上岗前培训任务。

发明内容

本发明的目的是提供一种沉浸式虚拟现实的列检培训方法，以克服现有技术货车列检员工培训必须依赖货车实物的不足，使学员进入虚拟现实的场景进行系统的培训，短时间内训练出合格的列检员工，节省培训成本，提高培训的系统性、规范性和安全性。本发明的另一目的是提供一种沉浸式虚拟现实的列检培训系统。

本发明的技术方案是：沉浸式虚拟现实的列检培训方法，包括：

⑴认知模块，帮助学员在短时间内熟悉场景，适应在VR场景内进行操作，以及认识常规容易出故障和不容易发生故障的零件，学员能拿起零件观看，有文字和语音提示；

⑵教学模块，学员按照标准流程完成列检教学训练操作；

⑶练习模块，以教学模块为依据，学员进行自由列检练习，巩固所学知识内容；

⑷考核模块，学员根据前3个模块所掌握的知识进行技能考核，满分100分，扣分规则与实际铁路货运列车检查所规定的分值一致。

认知模块的操作过程为：

⑴学员带上头盔进入沉浸式虚拟现实场景，认识和熟悉货车零件；

⑵学员手持操作手柄，双脚佩戴跟踪器，通过UI选项选择零件进行，用操作手柄抓取想要观察的零件，当学员拿起零件观察时播放语音提示零件名称，场景内显示板显示零件名称；已选择的零件UI选项标注为红色，为便于更好的观察零件，学员拿起零件在手上观察时，零件手呈现为半透明状；

⑶当货车的底部零件需要检查，通过操作手柄启动升降车体，车体升起或落下，然后进 行步骤操作；

⑷当货车车厢上方的零件需要检查，通过操作手柄将培训人员升高，然后进行步骤(2)操作。

教学模块的操作过程为：

⑴学员通过用手触碰开始按钮并扣操作手柄扳机开始教学模块的操作，按语音提示去向队长报告；根据队长提示拿工具设备穿戴防护，穿戴完毕后再次向队长报告，播放语音提示开始教学模块学习；

⑵学员把红旗插到指定的位置后进行列检操作，场景内每一位置的任务都有光圈进行提示；学员在沉浸式虚拟现实场景中进行规定步数的一位端和二位端的常规检查，进行每一步学员左脚或右脚踩到指定标记点，检查要求检查的零件，一步步往下走完教学流程；本申请规定的步数为一位端25步和二位端25步；

⑶列检过程中按场景内规定迈左脚或右脚，检查每一个零件的时语音播放该零件，UI单元显示零件名称，关键的零件会详述该零件属性；检查一位端第五步和二位端第五步时，对车体是否倾斜外涨、侧梁是否下垂进行检查；

⑷学员在一位端和二位端第25步时进行三态检查，做完零件检查后回到起始位置，放下设备防护服向队长报告，完成教学任务。

练习模块的操作过程为：

⑴学员去沉浸式虚拟现实场景中旁边的桌子上拿起锤子，直接去踩相应的左右脚标识点进行零件检查；

⑵零件检查的方式分两种，一种是用锤头敲击，一种是用锤子木柄指认，敲击后黄色高亮提示当前检查零件，指认的零件绿色高亮提示；两种检查手柄上方都有UI提示零件名称；

⑶练习不提示去敲击和指认零件，不检查也会继续向下进行；

⑷进行三态检查和对车体是否倾斜外涨、侧梁是否下垂进行检查；三态检查指车钩操作的三种状态，即开锁位状态、闭锁位状态及全开位状态；

⑸学员点击场景中车辆后方的UI面板的完成按钮来看本次练习的结果，应检查而没检查的零件会在货车相应的部位红色高亮显示。

考核模块的操作过程为：

⑴通过菜单键调出UI面板进行选题，进入考试状态；

⑵零件为敲击和指认，检查到被检零件时场景中有判断面板，学员通过点击上键或者下键来判断零件是否存在故障，同时通过口述的方式报告故障零件，通过头盔上的音频接口进行传输识别，与提前准备好的故障零件音频进行比对；

⑶考核项目分为作业时间、流程内检查、工作质量和工作安全，每个项目单独的计分，不同项目的出错扣除相应的分数，剩余的分数总和即为考核成绩；每种分数扣分详情在最后的UI统计面板都有详细记录，如某个零件漏检、某个故障没找出来和忘记判断车辆是否倾斜；

