朱明勛　吳悅明　陳慧彬　戴楊波

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城市軌道交通信號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

朱明勛吳悅明陳慧彬戴楊波

鑒于目前城市軌道交通信號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備使用及維護(hù)相關(guān)的培訓(xùn)手段落后、效率低下，研究開發(fā)了面向信號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備的三維數(shù)字化虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。在分析系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，介紹了系統(tǒng)三維模型的處理過程，運(yùn)用Unity3D三維引擎與C#腳本搭建仿真系統(tǒng)，生成逼真的可視化交互虛擬環(huán)境，真實(shí)再現(xiàn)實(shí)際工作場(chǎng)景。最后，開發(fā)出原型系統(tǒng)，驗(yàn)證其可行性。該系統(tǒng)包含多種功能模塊，滿足培訓(xùn)需求。

城市軌道交通；轉(zhuǎn)轍設(shè)備；虛擬仿真；培訓(xùn)系統(tǒng)

0　引言

信號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備是道岔控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于轉(zhuǎn)換鎖閉道岔尖軌或心軌，表示監(jiān)督聯(lián)鎖區(qū)內(nèi)道岔尖軌或心軌的位置和狀態(tài)，它是城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。對(duì)高素質(zhì)技術(shù)人才的需求和要求越來越高，并且如何使用好、維護(hù)好信號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備則是保障城市軌道交通安全高效運(yùn)營的關(guān)鍵，亦是城市軌道交通快速發(fā)展所必需的。

目前，信號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備使用及維護(hù)相關(guān)的培訓(xùn)手段落后，培訓(xùn)耗時(shí)，對(duì)人力、物力的需求較大，且受場(chǎng)地限制，效率較低。鑒于此，本文提出基于虛擬仿真技術(shù)的信號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。該培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)合虛擬仿真技術(shù)“沉浸感”、“交互性”和“想象力”這三大特性，利用計(jì)算機(jī)提供一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，三維數(shù)字化虛擬仿真城市軌道交通信號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備的原理、動(dòng)作過程，模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作，真實(shí)再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，可視化交互，可很大程度上替代城市軌道交通信號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備的實(shí)踐培訓(xùn)，提高培訓(xùn)效率，進(jìn)而提高城市軌道交通信號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備的運(yùn)營維護(hù)水平。

1　功能需求分析

信號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境多變。傳統(tǒng)基于 PPT 演示文檔的教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)，雖然圖文并茂，也可嵌入一些動(dòng)畫、視頻，但這種方式的主要問題是學(xué)習(xí)的知識(shí)模塊較為獨(dú)立，學(xué)員較難建立前后知識(shí)的聯(lián)系，另外，即使加上動(dòng)畫或視頻也很難使從未接觸過具體設(shè)備的學(xué)員形成立體感，故需配合耗費(fèi)人力、物力的實(shí)物實(shí)踐課程?？梢?，低效率的傳統(tǒng)培訓(xùn)方式無法勝任。

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與虛擬仿真技術(shù)的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)將傳統(tǒng)相對(duì)簡單枯燥的二維畫面變?yōu)槿S真實(shí)模擬可視化交互畫面，在虛擬現(xiàn)實(shí)世界可以真切體會(huì)到道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備的動(dòng)作過程和維修操作的真實(shí)感，身臨其境的感覺極大地增強(qiáng)了用戶的學(xué)習(xí)興趣和積極性，縮短其從理論走向?qū)嵺`的過程，降低學(xué)習(xí)和培訓(xùn)成本。根據(jù)培訓(xùn)的需求，將虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)分為三維學(xué)習(xí)、三維訓(xùn)練、能力評(píng)估與輔助維修 4 個(gè)模塊，詳細(xì)功能結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1　虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2　虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

針對(duì)城市軌道交通信號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備傳統(tǒng)落后的培訓(xùn)手段，再根據(jù)上述需求分析，研究設(shè)計(jì)出 1 套完整的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，為相關(guān)技術(shù)人員展現(xiàn)更加直觀和真實(shí)的轉(zhuǎn)轍設(shè)備動(dòng)作過程，提高其學(xué)習(xí)效率，提升相關(guān)技能。系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)整體架構(gòu)如圖 2 所示。

