基于虛擬現實的列車電氣仿真系統設計與開發

高家濤 方宇 胡定玉 宋小廣 丁亞琦

摘 要：地鐵列車電氣系統的維保工作日益顯要，亟需開發出高效、實用性強的列車電氣仿真系統。針對列車電氣仿真的難題，設計一套基于虛擬現實技術的列車電氣仿真系統。首先利用Creo軟件，建立地鐵列車模型;然后，利用3DMAX軟件制作動畫，演示列車電氣系統的工作原理和動作過程;最后，利用unity 3D軟件，建立人機交互機制，實現現場感和真實感。此系統實現了對地鐵列車電氣系統的知識學習、學員考核、原理展示以及故障檢修等功能，彌補了現有列車電氣系統的不足。

關鍵詞：虛擬現實;地鐵列車;電氣系統;模擬仿真

文章編號：2095-2163（2019）04-0154-05 中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A

0 引 言

軌道交通以承載客流量大、速度快、安全性高等優勢，成為各大城市緩解交通出行壓力問題的良好方案，而且其發展正逐漸由建設期過渡為運維期，檢修與維護的重要性日趨凸顯。同時，列車電氣系統相關的檢修以及維護也顯得尤為重要，因其能否安全穩定運行將直接關系到整個地鐵列車系統的運行質量與水平。現代化多媒體高端技術的不斷涌現給電路系統仿真提供了便利。

現有地鐵列車電氣系統的學習和展示方式有2種。對此可做探討表述如下。

（1）是電氣系統二維電路圖，這樣的電路圖，無論是基于紙質版、還是基于電子版，都是一種死板復雜的方式，僅能看到密密麻麻的直線和各種元器件的電路符號，是一種較為原始的電氣系統表現方式，無法直觀地表現出電路布線和元器件在列車上的具體位置，對電氣系統電路展示和列車維保人員電氣系統檢修的培訓都十分不便。

（2）是基于計算機的二維電氣系統仿真軟件，這是一種較為先進的電氣系統展示方式，可以靈活地展示電流走向，但是這種二維電氣系統仿真軟件，沒有空間即視感，在二維觀念下無法與現實地鐵列車電氣系統相匹配。現有電氣系統展示形式存在諸多弊端，也已然難以滿足地鐵公司的員工培訓和電氣故障檢修的配合工作。

目前，國內外對列車電氣系統的虛擬現實仿真的研究較少，大多都是對其運行特性進行數據形式的仿真，例如，中國中車中央研究院的王晗教授，針對高速列車的電氣系統的運行特性，搭建了一套綜合仿真平臺[1]，但未涉及電氣系統電氣線路排布和電流走向等仿真。本文將運用虛擬現實技術，以電氣系統在真實地鐵列車的排布以及工作原理和動作過程為依據，進行模擬仿真，設計一套基于虛擬現實的列車電氣仿真系統。本系統真實模擬地鐵列車，將電氣系統排布在列車車體內，增強立體感，方便學員學習和觀察，了解電路在車體內的排布位置，也方便電氣系統排故參考和指導。

1 虛擬現實

1.1 虛擬現實技術簡介

虛擬現實技術（Virtual Reality），簡稱VR 技術，主要是借助于計算機生成三維虛擬空間，對現實環境進行模擬，通過多種信息的融合與交互，達到對聽覺、視覺以及觸覺等多方面感官的模擬，產生一種身臨其境之感[2]。借助于數字頭盔、數字手套等多種數字化設備，使模擬環境更為逼真地貼近現實，從而獲得更好的人機交互體驗[3]。

1.2 虛擬現實技術特性及優勢

虛擬現實技術有三大特性，對其闡述如下。

（1）沉浸感。利用場景和情節設定等，結合人類的感官特點，構造一個逼真的虛擬環境，使人沉浸其中，獲得身臨其境的感覺。

（2）交互性。虛擬環境里物體會與用戶的肢體活動產生互動，使用戶和虛擬世界之間建立起有趣的聯系，實現更為直接有效的人機交互作用。

（3）構想性。在有限的空間內營造豐富的真實化場景，籌建一個充滿想象的空間，用戶能夠在系統配置的定性和定量的環境下進行合理性的發掘，提升科學認識，拓展思維想象[4]。

虛擬現實技術最大的優勢就是逼真地模擬真實場景，突破時空限制，以沉浸感增強信息的傳播效率，以交互性調動用戶的積極性，以構想性增加用戶的趣味性[3]。虛擬現實技術有效地解決了很多不便于現場實施的難題，廣泛應用于航空航天、醫學研究、珍貴文物展示等領域。

2 列車電氣仿真系統架構

列車電氣仿真系統主要目的是供客戶、學員等人群來瀏覽和考察列車的電氣系統，以及學習和研究列車電氣系統的工作原理和動作過程，另外，還將涉及對列車電器系統的故障模擬和檢修等。基于此，研究得到的本電氣系統功能架構如圖1所示。由圖1可知，對該系統功能架構可做闡釋解析如下。

（1）展示功能：可以向觀眾展示列車電氣系統的工作原理和動作過程，可以自由選擇展示的分支系統，靈活切換全景展示和部分展示，方便觀眾察看細節。

（2）學習功能：學員可以自由學習電路工作原理和結構構造等相關知識，進行虛擬演示。根據自身學習情況切換成自己在理解和掌握上仍顯薄弱的分支系統，不受無關電路系統的干擾。

（3）培訓功能：可以借助該系統對新增學員進行培訓，打破時空的限制，遠離檢修現場，通過模擬現實故障檢測與維修訓練等，在虛擬訓練中使學員輕松掌握基礎的檢修技術。

（4）考核功能：在虛擬電氣系統中，隨意設置故障點、故障模式等，要求找出故障點和故障原因，并排除故障，進行故障檢修考核。學員可以隨時開啟自我考察，檢驗自己的學習效果，對學習內容進行鞏固和消化。

（5）檢修功能：可以對現場的檢修方案和檢修計劃進行推演驗證，配合現場的故障檢修。

為實現這些功能，該系統中進一步設置了控制命令，詳見如下。

（1）系統分支選擇（系統全示）命令：選擇目標分支系統，將目標分支獨立出來（全景顯示整體列車/電氣系統）。

（2）消隱（顯示）命令：把目標以外的東西消隱（顯示），方便看清楚存有疑惑目標的結構、動態關系等信息。

（3）凍結（解凍）命令：表示所選部位故障（正常），無法正常工作（能夠正常工作）。