基于Unity3D 的虛擬現(xiàn)實技術在轉(zhuǎn)轍機三維仿真培訓系統(tǒng)中的應用研究

張贏

（中國鐵路呼和浩特局集團有限公司科學技術研究所 內(nèi)蒙古呼和浩特 010052）

1 引言

隨著我國高速鐵路大量建設和快速發(fā)展，S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機已被廣泛應用于全國高鐵線路、客運專線車站。因此，該設備能否無故障安全運行直接關系著鐵路運輸生產(chǎn)安全，這就要求現(xiàn)場維護和檢修職工必須對該類型轉(zhuǎn)轍機專業(yè)知識掌握的非常熟練，必須具有很強的上手操作能力。然而，培訓基地難以同時滿足職工對上手操作演練的需求，教學中理論與現(xiàn)場實踐對接不暢。基于上述原因，本文提出運用虛擬現(xiàn)實技術，利用Unity3D 引擎開發(fā)平臺設計研發(fā)具有環(huán)境交互、機械原理動畫演示、考核比賽等功能的S700K 電動轉(zhuǎn)轍機三維仿真培訓系統(tǒng)以解決培訓教學和實驗教學中理論與現(xiàn)場實踐對接不暢，培訓學習效果不佳等難題。

虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，簡稱VR）其基本實現(xiàn)方式是計算機模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。虛擬現(xiàn)實技術的快速發(fā)展使得三維仿真培訓教學變成了現(xiàn)實，解決了培訓學員未能理論與實踐相結(jié)合，培訓教學效果不明顯的問題。本文通過對S700K 電動轉(zhuǎn)轍機結(jié)構(gòu)分析，運用3DsMax 軟件制作三維模型及相關動畫，利用Unity3D 引擎開發(fā)平臺設計研發(fā)三維仿真培訓教學系統(tǒng)。此類型系統(tǒng)能夠為培訓學員提供虛擬現(xiàn)實的培訓場景以及操作說明，使得培訓學員能夠快速地掌握設備操作流程等標準化作業(yè)，避免了操作不當導致人員受傷或設備零件損壞，而且該系統(tǒng)可以反復學習使用、不受地域和時間限制、安全可靠、實際交互性強，受到越來越多的鐵路企業(yè)和鐵路高職院校的青睞。

2 S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機三維仿真培訓系統(tǒng)整體框架

S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機三維仿真培訓系統(tǒng)使用3DsMax 創(chuàng)建模型，利用Unity3D 引擎為開發(fā)平臺，運用C#語言編寫控制腳本實現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機整體順序拆裝演示，以及部分零部件的單獨拆裝演示等功能。運用數(shù)據(jù)庫技術實現(xiàn)培訓學員學習后的考核測評和學員之間的專業(yè)知識比賽功能。系統(tǒng)整體層次框架圖，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體層次框架圖

3 S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機三維仿真培訓系統(tǒng)開發(fā)流程

本三維仿真培訓系統(tǒng)的開發(fā)是為了滿足鐵路培訓職工熟練掌握S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機的機械結(jié)構(gòu)，熟知該型號轉(zhuǎn)轍機的動作原理以及實現(xiàn)交互式的按順序拆卸和安裝。特別是對培訓電務系統(tǒng)新入路職工動手實踐能力、提高工程意識、增強學習熱情具有重要的意義。根據(jù)S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機三維仿真培訓系統(tǒng)按照現(xiàn)場實際調(diào)研以及實際需求的不同，設計了不同的功能模塊，從而實現(xiàn)該型號轉(zhuǎn)轍機的培訓教學任務。具體開發(fā)流程如下：

（1）參考營口東站S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機及道岔外鎖閉裝置以及相關現(xiàn)場場景，進行1:1 的三維場景的建立。將制作好的整體三維模型導入Unity3D 引擎開發(fā)平臺，進行虛擬現(xiàn)實場景環(huán)境交互的建立；

