国家级创新项目-基于VR技术的高铁驾驶舱环境体验与操.docx

大学生创新训练项目申请书

项目编号
项目名称 基于VR技术的高铁驾驶舱环境体验与操
作训练系统设计
项目负责人 联系电话
所在学院
学 号 专业班级
指导教师
E-mail

一、 基本情况
项目
名称
基于VR技术的高铁驾驶舱环境体验与操作训练系统设计
所属
学科
学科一级门：
艺术学
学科二级类：
设计学
申请
金额
10000 元
起止年月
\
负责人
姓名

性别

民族

出生年月
年 月
学号

联系
电话
手机:
指导
教师

联系
电话
手机:
负责人曾经参与科研的情况

指导教师承担科研课题情况

指导教师对本项目的支持情况

项
目
组
主
要
成
员
姓 名
学号
专业班级
所在学院
项目中的分工

用户体验设计

虚拟系统框架设计

虚拟系统界面设计

产品建模与动画
立项依据（可加页）
一、项目简介
高速铁路作为交通领域的新兴产物，近年来在我国发展迅速，并成为中国走向世界的新名片。高效、便捷、舒适的乘车环境使高铁成为大众出行首选。同时，由于高铁高速度、高密度、大运量的特点，一旦受到环境、设备以及人为等因素影响发生突发事件，将造成不可挽回的巨大损失。因此，如何提高高速铁路的应急能力成为行业关注的重点问题。
本项目拟以虚拟仿真技术为基础，以中车高铁驾驶舱环境及操作设备为对象，借助虚拟现实、增强现实、信息可视化等技术构建高速列车三维可视化展示平台，并在该平台上实现驾驶舱室内环境虚拟体验、紧急突发情况下的操作训练等功能。
二、研究目的
随着高铁建设的不断加快，相关部门对其设计、建设及运营管理也有了更高的要求。高铁驾驶舱是虚拟仿真的高铁运行环境状态下在驾驶舱内的展示台，也是驾驶员与车载设备进行信息交互的平台和控制台。通过虚拟仿真技术设计制作的高铁驾驶舱沉浸式环境体验与驾驶员的操作训练系统，驾驶员可以针对各类突发事件做出相应的应急操作与训练，以及对列车的相关参数进行设置，实时的得到运行过程中列车的内外部环境以及突发事件下列车相关状态的可视化呈现，从而及时有效的进行操作。
本项目研究意在通过虚拟仿真技术，利用三维建模软件将虚拟的信息投放到真实的环境，可以实现对中车高铁驾驶舱内的可视化设计、信息化管理、方案审查与评估、项目方案招投标、行车安全检测、环境影响评价等方面的应用。
三、研究内容
基于前期调查研究，本课题拟针对以下内容展开具体研究：
1、驾驶舱沉浸式用户体验
运用3D建模和交互技术，实现中车高铁驾驶舱整体环境内设计模型的展示和评审。使驾驶员在模拟驾驶过程中与模型接触，产生真实的触觉与视觉体验。
2、方案可视化与设计评价
运用虚拟仿真技术，模拟中车高铁驾驶舱内部环境，实现设计方案的全方面位展示，借助于沉浸式体验环境，带给驾驶员身临其境的真实感。运用3D建模技术和显示技术，实际列车全方位、多角度、多状态的展示。
3、突发事件下的虚拟仿真训练操作
以虚拟仿真为基础，以中车高铁驾驶舱为仿真对象，由计算机集群系统、立体投影显示系统和虚拟交互系统组成，具备产品虚拟可视化功能、仿真分析数据可视化功能，采用业界尖端的主动立体显示技术与动作捕捉技术，构建了各类突发事件发生时的环境，使驾驶员产生真实的视觉与听觉体验
四、国、内外研究现状和发展动态
1. 国外虚拟仿真技术在交通行业上的应用现状
目前，世界上许多国家已开展了计算机仿真在铁路上应用的研究，并取得了很大进展。如美国和加拿大曾用10年时间来研究列车运行行为的计算机模拟方法，西欧、日本也先后开展了高速铁路客运的计算机仿真研究，并设计了先进的列车运行控制系统，以准确的行为模拟以及精确的控制并确保了高速铁路列车的安全运行。
日本的新干线列车控制系统、德国的ICE系统、法国的TGV系统等，采用自动控制系统使列车的运行质量满足高速、安全、正点、停车准确等比普通线路高得多的要求。同时，国外轨道交通系统在列车操作模拟、列车运行仿真、列车自动驾驶等领域中,列车计算理论都得到了很大的发展,尤其是在列车自动控制领域。
2.国内虚拟仿真技术在交通行业上的应用现状