⑷考核数据储存在存储单元。

本发明沉浸式虚拟现实的列检培训系统，包括主机、定位单元、交互单元、语音单元、Ui单元、统计单元和储存单元，定位单元、交互单元、语音单元、Ui单元、统计单元和储存单元通过主机通信连通。

交互单元设有头盔、操作手柄和跟踪器，跟踪器系在联系人员的脚部。头盔、操作手柄和跟踪器与主机通信连接，为行车手信号实训考评系统提供实操需要追踪的外部条件，

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，与此同时相应的脚部跟踪器追踪，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。本发明借助定位器、头戴显示器、vive操控手柄和vive追踪器形成的沉浸式虚拟现实场景，对铁路列检人员进行培训。

本发明沉浸式虚拟现实的列检培训方法和系统，基于计算机和沉浸式虚拟仿真软件建立沉浸式交互虚拟场景，使学员进入虚拟现实的场景中进行系统的培训，短时间内训练出合格的铁路列检员工，有利于节省培训成本，提高培训的系统性、规范性和安全性。本发明克服了现有技术铁路货车列检员工培训必须依赖货车实物的不足，最大程度上还原现场训练实际场景，使学员能够不同的阶段接触不同的内容，循序渐进地进行培训。

附图说明

图1为本发明沉浸式虚拟现实的列检培训系统的示意图；

图2本发明沉浸式虚拟现实列检培训方法的框图；

图3为认知模块的流程示意图；

图4为教学模块的流程示意图；

图5为练习模块的流程示意图

图6为考核模块的流程示意图。

其中：1—定位单元、2—交互单元、3语音单元、4—Ui单元、5—统计单元、6—储存单元。

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列检培训系统以C70货车列检为例，1>首先使用3D Max建模型；2>使用制作好的模型搭建虚拟现实的场景和货车，虚拟现实场景与现实作业场景一比一的关系，通合并mesh的方式减少场景面数，提高系统流畅度；3>建立四个沉浸式虚拟现实场景的模块。如图1所示，沉浸式虚拟现实的列检培训系统包括主机、定位单元1、交互单元2、语音单元3、Ui单元4、统计单元5和储存单元6。定位单元1、交互单元2、语音单元3、Ui单元4、统计单元5和储存单元6通过主机通信连通。定位单元包括两个或多个定位器串联安置在培训场所（或教室），与主机通信连通形成局部无线网络。交互单元包括头盔、操作手柄和跟踪器，跟踪器系在被培训人员的脚部。头盔、操作手柄和跟踪器在局部网络空间与主机通信连通，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。

本发明沉浸式虚拟现实的列检培训方法如图2所示，包括：

⑴认知模块，帮助学员在短时间内熟悉场景，适应在VR场景内进行操作，以及认识常规容易出故障和不容易发生故障的零件，学员能拿起零件观看，有文字和语音提示；

⑵教学模块，学员按照标准流程完成列检教学训练操作；

⑶练习模块，以教学模块为依据，学员进行自由列检练习，巩固所学知识内容；

⑷考核模块，学员根据前3个模块所掌握的知识，进行技能考核，满分100分，扣分规则与实际铁路货运列车检查所规定的分值一致。

认知模块：目的是让学员熟悉场景和认识部分货车零件，多角度的观察货车的各个部分，学员除了在场景内前后左右自由移动外，增加了水平方位的纵向升高功能，灵活多样进行了解货车设备。学员仔细想要观察零件时，可以选择抓取对零件进行观察操作，此时所选零件UI选项标注为红色，提示学员已经观察过该零件。当学员拿起零件在手上时，手为半透明状以便与更好的观察零件。当学员拿起零件观察时播放语音提示零件名称，同时在手的上方出现一个面板显示零件名称。如图3所示，认知模块的操作过程为：

⑴学员带上头盔进入沉浸式虚拟现实场景，认识和熟悉货车零件；

⑵学员手持操作手柄，双脚佩戴跟踪器，通过UI选项选择零件进行，用操作手柄抓取想要观察的零件，当学员拿起零件观察时播放语音提示零件名称，场景内显示板显示零件名称；

⑶当货车的底部零件需要检查，通过操作手柄启动升降车体，然后进行步骤⑵操作；

⑷当货车车厢上方的零件需要检查，通过操作手柄将培训人员升高，然后进行步骤⑵操作。

教学模块：教学模块为规范化作业流程的具体要求，教学模块是练习模块和考核模块的基础。教学模块中学员在沉浸式虚拟场景中进行一位端25步和二位端25步的常规检查，整个流程作为一个主线任务，每步当中去检查的零件为支线任务，一步步往下进行走完教学模块的整个流程。场景内显示应迈入的脚印，学员按照列检规范迈左脚或右脚。迈错则无法往下进行，正确则可以检查该步内的所有零件。检查每一个零件的时候都会播放该零件语音，手部UI显示零件名称，比较关键的零件会详述该零件属性。如图4所示，教学模块的操作过程为：