（2）通過編寫C#腳本實現(xiàn)系統(tǒng)界面交互、系統(tǒng)三維場景交互、系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的通信；

（3）通過Unity3D 引擎開發(fā)平臺將系統(tǒng)發(fā)布到PC 桌面展示。該系統(tǒng)開發(fā)流程，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

3.1 三維模型建立與導入

S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機三維仿真培訓系統(tǒng)對模型的要求較高，而且也是本系統(tǒng)開發(fā)的重點和難點，通常采取依據(jù)CAD 圖紙和物體實際圖片進行建模。Unity3D 作為虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎軟件，它的三維建模功能較弱只能構(gòu)建基礎三維模型體，對于用來制作轉(zhuǎn)轍機設備之類的復雜精細模型并不合適。因此，本系統(tǒng)運用3DsMax 三維建模軟件進行模型制作，該建模軟件具有強大的建模工具和材質(zhì)貼圖調(diào)整功能，其制作出的三維模型逼真。3DsMax 中建立的道岔及轉(zhuǎn)轍機聯(lián)結(jié)模型如圖3 所示。

圖3 3DsMax 中道岔及轉(zhuǎn)轍機聯(lián)結(jié)模型圖

下面以S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機為例，介紹建立三維模型導入過程。S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機其整體包含了多個形狀復雜的零件，因此，在制作模型的過程中確保真實性的前提下，對所建立的模型進行合理優(yōu)化設計，避免因模型數(shù)據(jù)量過大導致數(shù)據(jù)溢出影響整個系統(tǒng)環(huán)境的運行效率，導致體驗效果不佳等問題。本文通過運用3DsMax 三維建模軟件對該型轉(zhuǎn)轍機三維模型的總面數(shù)進行優(yōu)化，將模型中看不到的點、線、面進行刪除優(yōu)化等操作，精簡模型量，同時利用PS 軟件對模型所用到的貼圖進行修正、美化等處理，使得該型號電動轉(zhuǎn)轍機整體三維模型更加具有現(xiàn)實的真實感和逼真感。導出Unity3D 支持的FBX格式文件，導入成功的S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機三維模型，如圖4 所示。

圖4 導入后S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機的三維模型

3.2 相關動畫的添加

將已經(jīng)制作好的三維模型導出.FBX 文件，然后將此類型文件導入Unity3D 軟件中，通過Unity3D引擎自帶的動畫編輯器，運用C#語言編寫腳本程序文件實現(xiàn)S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機的“爆炸”動畫效果、轉(zhuǎn)轍機各零件單獨展示與拆卸、道岔與轉(zhuǎn)轍機聯(lián)結(jié)動作、轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部傳動動作等相關動畫的演示。

3.2.1 S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機零件查看與結(jié)構(gòu)分析

零件的查看與機械結(jié)構(gòu)分析主要是使培訓職工對S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機的零件及其結(jié)構(gòu)有更加直觀的認識和具體的了解。對于剛接觸轉(zhuǎn)轍機受訓學員而言，增加單獨零件的機械結(jié)構(gòu)進行了解和分析，有助于提高受訓職工對整體設備結(jié)構(gòu)的認識和理解，從而提高學習興趣和工程實踐意識。通過添加“爆炸”圖并控制轉(zhuǎn)轍機各個零件的Transform.renderer.enabled 屬性，可以實現(xiàn)零件隱藏和顯示機械結(jié)構(gòu)。S700K型電動轉(zhuǎn)轍機“爆炸”圖，如圖5 所示。

