基于虚拟现实的铁路人身安全数字化实训考核系统的制作方法

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1.本发明涉及铁路人身安全技术领域，尤其是涉及基于虚拟现实的铁路人身安全数字化实训考核系统。

背景技术：

2.铁路运输在国民经济中有着举足轻重的地位和作用，随着铁路运输生产的发展，铁路运量不断增加，速度越来越快，技术更加先进，安全与生产效率的矛盾也越来越突出，对运输生产端的安全管理及考核带来了严峻挑战。
3.现有铁路人身安全考核方式，通常为仿真教学加笔试模式。仿真教学中，学员直接在仿真模型上进行操作，由考核员或机电系统对学员操作进行判定。该种考核方式存在如下弊端：1)操作完成后，模型缺少操作反馈，学员无法直观判断是否操作正确，沉浸感较差，不利于学员了解自身学习情况；2)仿真模型购置成本高、占用场地大、培训车型单一，无法同时满足铁路车务、机务、工务、电务、车辆等五大段系统需求；3)现场考核中易受外界环境影响，考核效率低，且存在安全隐患。
4.随着科学技术的不断进步，虚拟现实技术逐渐应用于各行各业。虚拟现实技术可以提供接近真实的虚拟环境，使体验者深入其中。现有技术下，虚拟现实技术应用于铁路人身安全考核的项目较少，成熟度较低，而且考核内容比较固定，存在考核效果较差的问题。