系統(tǒng)整體架構(gòu)是基于 Winform 框架實(shí)現(xiàn)。主要技術(shù)由 2 個(gè)模塊組成：①Unity3D 引擎渲染模塊；②本地XML 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊。其中，Unity3D 引擎渲染模塊主要用于對(duì)三維模型進(jìn)行渲染。而 XML 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊則是把三維模型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、文字提示信息等 XML 文本在仿真需要時(shí)進(jìn)行翻譯與解釋，并反饋到 Unity3D 渲染引擎中，使三維模型能夠按需求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

圖2　虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的整體架構(gòu)

3　仿真系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

3.1三維模型的處理與優(yōu)化

三維模型是仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，直接決定了虛擬仿真系統(tǒng)的逼真程度，也是影響系統(tǒng)用戶體驗(yàn)的主要因素。本系統(tǒng)中的模型按功能分為產(chǎn)品零部件模型、工具模型和場(chǎng)地環(huán)境模型，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。為減少計(jì)算機(jī)資源消耗，提升系統(tǒng)流暢性以及增強(qiáng)系統(tǒng)逼真感，以真實(shí)性、實(shí)時(shí)性、交互性為原則，對(duì)三維模型進(jìn)行處理與優(yōu)化。處理與優(yōu)化整個(gè)實(shí)現(xiàn)流程如圖 3 所示。

圖3　三維模型處理與優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方法

模型處理方法為：①Solidworks 三維建模軟件幾何建模，是生成高質(zhì)量渲染圖像的先決條件，描述模型固有的幾何屬性，建立實(shí)體模型；②Solidworks 建立的實(shí)體模型不能直接導(dǎo)入 Unity3D，一般借助 3dsmax轉(zhuǎn)換為 FBX 文件導(dǎo)入，再在 Unity3D 引擎中用其自帶的Animation 組件對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)作定義，建立模型的行為屬性，描述模型的運(yùn)動(dòng)行為，實(shí)時(shí)渲染和顯示。

為了保證系統(tǒng)運(yùn)行效果，在模型處理過程中必須優(yōu)化模型，主要有：①減少模型的頂點(diǎn)數(shù)和三角面片數(shù)，降低資源消耗。Solidworks 建立的實(shí)體模型以 STL 格式文件導(dǎo)入 3dsmax 后變?yōu)橛稍S多個(gè)點(diǎn)線面構(gòu)成的表面模型，導(dǎo)致模型特征碎片化，模型點(diǎn)面數(shù)據(jù)增多，資源消耗變大。采用 3dsmax 中編輯幾何體工具將碎片化的模型塌陷為一個(gè)對(duì)象，再將其轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形后，刪除多余的頂點(diǎn)和邊線，實(shí)現(xiàn)模型整合；②通過紋理貼圖降低模型復(fù)雜度，增強(qiáng)真實(shí)感。紋理貼圖，亦稱 UV 紋理貼圖，利用 3dsmax 中 UV 坐標(biāo)，將圖像上每一個(gè)點(diǎn)精確對(duì)應(yīng)到三維模型的表面，點(diǎn)與點(diǎn)之間的間隙位置由軟件自行圖像光滑插值處理，提高渲染速度，實(shí)現(xiàn)逼真的貼圖效果。例如，在系統(tǒng)場(chǎng)地環(huán)境模型中對(duì)道砟的貼圖就是這樣處理的。

3.2Unity3D 與 C# 的實(shí)時(shí)通信

該仿真系統(tǒng)基于 Windows 系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行，借助于標(biāo)準(zhǔn)化的 Windows 控件來對(duì) Unity3D 所渲染的三維交互場(chǎng)景難以表達(dá)的信息（如詳盡的文字信息）、操作控制（如虛擬漫游、操作步驟等）進(jìn)行豐富與增強(qiáng)，以提供更為友好的用戶界面。由于 Unity3D 場(chǎng)景信息與Winform 控件之間是相互獨(dú)立的，故兩者需要進(jìn)行消息傳遞來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。

