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[摘 要]随着我国高速铁路的快速发展，动车组拥有量的快速增加，动车组机械师作为动车组的“保姆”，提高其技能水平对保障动车组安全运行至关重要。基于VRML的可视化动车组学习培训管理系统，不仅是一个可以在网络上浏览动车组的三维模型，让用户对动车组设备的位置分布一目了然， 还可以与设备进行交互操作，实现查看部件的属性、部件故障现象、部件故障常用处理方法等功能。
[关键词]可视化；动车组；学习；培训
中图分类号：U269 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）12-0134-02
随着我国高速铁路的快速发展，据统计截止2015年我国配属动车组标准列总共1870组。动车组机械师是为确保动车组设备运行安全而设立的工种，其职责是负责动车组运行检修、乘务及故障处理，由于其的责任重大，因此提升其技能水平是我们的重点工作。目前，动车组机械师资格培训已经有了完善的岗前资格培训流程（铁路总公司-动车段-动车所-班组），每个人在每个阶段完成相应的学习目标即可取得上岗资格，但是取得上岗资格并不意味着就能胜任岗位职责。因此，保证动车組机械师安全知识、理论水平、实作能力的高质量是动车组机械师培训工作的重中之重。
虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，它利用计算机生成一种虚拟环境，是一种多资源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真[2]。VRML（虚拟现实建模语言，Virtual Reality Modeling Language）是一种用于建立真实世界的场景模型或者虚构的三维世界的场景建模语言，是WWW（World Wide Web）的具有交互性的虚拟现实建模语言[3-4]，具有平台独立性、可扩展性、低宽带要求、实时的图形渲染和基于事件的交互等特点。同时VRML也是一种ASCII的描述性语言，能够在网页中显示三维动画效果和基于三维模型的交互操作，将人的行动作为浏览的主体。目前，VRML技术已经广泛应用于科技探索、商业宣传、文物保护、娱乐业等各行各业。基于其极强的直观性和丰富实时交互功能，在学习培训中VRML技术也得到愈来愈多的应用。
基于VRML的可视化动车组学习培训管理系统将VRML技术引入动车组的学习培训中，不仅改变了以往单一的文字和静态图形（主要以Word文档、Excel表格、Ppt文档、pdf文档以及各种图形文件）的学习模式，给用户提供一个图文并茂的可以进行交互操作的学习系统，还使得动车组的各种技术信息延伸到动车组的培训与学习中，避免了资源的浪费。由于VRML的平台无关性，交互式的虚拟VRML文件可以通过网络应用于动车组生产、使用、维护的整个周期中，可以通过计算机进行演示，指导维修工人的维护工作；可以用来培训新进员工，让其有身临其境的感觉，增强职工的学习兴趣，提高培训效率。该系统就是利用VRML技术集成动车组的外观结构三维展示、重要部件的虚拟装配，并可以查看相应部件的属性、常见故障现象、故障处理方法等。
1 动车组三维模型和虚拟场景的设计
1.1 动车组三维模型和虚拟场景建模
虚拟场景的三维模型通常有两种建模方法：一是利用利用文本编辑器进行VRML三维模型文件编辑， VrmlPad是Parallel Graphics公司开发的基于文本格式、支持即时浏览的VRML专用开发工具，具有下载、编辑、预览、调试等多种功能。由于VrmlPad编辑器是一种文本编辑器，建模过程中不能够实时现实模型状态，对于一些复杂的模型很难建模，通常用于简单模型的建模和VRML文件的优化。另外一种方法是利用其他的三维建模软件建模，建模完成后保存为VRML格式（*.wrl）即可。但由于三维建模软件导出的VRML文件程序比较混乱，重复程序较多，文件较大，通常需要利用VRMLPad进行优化处理[7]。选用适当的建模工具对于减轻场景建模工作量、提高虚拟场景中模型的逼真程度有着举足轻重的作用。3DSMax是一款与VRML结合较好的可视化三维建模软件，不仅可以导出三维模型的VRML格式文件，还可以导出VRML格式的动画文件[8]。本系统将的场景模型将使用3DS MAX与VRML Pad结合进行建模。