技术实现要素：

5.本发明的目的是将虚拟现实技术与游戏化教育融合，并应用于铁路人身安全考核系统，同时将考核内容进行随机化载入场景中，用以解决现有铁路人身安全考核系统效率低、缺乏沉浸感、考核效果差的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案，
7.基于虚拟现实的铁路人身安全数字化实训考核系统，分为实操子系统和数据管理子系统，二者之间设置数据通信接口；实操子系统搭载于vr设备上，学员通过手柄与vr设备生成的虚拟空间进行交互；
8.实操子系统内置有关卡式3d考核场景，且考核场景对应设置有若干考核项及关卡效果；实操子系统通过通信单元读取学员的历史考核数据并分析，确定考核项的随机生成顺序；实操子系统通过物理系统单元对学员操作进行判定，并结合特效单元生成正向反馈或负向反馈；实操子系统依据熟练度和准确度对学员操作打分，生成考评数据并上传至数据管理子系统；
9.数据管理子系统接收、存储考评数据，并依据权限对考评数据分级显示。
10.优选的，实操子系统通过ai智能对学员历史考核数据进行分析，到学员的薄弱考核项并提高其加载优先级，然后再确定所有考核项的随机生成顺序。
11.优选的，实操子系统分为教学模式和考核模式，教学模式采用标准作业流程载入考核场景及考核项；且实操子系统还针对教学模式设置违章体验单元。
12.优选的，数据管理子系统为基于django框架搭建的web网站，且使用nginx和gunicorn进行部署。
13.优选的，vr设备还通过主机共享虚拟空间画面至外部屏幕。
14.本发明采用上述铁路人身安全数字化实训考核系统，具备如下优势：
15.1)将vr与游戏模式应用于铁路人身安全教学/考核中，打造沉浸式场景，能够让学员真切体验操作内容以及错误操作带来的严重后果，提高训练效果；
16.2)考核过程中，随机载入考核内容，并智能分析学员薄弱项，提高薄弱项载入优先级，能够提高学员的随机应变能力；
17.3)教学/考核不受场地约束，且可根据不同工种给出针对性培训，培训范围可覆盖铁路车务、机务、工务、电务、车辆五大系统。
附图说明
18.图1为本发明实施例考核系统的总体框架图；
19.图2为本发明实施例中数据管理子系统的架构图；
20.图3为本发明实施例中实操子系统的架构图；
21.图4为本发明实施例中考核项的架构图；
22.图5为本发明实施例中考核模式的流程图。
具体实施方式
23.以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
24.如图所示的基于虚拟现实的铁路人身安全数字化实训考核系统，包括实操子系统和数据管理子系统。实操子系统搭载于vr设备上，用于为学员提供身临其境的教学和考核环境。数据管理子系统对学员训练/考核数据进行管理。本考核系统可以为铁路五大系统(车务、机务、工务、电务、车辆)提供服务。
25.实操子系统具体可分为交互单元、流程控制单元、ui单元、动画单元、通讯单元、语音单元、场景关卡、物理系统单元和特效单元。具体地，交互单元主要实现学员与虚拟画面之间的ui交互，以及对学员动作进行拾取。流程控制单元为本系统核心控制部分，用于控制场景关卡加载进度以及数据统计。ui单元在虚拟空间中为学员提供登录界面、考核选择界面、关卡进度面板、提示信息面板、个人信息面板等。动画单元主要管理角动画、ik动画，为动作拾取提供动画支撑，从而使角在虚拟空间中跟踪学员现实动作。通讯单元基于http通信协议完成与数据管理子系统之间的双向数据传输。语音单元下发提示语音及指令语音，以辅助学员理解虚拟画面内容。场景关卡为关卡式设计的3d场景，场景经后处理及灯光效果处理，且每个场景对应设置有若干考核项，场景及其对应考核项依据铁路具体系统进行开发。物理系统单元通过肢解、碰撞、触发等方式对学员操作进行判定。特效单元依据学员操作生成对应的提示特效，包括喷血、光效等。
26.进一步的，实操子系统又可分为教学模式和考核模式。教学模式下，场景资源及考核项按照标准流程载入关卡场景内，并配合语音对考核内容进行讲解。针对教学模式，还推出了违章体验单元，通过感受错误操作后果来加强学员的培训效果。考核模式下，实操子系统通过ai智能分析学员的历史考评数据，到学员的薄弱考核项并提高其加载优先级，然
后随机载入所有考核项内容。
27.此外，vr设备还可通过主机共享虚拟空间画面至外部屏幕，以方便同组人员同步观摩与讲解，同时可留存图像数据供学员回顾。
28.数据管理子系统接收、存储考评数据，并依据权限对考评数据分级显示。具体地，该子系统前端为web形式，提供学员登录界面、用户信息查询界面、以及训练/考核数据显示界面。web前端基于django框架搭建，并部署有nginx+gunicorn服务器。nginx处理静态资源请求，并将动态资源请求转发给gunicorn，从而提升服务器处理效率与处理能力。该系统用于采用三级管理模式，即管理员、领导、学员，并根据身份来控制加载内容，以方便各层级人员了解学员进度。
29.1、以铁路车务系统的考核模式为例，对本系统进行展开讲解。
30.车务系统考核关卡有正常作业场景、桥梁区间场景、高路基窄路肩场景、横越机车车辆场景，前三关卡对应设置考核项——顺着线路行走、上线作业避车，第三关卡对应设置考核项——横越机车车辆。其中，上线作业避车又可划分为人为作业员和防护员两种类型，横越机车车辆又具体包括绕行车列、跨越车沟、从通过台越行、横越平板车、从车门处越行、钻车、横越正线、穿行车辆空档。
31.该系统下学员具体考核过程如下：
32.s1、学员佩带vr头显设备，并穿戴随身传感器，以及握持操作手柄。
33.s2、实操子系统读取学员身份信息，读取方式可采用手工录入、刷卡、人脸识别等多种方式，对此本系统不进行限定。读取过程中，实操子系统可直接对学员身份进行锁定，从而载入对应系统的考核场景及考核项资源。
34.s3、学员通过操作手柄在考核选择界面选择模式以及人员类型。模式包括教学模式和考核模式，本次选择考核模式。
35.s4、学员选择场景关卡，同时考核项随机加载入场景关卡内。随机加载之前，系统会依据学员历史考评数据进行分析，到学员薄弱项并提高其载入优先级，然后确定考核项的加载顺序，以锻炼学员的随机应变能力。
36.s5、学员依靠操作手柄及其上按键进行操作，然后由物理系统单元对学员操作进行判断，并结合特效单元给出相应的正向反馈或负向反馈动画。此过程中，操作子系统依据准确度和熟练度对学员操作进行打分。
37.s6、当学员完成所有考核项后，流程控制单元对考核数据进行汇总、显示，并上传至数据管理子系统。同时，学员可以在ui界面上选择重新开始或结束。
38.s7、学员登录数据管理子系统，查看所有档期考核数据。此外，领导也可登录到数据管理子系统，对其领导下的所有学员记录查询，以了解学员整体进度。
39.2、以铁路车务系统的教学模式为例，对本系统进行阐述。
40.该模式与考核模式不同之处主要在于考核项的加载方式不同。学员在选择相应关卡后，考核项按照设定顺序载入，以循序渐进方式展开教学。同时，语音单元提示学员完成指定动作。教学过程中，学员依托手柄对各配件/部位/界面进行确认、观看，同时虚拟空间自动载入对应的的讲解界面。当学员遇到问题后，还可通过语音单元获取场外指导。为进一步提高学员的安全意识，学员还可通过违章单元直接体验错误操作后果。
41.以上是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不应局限于此。任何熟悉本
领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此本发明的保护范围应以权利要求书所限定的保护范围为准。

