趙峰

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司 機械動力與環(huán)境工程研究院，天津 300308）

0 引言

建筑信息模型（BIM）技術(shù)具有可視化、協(xié)同性、仿真性等優(yōu)勢特點，可有效應(yīng)用于建設(shè)項目全生命周期設(shè)計建造與運維管理［1-3］。虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)集計算機、電子信息、仿真技術(shù)于一體，其基本實現(xiàn)方式是通過計算機虛擬真實的物理場景，通過VR設(shè)備與虛擬場景互動，讓用戶以身臨其境的方式體驗虛擬世界。BIM+VR技術(shù)已在建筑、電力、煤炭、汽車等行業(yè)的虛擬培訓(xùn)中得到較廣泛應(yīng)用［4-12］，并取得良好的應(yīng)用效果。但是，其應(yīng)用主要集中在VR漫游展示和虛擬培訓(xùn)環(huán)節(jié)，缺少培訓(xùn)考核評價環(huán)節(jié)，且可視化場景效果不佳、交互性差。

動車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)作為動車組檢修作業(yè)的關(guān)鍵性管理系統(tǒng)，主要包括PLC網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng)、計算機控制與顯示子系統(tǒng)、門禁控制子系統(tǒng)、色燈信號引導(dǎo)子系統(tǒng)、安全警示子系統(tǒng)和視頻監(jiān)視子系統(tǒng)6個部分。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、邏輯性強，對檢修人員技能要求高。傳統(tǒng)的動車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)培訓(xùn)方式主要借助邏輯原理圖和大量文字材料講解，培訓(xùn)效率低、效果差、人力成本高，且存在因檢修人員誤操作造成人員、設(shè)備損傷的風(fēng)險。因此，提出基于BIM+VR技術(shù)開展動車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)虛擬培訓(xùn)平臺研究，開發(fā)實現(xiàn)虛擬培訓(xùn)和考核評價功能，提高運維技術(shù)人員的培訓(xùn)效率和效果，進而提高動車所運維管理水平。

1 平臺場景搭建

1.1 建立模型

基于Dassault+Revit軟件組合方案，建立站場、軌道、建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、動車、給排水、接觸網(wǎng)、電力、通信、信息、信號等專業(yè)的高精度BIM模型，在Dassault平臺整合并開展碰撞優(yōu)化設(shè)計，最后針對動車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)虛擬培訓(xùn)需求，開展安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)、檢查庫標識標牌系統(tǒng)BIM深化設(shè)計。BIM建模工作流程示意見圖1。

圖1 BIM建模工作流程示意圖

1.2 導(dǎo)入Unity3D

首先將動車所優(yōu)化、深化后的BIM模型，分區(qū)域、分專業(yè)通過STEP格式導(dǎo)入3ds max，然后在3ds max中進行優(yōu)化（如減面等輕量化處理、材質(zhì)貼圖等模型渲染），最后將BIM模型通過FBX格式導(dǎo)入Unity3D，實現(xiàn)三維可視化場景搭建。其具體工作流程見圖2。

圖2 BIM模型導(dǎo)入Unity3D工作流程

2 平臺設(shè)計

2.1 設(shè)計目標

基于C#及Unity3D引擎，開發(fā)動車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)虛擬培訓(xùn)平臺，為用戶提供整潔、美觀的UI界面，并通過Unity3D渲染出高仿真三維場景，為用戶提供更好的沉浸式體驗。最終實現(xiàn)基于安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)（包括作業(yè)安全聯(lián)鎖監(jiān)控子系統(tǒng)和作業(yè)評價管理子系統(tǒng)）業(yè)務(wù)操作流程的一套完整的虛擬培訓(xùn)和考核評價機制，大幅提升技術(shù)人員的培訓(xùn)效率和效果。

2.2 整體框架設(shè)計

平臺由UI界面層、平臺功能層、平臺開發(fā)層、資源加載層及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層構(gòu)成（見圖3）。

圖3 平臺整體架構(gòu)

（1）UI界面層：主要對界面進行管理，包括用戶登錄、科目選擇、成績查詢、任務(wù)對話和動畫彈窗等界面；

（2）平臺功能層：主要包括任務(wù)添加、練習(xí)操作、考核操作、音頻播報和事件注冊等模塊；

（3）平臺開發(fā)層：實現(xiàn)各種交互事件，包括模型格式轉(zhuǎn)換、場景開發(fā)、程序開發(fā)等；

（4）資源加載層：對UI資源、模型緩存等進行統(tǒng)一管理，主要實現(xiàn)資源加載和卸載；

（5）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層：主要對BIM模型數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、成績詳情及場景中用到的對話內(nèi)容和人物角色名稱的存儲和解析。

2.3 界面設(shè)計

平臺界面包括登錄注冊、科目選擇和加載等界面，主要基于易用性、美觀性、協(xié)調(diào)性與獨特性的界面設(shè)計原則，開展平臺界面設(shè)計（見圖4）。

圖4 界面設(shè)計

3 主要功能

3.1 三維全景虛擬可視化展示

針對BIM模型搭建的可視化場景進行場景渲染，保證與現(xiàn)場實際操作環(huán)境一致，提升人員的虛擬體驗效果。場景渲染主要包括：

（1）燈光設(shè)置：在場景里面添加適當?shù)臒艄夤庠?，如環(huán)境光、室內(nèi)點光源等；

（2）場景烘焙：對場景模型進行設(shè)置，不需要交互的物體統(tǒng)一設(shè)置為靜態(tài)，進行烘焙參數(shù)設(shè)置，烘焙出貼圖；

（3）檢查模型設(shè)置：對模型屬性面板進行設(shè)置，對有需要的模型生成光照貼圖UV或法線；

（4）動態(tài)加載：由于場景過于復(fù)雜，對動車所檢查庫內(nèi)的三層檢修作業(yè)平臺（簡稱三層平臺）等進行切割，必要時單獨加載。場景渲染效果見圖5。

