肖 乾 王丹紅 史開志

(1．華東交通大學 軌道交通技術創(chuàng)新中心，南昌 330013； 2．南昌工善科技有限公司，南昌 330013)

0 引 言

密接式車鉤作為高速動車組重要部件之一[1]，車鉤實驗是軌道相關專業(yè)學生必不可少的實驗環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的車鉤實驗教學環(huán)節(jié)存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法觀察、設備采購維護成本高、專業(yè)操作技術強、操作危險系數(shù)高等不足[2]。研發(fā)一套能實現(xiàn)不受時空限制且能保證學習質(zhì)量的動車組密接式車鉤實驗系統(tǒng)很有必要。

目前，虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,VR)技術在軌道、教育領域的應用已取得一定成果[3]，楊顏志[4]通過結(jié)合虛擬樣機和VR技術，進行不同工況下鐵道車輛舒適性分析試驗；吳海超等[5]開發(fā)了動車虛擬駕駛仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了對CRH3動車組駕駛進行全三維虛擬化列車邏輯模型仿真；米小珍等[6]設計開發(fā)了面向檢修的CRH3動車組轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)。至今仍沒有針對密接式車鉤的虛擬仿真實驗教學方面的應用，本文基于VR技術設計研發(fā)一套動車組密接式車鉤虛擬仿真實驗系統(tǒng)，主要解決動車組密接式車鉤現(xiàn)場實驗教學中結(jié)構(gòu)不可見，工作原理不可及，實驗過程不可控的問題[7]，使學生在虛擬場景完成現(xiàn)場車鉤實驗，且能夠滿足車鉤實驗教學及考核要求。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 需求分析

基于“以學生為主體，寓教于樂”的教學理念，結(jié)合現(xiàn)場實驗教學內(nèi)容，設計的動車組密接式車鉤虛擬仿真實驗系統(tǒng)應能滿足以下教學需求：提供全面且系統(tǒng)的教學內(nèi)容以及規(guī)范化的實驗操作步驟[8]；操作界面符合人性化及美學設計要求，能達到良好的交互效果；所有的操作均能夠自動根據(jù)輸入信息實時判斷且更新，正確輸出對應結(jié)果；不受時空限制，用戶線上完成實驗操作[9]。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設計

本文所設計的系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，包括用戶層級的交互設計、內(nèi)容交互功能設計以及底層支撐技術開發(fā)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

用戶層級的交互設計用于實現(xiàn)Unity 3D程序和網(wǎng)頁中元素的交互功能，并提供資源下載渠道。用戶可在網(wǎng)頁上操作由Unity 3D中發(fā)布的車鉤虛擬仿真實驗，也可登錄、注冊、查看實驗操作指南、編寫預習報告、信息查詢等。

內(nèi)容及交互功能設計是整個實驗系統(tǒng)設計的核心，它不僅要滿足實驗內(nèi)容的完整性，還要保證用戶能夠?qū)囥^實驗有深刻的理解，在達到教學效果的同時提高用戶的學習興趣[10]。其內(nèi)容上總體劃分為拆裝實驗、連掛實驗、性能實驗3個模塊，且3個模塊知識的難度是依次遞增的。其中拆裝實驗的設計用于熟知其結(jié)構(gòu)及裝配關系，具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視、拆裝流程可控以及操作流程規(guī)范等特點[11]；連掛實驗用于分析不同影響因素下車鉤的連掛質(zhì)量以及三態(tài)原理作用過程[12]，需完整展示三態(tài)運動過程以及連掛質(zhì)量檢測操作，實現(xiàn)連掛過程的可控性；性能仿真實驗用于分析車鉤在不同速度等級下的車鉤性能，實現(xiàn)性能測試操作、多工況碰撞仿真和拉伸強度應力應變分析[13]。

底層支撐技術開發(fā)是完成系統(tǒng)功能設計的基礎，用于支撐內(nèi)容交互功能的具體實現(xiàn)，開發(fā)人員根據(jù)系統(tǒng)用戶需求選擇合理的軟件進行設計，利用相應的軟件完成實體模型的創(chuàng)建與優(yōu)化、拉伸強度分析、動力學仿真分析、界面設計和程序邏輯控制等。

