一种基于虚拟现实与人工智能的轨道交通工程仿真实训系统

本发明涉及轨道交通工程领域，特别是一种基于虚拟现实与人工智能的轨道交通工程仿真实训系统。

背景技术：

1、在传统的轨道交通工程实训模式中，主要依赖于课堂理论讲解、动画演示、实地现场观摩以及少量的特定任务操作。然而，这种方式在模拟真实建设环境方面存在明显不足。以地铁车站建设为例，其建设工程具有诸多复杂特性：工程规模庞大，涉及大量的人力、物力投入；投资额度极高，对资源管理要求严格；结构安全责任重大，任何细微的失误都可能导致严重后果；建造工序繁多且复杂，涵盖了从基础施工到设备安装等多个环节；隐蔽验收的节点程序极为繁杂，需要从业者对施工细节和标准有深刻理解。

2、这些特点要求轨道交通行业的从业者必须具备扎实的专业技能和丰富的现场实践经验。但传统的实际操作培训面临诸多困境：一方面，受到场地条件的严格限制，难以完整地呈现复杂的施工现场全貌；另一方面，设备的有限性无法满足大量学生同时进行多样化的操作训练，而且设备的购置、维护成本高昂。更为重要的是，实地操作存在不可忽视的安全风险，这使得学生无法在真实场景中充分参与实践，导致实训机会严重不足。

3、虚拟现实技术已经从早期的3d图形展示发展到更高水平的沉浸式体验系统。高精度的动作捕捉技术（如手势识别和全身追踪）和3d建模能够为学员提供接近真实的操作体验。此外，vr设备中的触觉反馈技术也逐渐被应用于提高操作的真实感。新型虚拟现实引擎可以生成高度可定制的训练场景，系统可通过场景模板快速开发不同的轨道交通运营或建造场景。这些场景可以通过模块化设计实现灵活扩展，满足不同的实训需求。

4、因此急需一种基于虚拟现实与人工智能的轨道交通工程仿真实训系统通过任务模拟，收集学生的学习数据，为日后的教学分析与个性化指导提供依据。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本技术提供了一种基于虚拟现实与人工智能的轨道交通工程仿真实训系统，主要针对地铁车站的全流程建设过程进行虚拟还原，通过虚拟现实技术为学生提供一个沉浸式的学习体验，让学生能够在虚拟环境中直观了解地铁车站建设的各个环节。系统还将通过任务模拟，收集学生的学习数据，为日后的教学分析与个性化指导提供依据。

2、在本技术提供的基于虚拟现实与人工智能的轨道交通工程仿真实训系统，包括虚拟现实场景模块：所述虚拟现实场景模块构建有地铁车站从规划到竣工的全流程虚拟场景；

3、任务模拟模块：所述任务模拟模块用于设计车站建设任务，所述任务模拟模块还包括操作指引单元和工具使用训练单元；

4、数据采集与分析模块：所述数据采集与分析模块用于采集学生操作数据，并对学生操作数据进行分析得到分析报告；

5、反馈与评估模块：所述反馈与评估用于根据分析报告提供实时反馈，并生成操作进度报告。

6、优选的，虚拟现实场景模块的构建方法具体包括室外场地虚拟单元的构建、室内结构虚拟单元的构建和效果增强单元的构建，将室外场地虚拟单元和室内结构虚拟单元进行融合矫正得到虚拟现实场景模块。

7、优选的，室外场地虚拟单元的构建的具体内容为：

8、采用vr沉浸式虚拟现实仿真技术，对于室外的场地仿真

9、采用高精度无人机搭载的gps模块对地铁车站周边建设红线范围进行拍摄和记录各个测点的精确位置得到初始图像；

10、将初始图像进行拼接，生成正射影像地形模型，并使用3ds max或blender对正射影像地形模型进行去噪处理；

11、将正射影像地形模型导入gis平台，将正射影像地形模型与场地的地理信息数据进行集成，并通过坐标校准工具，统一三维模型与gis数据的坐标系，实现精确的空间对齐；

12、优选的，室内结构虚拟单元的构建的内容为：

13、获取设计图纸采用auto desk revit三维信息仿真软件依据设计图纸建立内部三维虚拟模型；

14、通过python编写自动化插件来对内部三维虚拟模型进行轻量化处理并导出为fbx格式；

15、效果增强单元的构建的内容为：

16、采用实时渲染技术增加光影效果和天气效果，使用粒子系统模拟环境中的动态元素，运用openal三维音频技术，将采集到的音效集成至虚拟场景中。

17、优选的，任务模拟模块的具体内容为：

18、构建transformer模型，向transformer模型输入地铁车站施工的施工组织，得到地铁车站施工的知识图谱；

19、将知识图谱中的节点通过词嵌入或图嵌入等技术转化为低维向量表示；

20、使用word2vec词嵌入方法对施工工序的名称和描述进行向量化，或者使用graphembedding算法对整个知识图谱的节点进行嵌入；

21、利用卷积神经网络变体算法，对知识图谱进行特征提取和学习，进而对地铁车站的建造任务工序进行训练。

22、优选的，数据采集与分析模块的具体内容包括：

23、所述数据采集与分析模块配有传感器；

24、记录学生在虚拟环境中的操作数据，所述操作数据包括实时数据和成果数据，其中实时数据包括传感器采集到的手部动作、身体姿态，成果数据包括任务操作时间、任务准确度、任务完成百分比；

25、识别操作数据的缺失值、异常值、重复值和错误值并清洗处理；

26、所述清洗处理过程包括对缺失值、错误值进行统计并确认缺失值所在的知识图谱位置并标记，对异常值、重复值进行剔除并生成淘汰表格。

27、优选的，反馈与评估模块的具体内容包括：

28、所述反馈与评估模块预设有操作规范准则；

29、利用深度学习模型和规则引擎，对清洗处理后的操作数据进行快速分析并与操作规范准则进行比对，进行实时检测提供实时反馈；

30、根据学习报告得到每个任务的完成情况，生成评估报告，所述评估报告包括任务成功率、错误次数、任务效率并实时反馈。

31、优选的，根据学习报告得到每个任务的完成情况，生成评估报告的具体内容为包括专业能力评估和管理能力评估：

32、其中专业能力评估包括施工流程评估、施工操作评估、隐蔽工程评估、独立任务评估、突发任务评估、知识储备评估、和实际应用评估；

33、管理能力评估的具体内容为，施工计划与组织能力评估、资源管理与利用、团队协作与沟通、风险管理与应急处理、施工进度控制、施工质量管理、决策与问题解决、多任务管理能力。

34、优选的，在评估过程中具体评价方式为：

35、分项评估，预设有评分细则，对不同车站建设任务的掌握程度进行单独评分得到单独分值并形成详细的评分报告，以便学生明确在哪些方面需要改进。

36、等级评估，根据单独分值进行累加得到综合得分，对综合得分划分等级，等级包括“优秀”、“良好”、“合格”、“需改进”，帮助学生明确自己在专业能力上的总体水平。

37、综上所述，本发明的一种基于虚拟现实与人工智能的轨道交通工程仿真实训系统，相比传统技术，本发明真实还原车站建设过程，通过虚拟现实技术，学生能够体验地铁车站的真实建设过程，并掌握每个阶段的核心技能。

38、另外，通过虚拟仿真任务，系统能够收集大量的学生操作数据，教师可以根据数据进行教学优化，为学生提供个性化的学习指导。

39、除此之外，虚拟仿真系统使学生能够在安全的环境中反复练习施工操作，减少实际建设中可能出现的安全问题。

40、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。