（1）我国现阶段交通运输行业的发展状况：我国人口与资源分布不平衡、资源分布和工业布局不均衡，地区经济发展不平衡，且能源资源压力巨大，这就造成了我国铁路行业尤其是客运铁路，每年要承担数以亿计的旅客运输，旅行的高峰期更是达到日均数百万人的运输量，使本来就繁忙的铁路运输不堪重负，运输能力不足的矛盾非常突出，铁路旅客运输的现状已经成为制约国民经济快速发展的瓶颈。在这过程中，列车长期处于高负荷工作，难免发生故障，交通安全隐患也频繁发生，这使得设计制造高速列车这一本就历时长且资金繁重的庞大工程，在经历安全事故、人为原因、自然灾害等情况，需要付出的时间及资金仍消耗重大。虽然处在战略机遇中的中国铁路，己经开创了高速发展的大好局面，但是高速列车的设计和制造是一个复杂的系统工程。而如何系统与正确的防御与避免各类突发事件，并将虚拟仿真技术应用在高速列车驾驶教学系统工作在我国尚处于起步阶段。
（2）虚拟仿真技术在国内交通运输行业上的应用现状：随着我国铁路高速化进程的加快，三维仿真展示及三维仿真运行系统在大量引进的同时也迎来了国产化研究的高潮。而随着科技的不断发展，由电气化的高速列车三维运行仿真技术也得到了高速的发展，电力电子的大力发展，以及控制策略的不断完善都为列车三维仿真技术的发展提供了坚实的物质基础和技术保证。由于我国技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展仿真技术的研究计划。
用虚拟仿真技术模拟铁路现场环境和列车驾驶舱的运行状况来研究列车的特性，并作为一种实验手段来完成对各种车载控制设备的测试和评价，通过软件仿真项的驾驶培训与面临各类突发事件的反应训练，驾驶员不仅可以利用列车驾驶模拟器训练操纵技术，更能针对自身业务水平有针对性地反复训练各类故障的应急处理方法，提高运营服务质量。是一种十分经济而又可靠的方法。
（3）虚拟仿真技术在国内交通运输行业上的成功案例：北京朗迪锋公司北京朗迪锋科技有限公司是一家专注于虚拟仿真技术工业应用的高科技企业，公司自创立以来一直致力于虚拟仿真技术在工业应用场景的落地、深化及推广。2004年，朗迪锋公司在虚拟仿真装配交互系统解决方案为高铁列车的设计提供了五大功能保障：沉浸式用户体验、设计方案可视化、设计模型评审、协同设计和可装配性验证。
五、创新点与项目特色
1.项目的创新点
本课题研究可以实现以下几个方面的创新：
（1）设计理念的创新。本课题将虚拟仿真技术与中车中车高铁驾驶舱结合，构建虚拟可视化的高铁运行中因环境、设备、人为因素造成的突发事件，针对各突发事件的不同程度做出专项的应急处理反应。
（2）功能实现方式的创新。本研究的创新在于以虚拟仿真技术为基础，结合中车中车高铁驾驶舱环境、三维建模软件和全息投影技术，构建了沉浸式体验环境与可视化实时路况反馈全息投影，为驾驶员应对突发事件进行专项有效的教学培训。
2.项目特色
（1）突发事件应急管理实验教学虚拟仿真系统的特色
驾驶培训与地方实际相融合。利用虚拟仿真技术，结合全息投影技术，建立一套应急仿真教学系统，搭建具有三维效果的实时路况图。同时可以输入当地实际的铁路轨道数据、特殊路况数据、信号灯配时数据，紧贴铁路轨道和高铁运行实际，具有动态,仿真效果。
（2）交互体验与动态演示相融合。
利用三维建模软件将虚拟的信息投放到真实的环境，可以实现对高速列车可视化设计、信息化管理、方案审查与评估、项目方案招投标、行车安全检测、环境影响评价等方面的应用。
（3）虚拟仿真与实景展示相融合。
利用制作出的模拟中车中车高铁驾驶舱的真实驾驶环境，展现的各类虚拟仿真突发事件随机注入到驾驶环境中，使驾驶员在教学培训过程中身临其境的感受并根据反应装置给出的提示快速的做出相应措施
六、技术路线、拟解决的问题及预期成果
1.项目的技术路线
（1）使用VR技术的专业建模软件，对高铁驾驶舱的外部环境进行场景设计，并使用相关技术对场景进行渲染，增强虚拟环境的真实化，以达到驾驶员在驾驶舱的虚拟环境下进行操作训练时的沉浸式体验和有效地操作训练。
（2）通过全息投影技术将虚拟仿真的各类突发事件所设计制成的的图像（图形、视频和三维动画场景）和声音（声效与特殊音效）投放到驾驶舱操作平台上，将可能发生的各类事故统一整合，使驾驶员在训练过程中采取有效地处理措施。