圖5 S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機“爆炸”圖

3.2.2 系統(tǒng)交互腳本的設計

三維仿真系統(tǒng)中實現(xiàn)S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機的拆卸與安裝以及機械動作原理等功能，必須要符合現(xiàn)場實際的邏輯順序。因此，要在交互式操作過程中添加邏輯順序判斷功能，使得整個交互過程具有動態(tài)性和邏輯控制性，因此使用C# 進行交互腳本進行相關開發(fā)和設計，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)轍機模型的多角度展示，編寫C#的MouseView.cs 腳本實現(xiàn)鼠標滾輪縮放、旋轉(zhuǎn)、拖動等功能。S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機三維仿真系統(tǒng)中轉(zhuǎn)轍機拆裝流程圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)中轉(zhuǎn)轍機拆裝流程圖

3.2.3 系統(tǒng)環(huán)境的交互設置

為了增加培訓教學的趣味性，使虛擬場景更加生動，該三維仿真系統(tǒng)設計了對虛擬環(huán)境的交互設置，其中包括模塊中的背景音樂、背景顏色及三維模型貼圖等。系統(tǒng)中的背景顏色的變化是通過改變相機的背景顏色屬性實現(xiàn)的，而背景貼圖是通過改變天空盒貼圖來實現(xiàn)的，在虛擬場景中提前添加音樂播放組件，實現(xiàn)了背景音效的播放與關閉。在整個程序中通過控制音樂播放組件的播放、停止或暫停，從而控制背景音效。

3.3 系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫的設計

S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機三維仿真培訓系統(tǒng)中，設計了培訓學員考核和參加比賽的功能。因此數(shù)據(jù)庫存儲參加考核和比賽人員信息、管理人員信息以及比賽結(jié)果等數(shù)據(jù)。本文利用SQL Serves 5.5 為數(shù)據(jù)的管理和開發(fā)基礎，以C# 腳本實現(xiàn)與Unity3D 中數(shù)據(jù)通信。例如：Unity3D 引擎中的參加比賽考核人員的基本信息在數(shù)據(jù)庫中都有對應的ID，并按照一定的分組形式在數(shù)據(jù)庫中以數(shù)組的形式存儲與讀取，方便系統(tǒng)快速讀取并將參加考核或者比賽人員的信息通過數(shù)據(jù)通信在Unity3D 交互界面實時顯示。

3.4 三維仿真系統(tǒng)的建構(gòu)

本三維模擬仿真培訓系統(tǒng)以Unity3D 自帶工具制作系統(tǒng)界面，其中理論教學模塊主要包括系統(tǒng)概述、結(jié)構(gòu)分解、電路原理、機械原理四個模塊構(gòu)成。以系統(tǒng)概述為例，該模塊主要為S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機基本結(jié)構(gòu)介紹、技術參數(shù)介紹等。結(jié)構(gòu)分解模板塊為S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機零部件設計對每個零部件單獨結(jié)構(gòu)介紹和結(jié)構(gòu)分解、組合功能，保持聯(lián)結(jié)器的單獨結(jié)構(gòu)介紹和分解，如圖7 所示。

圖7 保持聯(lián)結(jié)器的單獨介紹和分解效果圖

4 結(jié)語

S700K 型電動轉(zhuǎn)轍機仿真培訓系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)培訓教學過程中教學手法單一、現(xiàn)場實驗成本較高、部分設備不易拆卸等問題，而且為傳統(tǒng)培訓教學方式提供了新思路。本系統(tǒng)已經(jīng)完成了成果轉(zhuǎn)化過程，形成了產(chǎn)品。該培訓系統(tǒng)已經(jīng)應用到廣鐵集團衡陽電務段、包頭電務段、呼和職工培訓基地以及各鐵路局均有試用和應用，它提升了培訓人員業(yè)務素質(zhì)，切實解決教學中理論與現(xiàn)場實踐、實操對接不暢問題。它開啟了新的培訓教學模式，為改革現(xiàn)有培訓教學與實驗教學模式提供新思路，不僅為推動鐵路科技創(chuàng)新、技術培訓、安全培訓提供了強有力的技術支撐，更為鐵路運輸安全和發(fā)展做出貢獻，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟和社會效益。