⑴学员通过用手触碰开始按钮并扣操作手柄扳机开始教学模块的操作，根据语音提示去向队长报告；根据队长提示拿工具设备穿戴防护，穿戴完毕后再次向队长报告，播放语音指示开始教学模块学习；

⑵学员需要把红旗插到指定的位置后进行列检操作，每一次任务位置在改变场景内的变换都有光圈进行提示；学员在沉浸式虚拟现实场景中进行一位端25步和二位端25步常规检查，进行每一步之前学员左脚或右脚踩到指定标记点，检查要求检查的零件，一步步往下走完教学流程；

⑶列检过程中按场景内规定迈左脚或右脚，检查每一个零件时播放该零件语音， UI单元显示零件名称，关键的零件会详述该零件属性；一位端第五步和二位端第五步时，对车体是否倾斜外涨、侧梁是否下垂进行检查；

⑷学员在一位端和二位端第25步时进行三态检查，做完零件检查后回到起始位置，放下设备防护服向队长报告，完成教学模块。

练习模块：学员去沉浸式虚拟场景中旁边的桌子上拿起锤子，踩相应的左右脚标识点进行零件的检查。零件检查的方式分两种，一种是用锤头敲击，一种是用锤子木柄指认，练习不提示去敲击和指认哪个零件，不检查也可以继续向下进行。敲击零件后黄色高亮提示当前检查的零件，指认零件被指认后绿色高亮提示。两种检查时手柄上方都有UI提示零件名称。三态检查和车辆是否倾斜外涨检查与教学模块相同。完成练习后，点击车辆的后方的UI面板，看本次练习的结果，应该检查而没检查的零件会红色高亮显示。如图5所示，练习模块的操作过程为：

⑴学员去沉浸式虚拟现实场景中旁边的桌子上拿起锤子，直接去踩相应的左右脚标识点进行零件检查；

⑵零件检查的方式分两种，一种是用锤头敲击，一种是用锤子木柄指认，敲击后黄色高亮提示当前检查零件，指认的零件绿色高亮提示；两种被检查时手柄上方都会有UI提示零件名称；

⑶练习不提示去敲击和指认零件，不检查也会继续向下进行；

⑷进行三态检查和对车体是否倾斜外涨、侧梁是否下垂进行检查；三态检查指车钩操作的三种状态，即开锁位状态、闭锁位状态及全开位状态；

⑸学员点击场景中车辆后方的UI面板的完成按钮来看本次练习的结果，应检查而没检查的零件会在货车相应的部位红色高亮显示。

考核模块：学员通过菜单键调出UI面板选完题后进入考试状态。检查零件同样分为敲击和指认两种，检查到的时候增加一个判断面板，通过点击上键或者下键来判断零件是否良好。按照25步考核列检要求，总分一共100分数，分为四种类型的分数。分别为：作业时间、流程内检查、工作质量、工作安全，每种分数都有单独的计算标准。不同的错误扣除相应分数，最后剩余的分数总和即为考核成绩。每种分数扣分详情在最后的UI统计面板都有详细记录，比如：零件漏检、某个故障没找出来、判断车辆是否倾斜忘记等。考核数据储存在存储单元。如图6所示，考核模块的操作过程为：

⑴通过菜单键调出UI面板进行选题，进入考试状态；

⑵零件为敲击和指认，检查到被检零件时场景中有判断面板，学员通过点击上键或者下键来判断零件是否存在故障，同时通过口述的方式报告故障零件，通过头盔上的音频接口进行传输识别，与提前准备好的故障零件音频进行比对；

⑶考核项目分为作业时间、流程内检查、工作质量和工作安全，每个项目单独的计分，不同项目的出错扣除相应的分数，剩余的分数总和即为考核成绩；每种分数扣分详情在最后的UI统计面板都有详细记录，比如某个零件漏检、某个故障没找出来、判断车辆是否倾斜忘记做等等；⑷考核数据储存在存储单元。

Claims (7)