2 關鍵技術

2.1 模型優(yōu)化技術

綜合考慮系統(tǒng)對三維模型的精度要求以及性能的優(yōu)化程度，將車鉤、試驗臺等關鍵模型采用Creo4.0進行參數(shù)化建模，實驗室墻體、安全標識、門窗等則以多邊形(Polygon)建模為主的3Ds Max軟件建模[14]。在模型優(yōu)化過程中需將參數(shù)化建好的模型導入多邊形建模軟件中進行整合，由于3Ds Max具有其特有的實體功能，導入之后的模型不會自動生成三角面，在保證模型精度的條件下，需對轉(zhuǎn)變成可編輯多邊形后的模型進行減面處理、斷點焊接等優(yōu)化操作，其中要求盡可能保證穩(wěn)定型的四邊形。

為保證模型的逼真性，在導入虛擬場景前需要先對模型進行UV展開，使用專業(yè)貼圖繪制軟件Substance Painter完成貼圖制作。對不同要求的模型設置不同的貼圖和紋理，例如車鉤頭外表面，屬于鑄造件且材質(zhì)為鑄鐵，其表面的漆面相對其他金屬而言比較粗糙，進行紋理貼圖時其凹凸感較強。最終達到的車鉤效果如圖2所示。

2.2 多媒體信息處理技術

為增強虛擬仿真實驗的沉浸感，系統(tǒng)需添加音效，圖片、動畫、視頻等多媒體信息資源，其資源占用內(nèi)存較多，對硬件配置及網(wǎng)絡帶寬要求高。因此在發(fā)布之前對多媒體資源進行多級處理是保證正常開發(fā)的關鍵步驟之一，導入虛擬場景前對視頻、聲音、圖像等資源文件先采用格式工廠進行預處理，導入后的多媒體信息在Unity 3D中進行以下再處理操作：將圖片設為精靈(Spirit)格式以匹配對應的UI，音頻通過音頻源(AudioSource)進行處理，動畫進入動畫狀態(tài)機(Animation)中編輯，視頻則通過AVProVideo插件實現(xiàn)在虛擬環(huán)境的播放控制，同時生成的資源文件(StreamingAssets)可減少運行內(nèi)存[15]。

圖2 優(yōu)化后的車鉤模型

2.3 虛擬現(xiàn)實技術

VR技術是基于人機交互、網(wǎng)絡通信等技術發(fā)展的更高層次的仿真技術，具有的沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性等特點[16]，其常用來開發(fā)的引擎為Unity，強大的Unity引擎內(nèi)置聲音、視頻、碰撞器等多種組件，配合使用可以大幅度減少內(nèi)存的占用率，同時降低腳本程序的編寫難度，加快開發(fā)進程。在車鉤實驗中涉及的碰撞、變形、透明外殼等操作可以通過添加Unity引擎中不同性質(zhì)的組件得以實現(xiàn)，而不同的界面間的切換、點擊事件的控制、操作方式的選擇、實驗進程的調(diào)整等邏輯判斷可在Unity自帶的腳本編輯器(MonoDevelop)或VS(Microsoft Visual Studio)中進行腳本程序的編寫。應用NGUI創(chuàng)建UI交互界面，配合導入的3D模型、多媒體資源搭建數(shù)字化的三維虛擬場景[14]。基于Unity兼容性強的特點，本實驗系統(tǒng)可發(fā)布于多種平臺，實現(xiàn)網(wǎng)絡化與資源共享[17]。

3 車鉤虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)

3.1 虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)流程

車鉤虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 虛擬仿真實驗開發(fā)流程

通過參數(shù)化建模軟件創(chuàng)建和優(yōu)化好的車鉤、試驗臺等三維模型再進行兩條不同路徑的處理，一條是將車鉤以IGES格式分別導入有限元軟件ANSYS和動力學仿真軟件(Universal Mechanism,UM)中完成車鉤碰撞性能和拉伸強度性能仿真分析，將分析的數(shù)據(jù)通過SQL Server數(shù)據(jù)庫與VS建立聯(lián)系，通過腳本程序?qū)崿F(xiàn)虛擬場景中實驗數(shù)據(jù)的調(diào)用；另一條是將所有場景模型以IGES格式導入3Ds Max中重置UV并制作貼圖，再將其導入Unity 3D中完成虛擬場景的搭建。通過界面設計和程序控制實現(xiàn)內(nèi)容交互功能，最后將完整的實驗系統(tǒng)以WebGL打包部署到IIS上，結(jié)合教學要求進行用戶層級的網(wǎng)頁設計，最終實現(xiàn)動車組密接式車鉤虛擬仿真實驗的在線操作。實驗總體操作流程如圖4所示。