Unity3D 本身并沒有提供 C# 可以直接訪問的通信接口，而只提供了 1 個(gè)跟網(wǎng)頁文件進(jìn)行通信的接口。因此，以網(wǎng)頁文件作為 C# 與 Unity3D 相互通信的橋梁來實(shí)現(xiàn)兩者的相互通信。其具體思路如下：通過 WebBrowser控件制造 1 個(gè)通過在 C# Winform 環(huán)境下執(zhí)行 HTML 文件的運(yùn)行環(huán)境。由于 C# 與 Unity3D 均可在同一 HTML 環(huán)境下訪問與調(diào)用相同的Javacript代碼，因此，C# 與 Unity3D 之間的數(shù)據(jù)通信可通過 HTML 代碼中的 Javascript 代碼來實(shí)現(xiàn)，其原理如圖 4 所示。

圖4　Winform 與 Unity3D 之間的實(shí)時(shí)通信機(jī)制

3.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)

用戶在虛擬仿真環(huán)境中進(jìn)行交互操作時(shí)，虛擬仿真系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建三維模型數(shù)據(jù)表、學(xué)習(xí)序列數(shù)據(jù)表、訓(xùn)練序列數(shù)據(jù)表以及輔助維修序列數(shù)據(jù)表。另外，系統(tǒng)還會(huì)輸出能力評(píng)估報(bào)告表，用于綜合考核用戶實(shí)際操作技能。各數(shù)據(jù)表之間通過 ID 匹配實(shí)現(xiàn)關(guān)系鏈接，如圖 5 所示。

圖5　系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向

仿真結(jié)束后，系統(tǒng)將上述數(shù)據(jù)表寫入本地 XML 文件。通過這種方式，系統(tǒng)有效保存與管理用戶培訓(xùn)學(xué)習(xí)情況，以便用戶相關(guān)技能的提高。

4　系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

通過對(duì)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方法的分析研究，最終開發(fā)出的城市軌道交通信號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，可以很好地實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊相應(yīng)的功能。學(xué)習(xí)、訓(xùn)練與能力評(píng)估以及輔助維修各個(gè)模塊的運(yùn)行實(shí)例效果分別如圖 6、圖 7、圖 8所示。從效果圖中可以看出，系統(tǒng)具有簡便、快捷的人性化交互操作界面和靈活的管理模式，且功能齊全，滿足培訓(xùn)需求。該原型系統(tǒng)經(jīng)廣州地鐵技師成功試用，反饋并驗(yàn)證了培訓(xùn)系統(tǒng)的可行性。

圖6　三維拆裝學(xué)習(xí)仿真運(yùn)行效果

圖7　訓(xùn)練與能力評(píng)估仿真運(yùn)行效果

圖8 　輔導(dǎo)維修仿真效果

5　結(jié)束語

在城市軌道交通高速發(fā)展的大背景下，在其信號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備培訓(xùn)方式落后的情況下，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)結(jié)合先進(jìn) 3D 動(dòng)畫技術(shù)的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)以圖形和逼真三維動(dòng)畫展示為主，三維可視化交互操作，具有真實(shí)感的虛擬仿真培訓(xùn)環(huán)境，完善的培訓(xùn)內(nèi)容，幫助用戶快速掌握相關(guān)技能，迅速壯大技術(shù)人才隊(duì)伍，提高城市軌道交通信號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備的運(yùn)營維護(hù)水平，具有一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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[3] 郭亮. 虛擬仿真與三維技術(shù)的運(yùn)用[J]. 現(xiàn)代交際，2014（6）：28.

training means, the paper makes introduction on the research and development of 3D digital virtual simulation training system for the signaling switching equipment. On the basis of analysis of the functional requirements of the system, based on the introduction and the process of three-dimensional model of the system, the paper uses Unity3D engine and C# script to build a simulation system, makes realistic visualization interactive virtual environment generation, and replay of the true and actual working environment. Finally, a prototype system is developed to verify the feasibility of the prototype system. The system contains a variety of functional modules, having met the training needs.

Virtual Simulation Training System for Turnout Switching in Transit

Zhu Mingxun, Wu Yueming, Chen Huibin, et al.

In view of the current urban rail transit signaling switching equipment operation andmaintenance as well as the backward and ineffi cient

urban rail transit, turnout switching equipment, virtual simulation, training system

U231.7∶G434

朱明勛：廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，碩士研究生，廣東廣州 510006基金項(xiàng)目：廣州市地下鐵道總公司立項(xiàng)的科研項(xiàng)目

2015-08-21責(zé)任編輯 冒一平