技术特征：

1.基于虚拟现实的铁路人身安全数字化实训考核系统，其特征在于，分为实操子系统和数据管理子系统，二者之间设置数据通信接口；实操子系统搭载于vr设备上，学员通过手柄与vr设备生成的虚拟空间进行交互；实操子系统内置有关卡式3d考核场景，且考核场景对应设置有若干考核项及关卡效果；实操子系统通过通信单元读取学员的历史考核数据并分析，确定考核项的随机生成顺序；实操子系统通过物理系统单元对学员操作进行判定，并结合特效单元生成正向反馈或负向反馈；实操子系统依据熟练度和准确度对学员操作打分，生成考评数据并上传至数据管理子系统；数据管理子系统接收、存储考评数据，并依据权限对考评数据分级显示。2.根据权利要求1所述的铁路人身安全数字化实训考核系统，其特征在于，实操子系统通过ai智能对学员历史考核数据进行分析，到学员的薄弱考核项并提高其加载优先级，然后再确定所有考核项的随机生成顺序。3.根据权利要求1所述的铁路人身安全数字化实训考核系统，其特征在于，实操子系统分为教学模式和考核模式，教学模式采用标准作业流程载入考核场景及考核项；且实操子系统还针对教学模式设置违章体验单元。4.根据权利要求1所述的铁路人身安全数字化实训考核系统，其特征在于，数据管理子系统为基于django框架搭建的web网站，且部署有nginx和gunicorn服务器。5.根据权利要求1所述的铁路人身安全数字化实训考核系统，其特征在于，vr设备还通过主机共享虚拟空间画面至外部屏幕。

技术总结

本发明公开了基于虚拟现实的铁路人身安全数字化实训考核系统，分为实操子系统和数据管理子系统，二者之间设置数据通信接口；实操子系统搭载于VR设备上，学员通过手柄与VR设备生成的虚拟空间进行交互；实操子系统通过关卡式3D场景对学员进行考核，每个场景随机载入若干考核项；实操子系统通过物理系统单元对学员操作进行判定，并结合特效单元生成正向反馈或负向反馈；数据管理子系统接收、存储考评数据，并依据权限对考评数据分级显示。本发明采用上述考核系统，将VR与游戏化考评方式引入铁路人身安全考核，提高了学员的安全意识、随机应变能力，以及考核效率。以及考核效率。以及考核效率。