1.一种沉浸式虚拟现实的列检培训方法，其特征是：所述方法包括：

⑴认知模块，帮助学员在短时间内熟悉场景，适应在VR场景内进行操作，以及认识常规容易出故障和不容易发生故障的零件，学员能拿起零件观看，有文字和语音提示；

⑵教学模块，学员按照标准流程完成列检教学训练操作；

⑶练习模块，以教学模块为依据，学员进行自由列检练习，巩固所学知识内容；

⑷考核模块，学员根据前3个模块所掌握的知识，进行技能考核，满分100分，扣分规则与实际铁路货运列车检查所规定的分值一致。

2.根据权利要求1所述沉浸式虚拟现实的列检培训方法，其特征是：所述认知模块的操作过程为：

⑴学员带上头盔进入沉浸式虚拟现实场景，认识和熟悉货车零件；

⑵学员手持操作手柄，双脚佩戴跟踪器，通过UI选项选择零件进行，用操作手柄抓取想要观察的零件，当学员拿起零件观察时播放语音提示零件名称，场景内显示板显示零件名称；

⑶当货车的底部零件需要检查，通过操作手柄启动升降车体，然后进行步骤 ⑵操作；

⑷当货车车厢上方的零件需要检查，通过操作手柄将培训人员升高，然后进行步骤⑵操作。

3.根据权利要求1所述沉浸式虚拟现实的列检培训方法，其特征是：所述教学模块的操作过程为：

⑴学员通过用手触碰开始按钮并扣操作手柄扳机开始教学模块的操作，按语音提示去向队长报告；根据队长提示拿工具、设备、穿戴防护，穿戴完毕后再次向队长报告，播放语音指示开始教学模块学习；

⑵学员需要把红旗插到指定的位置后进行列检操作；学员在沉浸式虚拟现实场景中进行规定步数的一位端和二位端常规检查，进行每一步之前，学员左脚或右脚踩到指定标记点，检查要求检查的零件，一步步往下走完教学流程；

⑶列检过程中按场景内规定迈左脚或右脚，检查每一个零件时播放该零件语音， UI单元显示零件名称，关键的零件会详述该零件属性；检查一位端第五步和二位端第五步时，对车体是否倾斜外涨、侧梁是否下垂进行检查；

⑷学员在一位端和二位端第25步时进行三态检查，做完零件检查后回到起始位置，放下设备防护服向队长报告，完成教学模块。

4.根据权利要求1所述沉浸式虚拟现实的列检培训方法，其特征是：所述练习模块的操作过程为：

⑴学员从沉浸式虚拟现实场景中旁边的桌子上拿起锤子，直接去踩相应的左、右脚标识点进行零件检查；

⑵零件检查的方式分两种，一种是用锤头敲击，一种是用锤子木柄指认，敲击后黄色高亮提示当前检查零件，指认的零件绿色高亮提示；两种被检查时手柄上方都有UI提示零件名称；

⑶练习不提示去敲击和指认零件，不检查也会继续向下进行；

⑷进行三态检查和对车体是否倾斜外涨、侧梁是否下垂进行检查；

⑸学员点击场景中车辆后方的UI面板的完成按钮来看本次练习的结果，应检查而没检查的零件会在货车相应的部位红色高亮显示。

5.根据权利要求1所述沉浸式虚拟现实的列检培训方法，其特征是：所述考核模块的操作过程为：

⑴通过菜单键调出UI面板进行选题，进入考试状态；

⑵零件为敲击和指认，检查到被检零件时场景中有判断面板，学员通过点击上键或下键来判断零件是否存在故障，同时通过口述的方式报告故障零件，通过头盔上的音频接口进行传输识别，与提前准备好的故障零件音频进行比对；

⑶考核项目分为作业时间、流程内检查、工作质量和工作安全，每个项目单独的计分，不同项目的出错扣除相应的分数，剩余的分数总和即为考核成绩；每种分数扣分详情在最后的UI统计面板都有详细记录；

⑷考核数据储存在存储单元。

6.根据权利要求1所述沉浸式虚拟现实的列检培训方法的培训系统，其特征是：所述系统包括主机、定位单元（1）、交互单元（2）、语音单元（3）、Ui单元（4）、统计单元（5）和储存单元（6），所述定位单元（1）、交互单元（2）、语音单元（3）、Ui单元（4）、统计单元（5）和储存单元（6）通过主机通信连通。

7.根据权利要求6所述的沉浸式虚拟现实的列检培训系统，其特征是：所述交互单元设有头盔、操作手柄和跟踪器，所述跟踪器系在练习人员的脚部。