基于Unity3D的THDS設備檢修智能指導系統研究

劉瑞軍

（神華鐵路裝備有限任公司榆林車輛維修分公司 陜西省榆林市 719316）

虛擬現實技術屬于一種虛擬世界創建與體驗的計算機仿真系統，通過計算機直接生成對應的虛擬環境，再配合上多元化信息融合的模式，實體行為系統仿真以及交互式的三維動態視景，這樣就可以讓用戶完全沉浸于其中。隨著虛擬現實技術的不斷發展，讓原本的虛擬培訓逐漸變成現實，在石油氣化、航空航天等諸多領域之中得以應用，這樣也使得工作上崗之前的培訓變得越來越重要。但是傳統的培訓，則是通過動畫演示、理論學習和實際操作，導致其本身的理論學習無法與實踐相互結合起來，難以做到全面的培訓，也達不到理想的效果。

虛擬培訓，則是利用計算機所生成的三維虛擬環境，讓受訓人員能夠沉浸于虛擬環境下，完成相關知識的培訓和技能的學習，最終將培訓之中的問題解決。如在鐵路運輸新形式下，行車速度和編組輛數都已經大幅提高，紅外線軸溫探測系統的探測工作量明顯增加，因此對于紅外線系統的狀態維護就有了更高的要求。由于紅外線系統零件結構復雜，相應的故障形式多樣，種類繁多，且涉及多種硬件、信號和電路等諸多專業知識，對于故障的發現、處理帶了較大的困難。紅外線系統涵蓋硬件、軟件、網絡通訊等多個方面，因此其檢修工藝知識體量較大，且內容枯燥晦澀，不易理解。虛擬培訓可以讓受訓人員更加貼近于現實的虛擬場景，從而掌握相關設備的規范和流程，避免設備損壞、人員受傷的情況出現，并且在反復的學習與使用之后，其實際的交互性更強，進而受到企業的青睞與追捧。

圖1：系統整體層次框架圖

圖2：系統開發流程圖

圖3：導入后的機箱模型

Unity3D 屬于三維虛擬現實的開發軟件，是一個跨平臺發布、物理、網絡、腳本、著色器等全面進行整合的專業化游戲引擎。其本身不但可以滿足針對Open GL 與Di-rect X 的優化圖形渲染融到，同時還包含了內置NVIDIA 的PhyisX 物理引擎，這樣就可以讓其操作逼真感更強，同時，其本身能夠滿足多種腳本語言的支持，實現各種操作系統的兼容，最終在更多的三維場景開發之中得到廣泛的使用。

1 系統整體框架

THDS 設備檢修智能指導系統采用基于Unity3D 為開發平臺，與3D Max 相互結合起來建立模型。然后利用C#語言編寫控制腳本，最終就可以達成THDS 設備檢修教學和考核。利用數據庫技術完成THDS 設備的基本信息、檢修流程、檢修教學、評價考核等功能模塊，實現培訓練習，使得受訓人員對THDS 設備檢修進行全面的培訓。系統整體層次框架圖，如圖1所示。

2 系統開發流程

THDS 設備檢修智能指導系統是基于功能模塊的不同來針對性的進行設計，這樣就可以滿足培訓任務的要求，其開發流程為：

（1）基于對應場景三維模型和THDS 設備，通過模型導入平臺，然后建立場景。此外，針對設備的系統零件信息做好對應的整理，然后將其錄入到數據庫之中；

（2）利用C#腳本的編寫，最終就可以滿足場景之間的交互，從而實現數據庫與系統之間的通信需求；

（3）通過Unity3D 平臺，在PC 桌面上展示系統。系統開發流程，如圖2所示。

2.1 模型的建立及導入

THDS 設備檢修智能指導系統對模型的要求較高，通常采用CAD 圖紙和物體實際圖片進行建模。Unity3D 作為虛擬現實軟件其建模功能較弱，只能構建基礎的模型物體，對于THDS 設備之類模型與之不能相互的匹配。所以，在模型制作中就需要考慮到3D Max，tonggu8o 其建模工具以及材質貼圖調整等對應的功能，從而讓其本身更加具有表現力，擁有逼真的模型。

下面以機柜為例介紹模型的導入過程。整個輪對囊括的零件形狀相互復雜，所以，在實際制作中，真實性就是其基本的前提條件。對模型進行合理優化,避免模型數據量過大導致數據溢出影響THDS 設備檢修智能指導系統的運行效率,導致體驗效果始終無法滿足要求。通過3D Max 在進行優化處理，將其中無法觀看到的點線面進行刪除性的操作，這樣就可以實現模型的精簡，然后在相關場景之中導圖FBX 格式文件。導入成功的THDS 設備如圖3所示。

2.2 交互腳本設計

采用C#語言進行交互腳本的相關開發與設計。為了實現對THDS 設備模型的多角度展示,編寫C#的move.cs 腳本進行人物的移動使人可以從多角度,近距離的觀察零部件。為了實現THDS教學功能,利用Unity3D 引擎的Dotween 插件實現零件的位置變化。為了模擬真實的檢修過程,本研究中THDS 零件的運動采用Dotween 插件在腳本中設置零件運動前后的坐標位置,為物體設置合理的速度曲線,實現THDS 檢修過程中真實的運動軌跡。為了實現一些消耗品使用后消失的效果,通過編寫C#的Gameobject.active方法實現物體在使用結束后消失,此時可以模擬出THDS 設備檢修過程中的交互。將THDS 設備檢修的各零件和工具制作成預制體分類儲存到Profab 文件,利用C#的Instatiate 方法結合碰撞器完成在指定的位置添加指定的零件,實現THDS 檢修的交互。