图1 项目技术路线图
2.项目拟解决的问题
针对的需求及问题：
（1）驾驶舱沉浸式用户体验
（2）方案可视化与设计评价
（3）突发事件下的虚拟仿真训练操作
具体解决方案：
（1）实现突发事件下的真实环境操作模拟
以虚拟仿真为基础，以中车高铁驾驶舱为仿真对象，由计算机集群系统、立体投影显示系统和虚拟交互系统组成，具备产品虚拟可视化功能、仿真分析数据可视化功能，采用业界尖端的主动立体显示技术与动作捕捉技术，构建了各类突发事件发生时的环境，使驾驶员产生真实的视觉与听觉体验。
（2）实现外观造型设计方案沉浸式体验
运用虚拟仿真技术，模拟中车高铁驾驶舱内部环境，实现设计方案的全方面位展示，借助于沉浸式体验环境，带给驾驶员身临其境的真实感。运用3D建模技术和显示技术，实际列车全方位、多角度、多状态的展示。
（3）实现驾驶舱设计模型沉浸式评审
运用3D建模和交互技术，实现中车高铁驾驶舱整体环境内设计模型的展示和评审。使驾驶员在模拟驾驶过程中与模型接触，产生真实的触觉与视觉体验。
（4）实现实时路况可视化传达
通过虚拟仿真技术，结合全息投影技术实时播报路况，在中车中车高铁驾驶舱内，开发与设计出一个能够传达实时路况的可视化立体全息显示器。
3.预期成果
（1）设计一款基于虚拟现实技术高铁驾驶舱数字化交互体验产品，参加相关设计竞赛；
（2）公开发表研究论文1-2篇（3000字以上，校学报或其他省级期刊）；
（3）研究报告 1 份（5000字）。
七、项目研究进度安排
（1）年月-年月， 开始调研虚拟仿真技术及应用在交通工具中的背景资料；
（2）年月-年月，开始构想设计虚拟仿真技术结合全息投影技术应用于中车中车高铁驾驶舱；
（3）年月-月，测试评估安全感应装置与驾驶舱信号警示器；
（4）月-月，准备结题。

八、已有基础
a)与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
1.城轨教学虚拟仿真（该项目为指导老师企业合作课题，已被企业采用）

图2 站台漫游学习图
2.本田汽车虚拟仿真（该项目为指导老师企业合作课题，已被企业采用）

图3 本田汽车虚拟仿真模型颜色展示图
3.盾构机虚拟仿真（该项目为指导老师企业合作课题，已被企业采用）

图4 盾构机内部结构展示图
4.元亨冷却塔虚拟仿真（该项目为指导老师企业合作课题，已被企业采用）

图5 元亨冷却塔虚拟仿真产品原理动画展示图
5.转向系统虚拟仿真（该项目为指导老师企业合作课题，已被企业采用）

图6 转向系统离线模式展示图

6.创维杯全国数字艺术设计大赛铜奖（团队成员获奖项目）

图7 创维杯参赛作品效果展示图
7.物业管理交互系统（该项目为指导老师企业合作课题，已被企业采用）

图8 物业管理交互系统虚拟仿真展示图
8.风光互补低碳概念车（团队成员获奖项目）

图9 风光互补低碳概念车获奖证书及渲染图

b)已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
本设计学院拥有全套Ouclus虚拟现实体验软硬件、四套HTC-vive虚拟现实体验设备及相关软件。
指导老师设计经验的丰富、团队成员专业能力强，具有良好的团队意识。
尚缺少的条件：需要大量相关数据，以及实际生产训练的技术要求。
解决方法：XXX中心已承诺提供相关数据及技术支持。

a) 经费预算
开支科目
预算经费
（元）
主要用途
阶段下达经费计划（元）
前半阶段
后半阶段
预算经费总额
10000

1. 业务费

（1）计算、分析、测试费

（2）能源动力费

（3）会议、差旅费
3000
调研及会议差旅费
3000
0
（4）文献检索费

（5）论文出版费
5000
论文版面费、专利申请费
2000
3000
2. 仪器设备购置费

3. 实验装置试制费

4. 材料费
2000
3D打印耗材、移动硬盘
2000
0
学校批准经费