圖5 場景渲染效果

3.2 分場景功能

為滿足業(yè)務(wù)需求，將整個三維場景劃分為多個分場景，每個分場景的操作流程以任務(wù)形式不斷進行下去，當前任務(wù)完成才能進入下個任務(wù)，全部任務(wù)完成切換下個分場景，然后重新注入任務(wù)，直至訓(xùn)練考核結(jié)束。隔離開關(guān)分閘操作分場景示意見圖6。

圖6 隔離開關(guān)分閘操作分場景示意圖

3.3 場景漫游功能

場景漫游分為瞬移和行走2部分，通過左手柄的Trigger控制選擇當前場景下適合使用哪種漫游方式，如在地面漫游可選擇行走，當準備上三層平臺時，可切換至瞬移模式，即可看到從手柄發(fā)射1條曲線，曲線落地位置即瞬移到達位置，并可通過移動手柄改變曲線大小。

3.4 交互功能

交互事件主要分為以下2部分：

（1）在開發(fā)測試階段使用鍵盤和鼠標操作，通過給需要操作的物體添加碰撞盒子，再用鼠標點擊實現(xiàn)交互功能；

（2）開發(fā)結(jié)束后打包，通過HTC Vive設(shè)備的手柄發(fā)射射線，通過射線觸發(fā)操作物實現(xiàn)交互功能，交互后可觸發(fā)各種行為。

交互流程實現(xiàn)方式如下：

（1）為按鈕注冊一個或者多個回調(diào)事件，如模型移動、轉(zhuǎn)動、閃爍等；

（2）通過操作HTC Vive設(shè)備按下按鈕；

（3）觸發(fā)相應(yīng)的回調(diào)事件，可視化場景中模型發(fā)生相應(yīng)動作。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 碰撞檢測技術(shù)

碰撞檢測是模擬現(xiàn)實環(huán)境中物體之間是否發(fā)生接觸以及接觸后的本能反應(yīng)。該技術(shù)需要對設(shè)備、墻壁等添加合適的碰撞器。在Unity3D中，常用的碰撞器有盒碰撞器、球形碰撞器、膠囊碰撞器及網(wǎng)絡(luò)碰撞器等。碰撞檢測技術(shù)應(yīng)用示意見圖7。

圖7 碰撞檢測技術(shù)應(yīng)用示意圖

4.2 后處理外描邊技術(shù)

為提升虛擬培訓(xùn)效果，對動作模型進行外描邊，外描邊具體步驟為：添加1個額外模型，用來渲染描邊對象→將Render Target設(shè)置在1張預(yù)設(shè)Render Texture上→通過純色Shader處理，使Render Texture變?yōu)榧兩ㄟ^高斯模糊處理，使Render Texture模糊膨脹→與模糊前的Render Texture相減，得到輪廓圖→輪廓圖與原圖疊加，得到最終效果圖。后處理外描邊技術(shù)應(yīng)用示意見圖8。

圖8 后處理外描邊技術(shù)應(yīng)用示意圖

4.3 模型遮擋剔除技術(shù)

模型遮擋剔除技術(shù)是將整個場景分為大小不等的多個裁剪空間，渲染出視錐體范圍內(nèi)的物體，視錐體范圍外的以及被遮擋的物體會隱藏，不被渲染，大大提高了渲染效率。模型遮擋剔除技術(shù)應(yīng)用示意見圖9。

圖9 模型遮擋剔除技術(shù)應(yīng)用示意圖

4.4 動畫模型制作技術(shù)

動畫模型主要包括Dotween動畫模型、幀動畫模型和代碼動畫模型3類：

（1）Dotween動畫模型：包括控制位移、顏色、透明度、大小的動畫，通過Dotween動畫插件制作，利用Dotween提供的API實現(xiàn)一些相應(yīng)功能，如在點擊按鈕時有一個位移操作，可通過Dotween插值進行按鈕位移等；

（2）幀動畫模型：幀動畫模型的制作和控制主要在Unity3D引擎里通過Animation完成，通過Animator動畫控制器可進行動畫的融合和播放，如動車出入庫動作模型等；

（3）代碼動畫模型：通過代碼編寫制作動畫模型，如爆閃燈動作模型等。

詳細的動畫模型分類示意見圖10。

圖10 動畫模型分類示意圖

5 結(jié)束語

《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》《智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0》等政策文件明確提出：“加快推進新一代信息技術(shù)與鐵路融合發(fā)展，建設(shè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、智慧化鐵路”。動車段、所作為“高鐵4S店”，是高速鐵路智能化、智慧化建設(shè)的先行者。針對動車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)傳統(tǒng)培訓(xùn)方式存在的諸多問題以及具體業(yè)務(wù)操作流程，基于BIM+VR技術(shù)，通過三維可視化場景搭建、平臺架構(gòu)和界面設(shè)計、功能設(shè)計以及C#腳本語言程序，開發(fā)搭建動車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)虛擬培訓(xùn)平臺。該平臺可通過VR設(shè)備和鼠標鍵盤2種交互模式，開展動車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)的虛擬培訓(xùn)和考核評價，有效提高培訓(xùn)效率和效果，幫助新晉從業(yè)人員快速掌握動車組檢修作業(yè)流程和應(yīng)急處置方法，實現(xiàn)專業(yè)化、規(guī)范化作業(yè)，杜絕誤操作，保障人身安全和動車組運行安全，提升動車所運營管理水平和服務(wù)質(zhì)量。