1.2 动车组三维模型和虚拟场景建模的优化
目前在虚拟现实技术主要优化方式包括：实例引用策略、减少模型分段数、纹理映射、动态导航、多分辨率层次模型（LOD）等[9]。在采取有效的优化措施后，虚拟现实系统的文件大小明显减少，同时实时渲染速度也会相应地得到提高，从而保证了系统场景的真实性和稳定性。
对于那些不用于交互、有规则几何外形的物体，可以先拍摄好物体的各个面的照片，对图片进行相应处理后将其作为纹理贴图赋予物体的外表面，从而达到减小场景文件大小以达到提高场景文件读入的速度的目的。对于复杂的不规则物体则要进行真实建模，建模过程中需要遵循一个原则，就是在保证场视觉景效果的前提下尽量降低模型精度，以便减小模型文件。
对于大型复杂的场景，利用内联节点（Inline）、坐标变换节点（Transform）与节点定义相结合，可以大大减小最终的VRML文件大小，实现程序优化的目的。此外，我们还可以使用PROTO定义创建原型节点，使用EXTERNPROTO可以用来指出放在外部的PROTO定义的原型节点。原型节点可以作为素材反复使用，从而实现减小文件的目的。如果在编辑一个VRML文件时需要多次用到同一节点，在编写时可以自定义节点的名称以简化编程过程，而不用每次都写出该节点的域值与其它描述。需要注意的是每次引用的节点都是使用原节点设定的域值。原节点域值改变，所引用节点的域值也将随之改变。语法规则如下：
定义：DEF节点名节点类型{}
使用：USE节点名
2 整体结构设计与实现
2.1 系统的体系结构设计 目前B/S（浏览器/服务器）模式是虚拟现实设计当中VRML工作模式的基本的架构，客户端通过网络进行发出查询请求和下载资源，并由本地平台上的VRML浏览器访问虚拟场景，服务器端提供VRML文件及相应的系统支持资源， 在这个过程当中系统的客户端、WEB服务器、数据库服务器成为整个系统运行的关键因素和核心。该系统同样采取B/S模式，服务器端用于存放动车组VRML场景文件、部件属性、部件常见故障、部件故障常见处理方法等信息，浏览器用于嵌入VRML格式文件（*.wrl），显示虚拟场景，提供虚拟场景的浏览与基于鼠标及控件的交互操作、设置和导航[10]。系统具有动车组场景漫游、部件装配交互、部件属性查询、部件故障现象查询、部件故障处理方法查询等功能。
用户在第一次浏览器上浏览VRML文件时需要检测浏览器是否安装了VRML浏览器插件，自动检测是否安装了VRML浏览器插件，如果没有安装则提示用户下载安装。检测代码如下：
<script TYPE="text/javas cript" LANGUAGE="Javas cript" SRC="http：//cic.nist.gov/vrml/vb_VRMLDetect.js"></script>
2.2 系统虚拟场景的集成
VRML文件是由许多节点之间并列或层层嵌套而构成的。使用VRML的内联节点（Inline）可以从网络上的任意地方调用VRML文件，它可以将指定的文件作为一个组成部分加入到主场景中。因此对于复杂大型的虚拟场景，开发者可以将场景分割成多个子场景，从而避免了场景模型文件过大进而提高了开发效率和场景在浏览器的加载速度。其语法定义如下：
Inline {
exposedField SFVec3f bboxCenter 0 0 0 #设定包围该组节点的包围盒中心
exposedField SFVec3f bboxSize 1 1 1 #设定包围该组节点的大小
exposedField MFString url "" #设定VRML文件的url
}
2.3 系统交互设计
创建三维场景模型能够给用户提供一个身临其境的逼真效果，但用户若只能浏览场景而不能和场景中的对象进行交互操作，则用户体验就会大打折扣。对虚拟现实系统而言，实时交互操作非常关键，它对用户在使用过程中获得沉浸感至关重要。对于本系统而言，其现实意义和技术要求需要实现能够对重要部件进行虚拟装配操作、对某些功能可以进行交互操作（如自动感应内端门、重要阀的通断）、产品属性查询、部件故障查询、故障常见处理方法查询等。这些可以交互功能的实现是本系统的重要意义所在。