3.2 交互功能具體實現(xiàn)

系統(tǒng)利用Unity引擎整合模型及多媒體信息資源，模擬真實場景中車鉤實驗的操作步驟、操作方式、實驗現(xiàn)象等[18]，真實的還原現(xiàn)場車鉤的虛擬拆裝過程、不同連掛速度下的車鉤連掛過程、連掛實驗的操作過程、性能實驗的操作步驟及檢測操作等。

3.2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化

實驗中用戶可根據(jù)需要隨時查看車鉤內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)及其運動狀態(tài)，例如關閉球閥動作中，需要將遮擋球閥的蓋板進行透明，使球閥可見、可控，制作過程中采用透明度混合(AlphaBlend)方法控制模型在渲染時的透明通道，采用Unity 3d自己封裝的一個調(diào)用GG/HISL/GLSL的接口(ShaderLab)完成片段著色器(Fragment shaders)的編寫，實現(xiàn)模型半透明的效果，用程序設置零部件(添加了mesh collider控制器)半透明的觸發(fā)方式，通過射線檢測(physics linecast)實現(xiàn)鼠標單擊對應模型時該模型半透明顯示，當重復單擊同一個模型時對應模型材質(zhì)還原。最終可實現(xiàn)如圖5所示的車鉤頭內(nèi)部可視化的效果。

3.2.2 實驗操作規(guī)范化實現(xiàn)

實驗各流程嚴格按對應操作手冊中規(guī)定的步驟依次進行，主要是通過C#腳本程序?qū)崿F(xiàn)，將創(chuàng)建的腳本程序分別綁定到不同的操作對象上，使其在各自的生命周期中運行，執(zhí)行的順序由對應事件函數(shù)和觸發(fā)機制確定。如圖6所示為卡環(huán)聯(lián)接裝置拆卸的控制流程。

程序中邏輯判斷的對象主要是虛擬場景中交互操作的反饋結(jié)果。碰撞檢測的過程是射線與添加碰撞器Collider的物體發(fā)生碰撞后獲得反饋的過程，其中射線是一條由主相機(Main Camera)到鼠標的光標坐標發(fā)射的無終點直線。

3.2.3 三態(tài)原理動態(tài)展示

車鉤三態(tài)原理的動作過程以動畫形式展示，通過3Ds Max中IK解算器(IK Solver)和HD解算器(HD Solver)分別定義車鉤內(nèi)部不同零部件間運動關系，給對應末端效應器制作動畫，同時配合幀動畫做細微調(diào)整，達到最佳動態(tài)效果。以閉鎖過程為例，先確定鉤板、連桿等構(gòu)件間運動關系，鏈接構(gòu)件間的父子關系，在設置面板中定義約束關系及拉簧的剛度，在軌跡視圖-曲線編輯器(Track View-Curve Editor)面板中制作動畫，將導入Unity 3D后的連續(xù)動畫幀根據(jù)需求分解成多個片段，由可視化的Animator編輯器管理多個動畫狀態(tài)的切換，實現(xiàn)閉鎖過程的可控性。

圖4 實驗總體操作流程

圖5 車鉤頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 卡環(huán)聯(lián)接裝置拆卸控制流程

3.2.4 連掛質(zhì)量測試效果實現(xiàn)

在密接式車鉤綜合性能試驗臺上對車鉤進行連掛測試，主要從機、電、氣三方面進行車鉤連掛質(zhì)量檢測，需要表現(xiàn)出電流以及氣流連接后的路徑情況，操作過程由程序邏輯控制，表現(xiàn)形式主要利用粒子系統(tǒng)(Particle System)實現(xiàn)。通過粒子特效(Particle Effect)窗口編輯仿真過程，在Particle System組件屬性面板下的發(fā)射(Emission)、形狀(Shape)、渲染(Renderer)等控制類模塊中設置粒子顏色、密度、形狀、生命周期等狀態(tài)參數(shù)，配合粒子系統(tǒng)曲線編輯器(Particle System Curves Fditor)模擬出電路中電流的流向。如圖7所示為MRP的風管接頭接通后的氣路特效。