2.3 信息數據庫設計

圖4：外探測溫板更換運動過程圖

THDS 設備檢修智能指導系統中，其存儲的數據包含了檢修的具體流程、故障出現的實際原因、故障處理的方式方法等。通過SQL Serves2010 作為管理和開發的基礎，再配合上C#腳本，就可以滿足數據的通信要求。如，針對其內部的故障信息，考核數據庫之中對應的信息，然后按照相應的分組形式，就可以滿足對于其存儲與讀取的要求，這樣有利于快速讀取系統，同時也能夠通過數據通信，實時呈現在Unity3D 交互界面中。

3 關鍵功能實現

3.1 THDS設備的檢修功能

THDS 設備故障種類繁多,檢查,維修過程復雜。為了能夠實現較為真實的工作過程,需要采用動畫表現能力強的方法來控制零件的平移、旋轉等動畫過程。本系統利用Unity3D 中的DoTween插件實現這些效果。該插件是一種功能強大的動畫效果編輯插件,使零件從一種狀態變換成另一種狀態時過度平滑,可以通過不同的動畫曲線表現出不同物體的運動速度的變化。將DoTween 插件導入Unity3D 中可以較好的完成零件的平移,旋轉等動畫過程。

3.1.1 零件的運動功能

零件的運動功能包括平移、旋轉等運動效果。通過DoTween.DOMove()和DoTween.DORotate()分別可實現對零件的平移和旋轉的運動視覺效果。另外,攝像機的過度轉場也需要用到DoTween.DORotate()將攝像機旋轉到正確的角度。這些代碼的使用方法類似。本文以零件的平移為例詳細介紹代碼。平移功能關鍵代碼顯示如下:

//當前零件要移動的終點以及所需的時間

Tweener tweener=transform.DOMove(TargctPosition,timer);

//物體的速度曲線

Tweener.SetEase(Ease.OutBounce);

//物體運動結束后觸發的事件

Tweener.OnComplete(OnTweenComplete);

// 動畫循環次數

Tweener.SetLoops(n);

圖5：識別安裝位置原理

利用該段代碼可以實現THDS 設備的零件從當前位置移動到所需的目標位置 ,可以完成虛擬檢修過程的交互。該方法通用性極強可以重復使用該方法用來檢查和維修THDS 設備及其他系統的零件。零件運動過程,如圖4所示。

3.2 THDS智能教學功能

THDS 智能教學是通過用使用鼠標選擇相應的零件選擇相對應的檢修操作，并實時監測操作是否正確，只有當操作正確時才能完成當前檢修步驟，在檢修過程中會實時的提醒檢修的流程。若操作不正確，則會彈出UI 提醒學員，直至學員完成檢修操作。在此過程中，人物相機的移動功能，識別操作及信息提示功能是該部分的技術關鍵。

3.2.1 人物的移動及信息提示功能

在THDS 設備檢修過程中,大部分的檢修過程都會利用鼠標將人物移動到對應位置按照提示完成檢修操作。為實現該功能需監聽鼠標點擊的物體的信息，并通過UI 將物體的信息顯示在屏幕上。當鼠標點擊該物體時，根據物體的類別來執行不同的方法，將人物視角移動到該物體面前或者對該物體進行檢修操作。核心代碼如下：

圖6：左右光子探頭互換步驟

3.2.2 識別操作的對錯

當學員選擇操作步驟時，系統會實時監測當前操作與標準作業流程是否相同，如果符合標準流程，將會執行當前步驟的監測動畫，并對當前檢測步驟的要點進行講解。識別操作的對錯的原理圖，如圖5所示。利用該方法實現對器件溫度故障的檢修為例。當學員選擇正確步驟時，彈出步驟講解，選擇錯誤時彈出操作錯誤，如圖6所示。

//判斷當前操作是否正確

If(dangqiancaizuo==operationType.HuHuanGuangZiTanTou){

//關掉操作界面

operationUI.SetActive(true)；

//打開步驟講解界面并播放講解音頻

explainUI.SetActive（true）；

explainaudio.play();}

//如果當前操作不正確

else{

打開錯誤提示

errorUI.SetActive(true);}}

4 結束語

總而言之，在交通軌道之中使用虛擬現實技術，其本身通過Unity3D 引擎開發出來的系統，其操作方便，交互性強，并且培訓全面，能夠打破傳統的束縛。使用DoTween 插件之后，最終就可以滿足其對應的檢修需求，從而通過數據庫來實現對于交互數據的管理需求，并且系統的開發界面變得更加的間接，動態操作效果明顯，很容易上手。通過多個操作學習模塊的應用之后，就可以讓培訓人員將理論學習與實踐操作之間相互結合起來，這樣就能夠滿足全面的培訓要求，同時這一個系統也為后續的維修檢修培訓、軌道交通制造生產等開辟出全新的方向，讓傳統的培訓擁有更新的思路與方向。