在虚拟现实技术中，通常有两种方法可以实现用户与场景中对象的交互操作，一是利用VRML自身所包含的传感器节点实现交互操作，二是利用Script节点来实现交互操作。VRML自带有时间传感器、位置插补器、标量插补器、坐标插补器、触摸型检测器和感知性检查器等一系列传感器，用户可以利用这些传感器与路由（Route）机制相结合对场景中的对象进行操作，但这种交互方式有一定的局限性，只能进行一些简单的有限交互操作。Script节点是一个可以嵌套为模型节点的下级子节点，并可以与任意节点进行连接的特殊可编程节点。利用Script节点进行交互操作，即在虚拟场景中加入程序脚本。由于脚本语言具有网络功能强、灵活性高、移植性好等优点，因此可以实现更多复杂的、智能的交互功能，同时也可以实现操作界面多样化从而提高用户体验的沉浸感。Script节点语法为：
Script{
exposedField MFString url [] //指定脚本程序的编写语言
field SFBool mustEvaluate FALSE //指定脚本程序如何进行求值
field SFBool directOutput FALSE //说明程序脚本输出是否受到限制
eventIn eventTypeName eventName //可以定义多个eventIn事件
field fieldTypeName fieldName initialValue //可以定義多个field域
eventOut eventTypeName eventName //可以定义多个eventOut事件
}
3 系统数据库设计与系统发布
在基于VRML的可视化动车组学习培训管理系统中，用户需要能够查看部件属性、部件故障现象、部件故障常用处理方法，就必须有后台数据库，利用数据库增强和完善系统的功能。在本系统中，可以利用数据库技术动态生成表单等多种方法实现查看部件属性、部件故障现象、部件故障常用处理方法。VRML自带的Anchor节点也可以实现三维场景转跳，即当用户对带有Anchor节点的对象单击时，VRML浏览器将转跳到目的页面。其语法节点如下：
Anchor {
bboxCenter 0 0 0 #设定包围盒的中心
bboxSize -1 -1 -1 #设定包围盒的尺寸大小
description "" #设定文本提示
parameter [] #设定浏览器附加信息
url "" #设定需要加载文件的URL
children [] #锚节点造型
}
对于系统的发布，VrmlPad提供的Publish命令可以完成对系统的发布，同时还可以压缩源程序代码。
4 结束语
基于VRML的可视化动车组学习培训管理系统不仅可以让用户通过系统进入逼真的三维空间查看设备的位置分布情况，还可以对重要部件进行虚拟装配、查看部件属性、部件故障现象、部件故障常用处理方法。相较于传统的学习培训方式，该系统的三维性可以让用户更加深刻了解动车组各部件的安装位置，可交互操作性可以让用户学习重要部件的装配顺序，增强用户对动车组的感性认识，增强了用户对动车组学习的兴趣和效率。
参考文献
[1] 项叶琴.动车组机械师适应性培训分析与探索[J].上海铁道科技，2014（4）：92-93.
[2] 徐轩露.虚拟现实技术与计算机技术应用的共同发展[J].信息技术，2013（01）：232-233.
[3] 汪兴谦.VRML与Java编程实例讲解[M].北京：中国水利水电出版社，2002.
[4] 黄文丽，卢碧红，杨志刚，等.VRML语言入门与应用[M].北京：中国铁道出版社，2003.
[5] 陆昌辉.VEML入门与提高[M].北京：北京大学出版社，2003.
[6] 薛庆文，辛允东.虚拟现实VRML程序设计与实例[M].北京：清华大学出版社，2012.
[7] 买桂英.VRML虚拟场景优化策略[J].工业仪表与自动化装置，2011（5）：109-112.
[8] 宋广波，殷炜晔.热点追踪-3ds max实用技术详解[M].北京：人民邮电出版社，2004.