圖7 MRP的風管氣路特效

3.2.5 性能仿真操作的實現(xiàn)

在虛擬場景中主要模擬性能實驗的操作流程，其仿真計算主要在專業(yè)的數(shù)值仿真軟件UM、和Ansys中，本系統(tǒng)主要通過SQL Server數(shù)據(jù)庫存儲仿真分析結(jié)果，在Visual Studio中利用程序調(diào)用仿真結(jié)果，將其用于虛擬場景中的結(jié)果顯示及分析，實現(xiàn)虛擬場景中的操作步驟與數(shù)值仿真軟件分析結(jié)果的一一對應。性能仿真操作界面如圖8所示，其中①為步驟提示面板，②為參數(shù)輸入及結(jié)果顯示面板，目前顯示的是在5 km/h連掛速度下的碰撞力隨時間變化曲線(F-t曲線)，③為虛擬實驗場景。

圖8 性能仿真操作界面(虛擬場景)

3.2.6 實驗操作計分功能的實現(xiàn)

實驗操作分值采用累加制計算。需先對需要計分的操作步驟按順序定義序列號以及相應的分值，將其存儲于數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)會自動記錄用戶的每個操作情況，但在計分程序中只會記錄對應序列號所對應的操作步驟，并根據(jù)操作中檢測到的結(jié)果與數(shù)據(jù)庫中序號和分值進行對比，相同則累加相應分值，反之不計分，最終系統(tǒng)在用戶點擊提交按鈕之后將總操作分自動記錄在實驗報告中。

4 系統(tǒng)調(diào)試與發(fā)布

系統(tǒng)調(diào)試可分為發(fā)布前的引擎調(diào)試和發(fā)布后的平臺直接運行功能調(diào)試兩個階段，前者在系統(tǒng)運行中通過控制臺(Console)面板檢測腳本出現(xiàn)的邏輯錯誤，系統(tǒng)將執(zhí)行的每條程序的輸出結(jié)果、耗費時間、警告和錯誤原因和數(shù)量等信息顯示在Console面板中；后者在運行發(fā)布的系統(tǒng)，與預估結(jié)果進行對比，檢測不同平臺間的兼容性問題和發(fā)布過程中參數(shù)設置產(chǎn)生的影響。調(diào)試中Unity的性能分析面板(Profiler)提供了在編輯器外部運行時系統(tǒng)的運行性能參數(shù)，設計人員可根據(jù)其運行測試結(jié)果優(yōu)化所開發(fā)的系統(tǒng)，減少資源占用。

基于B/S架構(gòu)，用戶可通過瀏覽器運行發(fā)布后的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)資源共享且不受時空限制[19]。系統(tǒng)以Web GL發(fā)布，導出后的Release、TemplateData 文件夾和一個index.html文件打包部署到IIS上，建立服務器后通過服務器地址進行訪問，用戶可根據(jù)得到的網(wǎng)址鏈接進入對系統(tǒng)進行在線操做。通過SendMessage()和Application.External- Call()兩種方式實現(xiàn)WebGL和ASP.NET的交互。經(jīng)設計過后的系統(tǒng)網(wǎng)頁如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)網(wǎng)頁平臺發(fā)布

5 結(jié) 語

動車組密接式車鉤虛擬仿真實驗系統(tǒng)利用VR技術和仿真分析軟件真實還原了車鉤試驗的操作步驟及方法，使學生能在不受時空限制的虛擬環(huán)境中完成車鉤的拆裝、連掛、性能仿真實驗，由淺至深逐步引導學生學習動車組密接式車鉤結(jié)構(gòu)組成、三態(tài)原理、連掛力學特性等專業(yè)知識。相對傳統(tǒng)觀摩式的實訓而言，系統(tǒng)全面涵蓋了密接式車鉤的重點和難點，有效的培養(yǎng)了學生的動手實踐能力，在實驗教學領域有較高的應用價值。