[9] 朱世昕，陈立潮.虚拟现实中的场景建模及模型优化技术[J].电脑开发与应用，2005，18（11）：35-37.
[10] 冯桂珍，池建斌，王大鸣等.VRML虚拟校园漫游与交互技术[J].工程图学学报，2011（5）：40-45.
[关键词]可视化；动车组；学习；培训
中图分类号：U269 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）12-0134-02
随着我国高速铁路的快速发展，据统计截止2015年我国配属动车组标准列总共1870组。动车组机械师是为确保动车组设备运行安全而设立的工种，其职责是负责动车组运行检修、乘务及故障处理，由于其的责任重大，因此提升其技能水平是我们的重点工作。目前，动车组机械师资格培训已经有了完善的岗前资格培训流程（铁路总公司-动车段-动车所-班组），每个人在每个阶段完成相应的学习目标即可取得上岗资格，但是取得上岗资格并不意味着就能胜任岗位职责。因此，保证动车組机械师安全知识、理论水平、实作能力的高质量是动车组机械师培训工作的重中之重。
虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，它利用计算机生成一种虚拟环境，是一种多资源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真[2]。VRML（虚拟现实建模语言，Virtual Reality Modeling Language）是一种用于建立真实世界的场景模型或者虚构的三维世界的场景建模语言，是WWW（World Wide Web）的具有交互性的虚拟现实建模语言[3-4]，具有平台独立性、可扩展性、低宽带要求、实时的图形渲染和基于事件的交互等特点。同时VRML也是一种ASCII的描述性语言，能够在网页中显示三维动画效果和基于三维模型的交互操作，将人的行动作为浏览的主体。目前，VRML技术已经广泛应用于科技探索、商业宣传、文物保护、娱乐业等各行各业。基于其极强的直观性和丰富实时交互功能，在学习培训中VRML技术也得到愈来愈多的应用。
基于VRML的可视化动车组学习培训管理系统将VRML技术引入动车组的学习培训中，不仅改变了以往单一的文字和静态图形（主要以Word文档、Excel表格、Ppt文档、pdf文档以及各种图形文件）的学习模式，给用户提供一个图文并茂的可以进行交互操作的学习系统，还使得动车组的各种技术信息延伸到动车组的培训与学习中，避免了资源的浪费。由于VRML的平台无关性，交互式的虚拟VRML文件可以通过网络应用于动车组生产、使用、维护的整个周期中，可以通过计算机进行演示，指导维修工人的维护工作；可以用来培训新进员工，让其有身临其境的感觉，增强职工的学习兴趣，提高培训效率。该系统就是利用VRML技术集成动车组的外观结构三维展示、重要部件的虚拟装配，并可以查看相应部件的属性、常见故障现象、故障处理方法等。
1 动车组三维模型和虚拟场景的设计
1.1 动车组三维模型和虚拟场景建模
虚拟场景的三维模型通常有两种建模方法：一是利用利用文本编辑器进行VRML三维模型文件编辑， VrmlPad是Parallel Graphics公司开发的基于文本格式、支持即时浏览的VRML专用开发工具，具有下载、编辑、预览、调试等多种功能。由于VrmlPad编辑器是一种文本编辑器，建模过程中不能够实时现实模型状态，对于一些复杂的模型很难建模，通常用于简单模型的建模和VRML文件的优化。另外一种方法是利用其他的三维建模软件建模，建模完成后保存为VRML格式（*.wrl）即可。但由于三维建模软件导出的VRML文件程序比较混乱，重复程序较多，文件较大，通常需要利用VRMLPad进行优化处理[7]。选用适当的建模工具对于减轻场景建模工作量、提高虚拟场景中模型的逼真程度有着举足轻重的作用。3DSMax是一款与VRML结合较好的可视化三维建模软件，不仅可以导出三维模型的VRML格式文件，还可以导出VRML格式的动画文件[8]。本系统将的场景模型将使用3DS MAX与VRML Pad结合进行建模。
1.2 动车组三维模型和虚拟场景建模的优化
目前在虚拟现实技术主要优化方式包括：实例引用策略、减少模型分段数、纹理映射、动态导航、多分辨率层次模型（LOD）等[9]。在采取有效的优化措施后，虚拟现实系统的文件大小明显减少，同时实时渲染速度也会相应地得到提高，从而保证了系统场景的真实性和稳定性。
对于那些不用于交互、有规则几何外形的物体，可以先拍摄好物体的各个面的照片，对图片进行相应处理后将其作为纹理贴图赋予物体的外表面，从而达到减小场景文件大小以达到提高场景文件读入的速度的目的。对于复杂的不规则物体则要进行真实建模，建模过程中需要遵循一个原则，就是在保证场视觉景效果的前提下尽量降低模型精度，以便减小模型文件。
对于大型复杂的场景，利用内联节点（Inline）、坐标变换节点（Transform）与节点定义相结合，可以大大减小最终的VRML文件大小，实现程序优化的目的。此外，我们还可以使用PROTO定义创建原型节点，使用EXTERNPROTO可以用来指出放在外部的PROTO定义的原型节点。原型节点可以作为素材反复使用，从而实现减小文件的目的。如果在编辑一个VRML文件时需要多次用到同一节点，在编写时可以自定义节点的名称以简化编程过程，而不用每次都写出该节点的域值与其它描述。需要注意的是每次引用的节点都是使用原节点设定的域值。原节点域值改变，所引用节点的域值也将随之改变。语法规则如下：
定义：DEF节点名节点类型{}
使用：USE节点名
2 整体结构设计与实现
2.1 系统的体系结构设计 目前B/S（浏览器/服务器）模式是虚拟现实设计当中VRML工作模式的基本的架构，客户端通过网络进行发出查询请求和下载资源，并由本地平台上的VRML浏览器访问虚拟场景，服务器端提供VRML文件及相应的系统支持资源， 在这个过程当中系统的客户端、WEB服务器、数据库服务器成为整个系统运行的关键因素和核心。该系统同样采取B/S模式，服务器端用于存放动车组VRML场景文件、部件属性、部件常见故障、部件故障常见处理方法等信息，浏览器用于嵌入VRML格式文件（*.wrl），显示虚拟场景，提供虚拟场景的浏览与基于鼠标及控件的交互操作、设置和导航[10]。系统具有动车组场景漫游、部件装配交互、部件属性查询、部件故障现象查询、部件故障处理方法查询等功能。
用户在第一次浏览器上浏览VRML文件时需要检测浏览器是否安装了VRML浏览器插件，自动检测是否安装了VRML浏览器插件，如果没有安装则提示用户下载安装。检测代码如下：
<script TYPE="text/javas cript" LANGUAGE="Javas cript" SRC="http：//cic.nist.gov/vrml/vb_VRMLDetect.js"></script>
2.2 系统虚拟场景的集成
VRML文件是由许多节点之间并列或层层嵌套而构成的。使用VRML的内联节点（Inline）可以从网络上的任意地方调用VRML文件，它可以将指定的文件作为一个组成部分加入到主场景中。因此对于复杂大型的虚拟场景，开发者可以将场景分割成多个子场景，从而避免了场景模型文件过大进而提高了开发效率和场景在浏览器的加载速度。其语法定义如下：
Inline {
exposedField SFVec3f bboxCenter 0 0 0 #设定包围该组节点的包围盒中心
exposedField SFVec3f bboxSize 1 1 1 #设定包围该组节点的大小
exposedField MFString url "" #设定VRML文件的url
}
2.3 系统交互设计
创建三维场景模型能够给用户提供一个身临其境的逼真效果，但用户若只能浏览场景而不能和场景中的对象进行交互操作，则用户体验就会大打折扣。对虚拟现实系统而言，实时交互操作非常关键，它对用户在使用过程中获得沉浸感至关重要。对于本系统而言，其现实意义和技术要求需要实现能够对重要部件进行虚拟装配操作、对某些功能可以进行交互操作（如自动感应内端门、重要阀的通断）、产品属性查询、部件故障查询、故障常见处理方法查询等。这些可以交互功能的实现是本系统的重要意义所在。
在虚拟现实技术中，通常有两种方法可以实现用户与场景中对象的交互操作，一是利用VRML自身所包含的传感器节点实现交互操作，二是利用Script节点来实现交互操作。VRML自带有时间传感器、位置插补器、标量插补器、坐标插补器、触摸型检测器和感知性检查器等一系列传感器，用户可以利用这些传感器与路由（Route）机制相结合对场景中的对象进行操作，但这种交互方式有一定的局限性，只能进行一些简单的有限交互操作。Script节点是一个可以嵌套为模型节点的下级子节点，并可以与任意节点进行连接的特殊可编程节点。利用Script节点进行交互操作，即在虚拟场景中加入程序脚本。由于脚本语言具有网络功能强、灵活性高、移植性好等优点，因此可以实现更多复杂的、智能的交互功能，同时也可以实现操作界面多样化从而提高用户体验的沉浸感。Script节点语法为：
Script{
exposedField MFString url [] //指定脚本程序的编写语言
field SFBool mustEvaluate FALSE //指定脚本程序如何进行求值
field SFBool directOutput FALSE //说明程序脚本输出是否受到限制
eventIn eventTypeName eventName //可以定义多个eventIn事件
field fieldTypeName fieldName initialValue //可以定義多个field域
eventOut eventTypeName eventName //可以定义多个eventOut事件
}
3 系统数据库设计与系统发布
在基于VRML的可视化动车组学习培训管理系统中，用户需要能够查看部件属性、部件故障现象、部件故障常用处理方法，就必须有后台数据库，利用数据库增强和完善系统的功能。在本系统中，可以利用数据库技术动态生成表单等多种方法实现查看部件属性、部件故障现象、部件故障常用处理方法。VRML自带的Anchor节点也可以实现三维场景转跳，即当用户对带有Anchor节点的对象单击时，VRML浏览器将转跳到目的页面。其语法节点如下：
Anchor {
bboxCenter 0 0 0 #设定包围盒的中心
bboxSize -1 -1 -1 #设定包围盒的尺寸大小
description "" #设定文本提示
parameter [] #设定浏览器附加信息
url "" #设定需要加载文件的URL
children [] #锚节点造型
}
对于系统的发布，VrmlPad提供的Publish命令可以完成对系统的发布，同时还可以压缩源程序代码。
4 结束语
基于VRML的可视化动车组学习培训管理系统不仅可以让用户通过系统进入逼真的三维空间查看设备的位置分布情况，还可以对重要部件进行虚拟装配、查看部件属性、部件故障现象、部件故障常用处理方法。相较于传统的学习培训方式，该系统的三维性可以让用户更加深刻了解动车组各部件的安装位置，可交互操作性可以让用户学习重要部件的装配顺序，增强用户对动车组的感性认识，增强了用户对动车组学习的兴趣和效率。
参考文献
[1] 项叶琴.动车组机械师适应性培训分析与探索[J].上海铁道科技，2014（4）：92-93.
[2] 徐轩露.虚拟现实技术与计算机技术应用的共同发展[J].信息技术，2013（01）：232-233.
[3] 汪兴谦.VRML与Java编程实例讲解[M].北京：中国水利水电出版社，2002.
[4] 黄文丽，卢碧红，杨志刚，等.VRML语言入门与应用[M].北京：中国铁道出版社，2003.
[5] 陆昌辉.VEML入门与提高[M].北京：北京大学出版社，2003.
[6] 薛庆文，辛允东.虚拟现实VRML程序设计与实例[M].北京：清华大学出版社，2012.
[7] 买桂英.VRML虚拟场景优化策略[J].工业仪表与自动化装置，2011（5）：109-112.
[8] 宋广波，殷炜晔.热点追踪-3ds max实用技术详解[M].北京：人民邮电出版社，2004.
[9] 朱世昕，陈立潮.虚拟现实中的场景建模及模型优化技术[J].电脑开发与应用，2005，18（11）：35-37.
[10] 冯桂珍，池建斌，王大鸣等.VRML虚拟校园漫游与交互技术[J].工程图学学报，2011（5）：40-45.