動車組輪對軸溫監測虛擬培訓系統開發*

徐笑瑩，馬思群，陶 然，李 健，段承鑫，史良宇(.大連交通大學機車車輛工程學院，遼寧 大連 608；.大連交通大學藝術學院，遼寧 大連 608；.中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 60；.北陸先端科學技術大學院大學知識科學系，能美市 日本)

0 引言

輪對軸承作為高速動車組重要的組成部件之一，其溫度的變化很大程度上影響著整個動車組的安全運行，因此鐵路行業以及高校紛紛針對相關工作人員和學生開展軸溫監測系統工作原理及檢修流程的培訓。

虛擬現實技術(Virtual Reality)，是指以計算機技術為核心、結合人工智能等相關技術，借助交互、運算和顯示設備，生成逼真的虛擬環境[1]。自虛擬現實概念提出以來，虛擬現實技術已經發展了半個多世紀，其在高速動車組方面已經有所應用，比如動車組虛擬檢修培訓系統及仿真[2]、動車組受電弓虛擬拆裝培訓系統[3]、設備吊裝虛擬仿真系統[4]等。

傳統方式下實現動車組軸溫監測系統的技術培訓僅能借助書本知識或者實物展示來進行，存在不便捷、耗資大、效率低等問題。開發一種基于虛擬現實技術的軸溫監測虛擬培訓系統，可將軸溫監測原理及檢修過程完整地展現在一個虛擬現實系統內，通過場景演示和人機交互達到便捷高效培訓的目的，有效地解決了傳統方式的弊端。

1 動車組軸溫監測系統構成及工作原理

動車組軸溫監測系統由Pt100鉑電阻傳感器、MVB總線和中央控制單元等多個部分組成，是一個集溫度監測、自動報警、實時數據采集與傳輸于一身的復雜系統，實現對輪對軸承溫度的實時監測，主要由測溫單元和主控單元兩部分構成。目前國內CRH型動車組大多采用車載型接觸式測溫裝置，軸溫傳感器采用雙通道Pt100傳感器，對軸承溫度進行監測并將采集到的溫度信號反饋給兩個不同的溫度采集模塊CompactPt100[5]，轉換成數字信號后由多功能車輛總線MVB每隔一段時間反饋至動車組CCU中央控制單元進行數據交換。中央控制單元將采集到的溫度數據存儲并處理后發布相應指令，并在人機顯示界面HMI顯示對應信息。

2 系統設計思想

2.1 系統結構框架

系統的結構框架分為三個層次，如圖1所示。通過用戶層、邏輯層和數據層整體的功能實現建立動車組輪對軸溫監測虛擬培訓系統。

圖1 系統結構框圖

1)用戶層通過硬件和軟件之間的交互實現Unity 3D系統的交互表現，系統可發布為沉浸式VR和桌面式VR，用戶可根據實際需求，使用不同的輸入輸出設備，達到不同的培訓效果。

2)邏輯層通過路徑規劃實現系統需求，是用戶層和數據層的橋梁。登錄系統后，主頁內包含虛擬檢修車間和動車組場景、軸溫監測系統流程展示、動車組運行狀態下實時軸溫監測和教學資源庫四個部分。

3)數據層是整個系統平臺的支撐，是用戶層與邏輯層運行的基礎，包含系統內的文件資源，例如動車組、維修車間、溫度傳感器等3D模型的數據信息，各零件、物體之間的邏輯約束關系數據，Unity 3D系統場景內光照、聲音、相機位置和角度等環境資源數據。

2.2 系統開發流程

1)明確系統結構，規劃系統功能：首先，明確系統的結構表達、人員培訓和信息查詢的需求，使用Axure RP快速創建系統原型，展示系統頁面信息架構和頁面之間交互流程與形式，預產出交互設計的靜態原型與動態原型。

2)模型構建及優化：根據照片、數據等信息利用CAD繪制維修車間和列車結構的平面圖紙，導入至3ds Max中作為三維建模的平面底圖基準。依據底圖和系統規劃構建三維模型，在完整表達模型結構的基礎上，精簡數據量。對于有交互需求的模型部分，著重構建其模型結構，保證交互過程的真實性。

3)系統功能實現：構建完成后的三維模型導出FBX文件至Unity 3D中進行系統開發，通過C#腳本撰寫，實現系統的功能，并添加圖像效果工具，烘托整體系統氛圍。

3 系統關鍵技術

3.1 LOD場景優化方法

本系統通過多細節層次技術(Levels ofDetial，LOD)提高系統畫面的渲染速度。LOD技術是一種以物體模型的節點在顯示環境中所處的位置和重要度決定物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數和細節度，從而獲得高效率渲染運算的場景優化技術[6]。

圖2 視角劃分示意圖

本文在傳統LOD技術中，添加視角范圍的約束條件。在虛擬現實系統中，用戶的視角范圍一般為90°，視點中心線45°范圍內為主要視角V0，兩側范圍為次要視角V1，處于主要視角范圍內的模型則視為重要物體，視角范圍劃分如圖2所示。

系統中視點與模型之間的距離為D，當近距離接觸模型時，視點處于D0范圍內，用戶可以清晰看到模型結構與細節，視覺效果逼真；處于D0與D1范圍之間時，可看到模型結構，但缺少細節；當視點處于D1范圍之外時，只能看到模型大致輪廓。按照用戶處于不同范圍，系統分別調用不同層次的模型，三個模型按照復雜程度從高到低分別命名為：Mod0、Mod1、Mod2。系統運行過程中調用的Mod與視點到模型之間的距離D和視點所處視角位置V之間的關系如式(1)：

(1)

通常構建LOD模型的方法主要有：細分法、采樣法和刪減法[7]，以本系統中的動車組輪對軸承部分模型為例，采用刪減法通過3ds Max軟件進行仿真構建，構建三種不同層級LOD模型，如圖3所示。

圖3 不同LOD層級模型對比

不同LOD層級對比如表1所示。將構建完成的三個LOD模型導入至Unity 3D中，即可通過在復雜場景下調用不同層次的模型進行場景性能優化的效果。

表1 不同LOD層級對比

續表1

3.2 改進的碰撞檢測算法

圖4 改進的碰撞檢測算法流程圖

在現有的碰撞檢測方法中，層次包圍盒法僅對包圍盒進行相交測試且包圍盒幾何特性簡單，與被檢測物體存在偏差，因此檢測精度相對較低；空間分解法把被測對象所在空間分割成若干個體積相等的小單元空間，只對占據同一單元空間或相鄰單元空間的對象進行相交檢測[8]，適用于對象較少且分布相對均勻的場景中，因此本系統采用一種二者混合的改進碰撞檢測方法，具體算法流程如圖4。

首先利用空間分解法劃分邊長為d的等體積正方體單元空間，快速確定與被測對象互為相鄰的對象，減少包圍盒的構建數量。具體實現方式為：以AABB包圍盒為例，假設其主對角線的線段端點分別為Q1(X1，Y1，Z1)、Q2(X2，Y2，Z2)，以一個三維坐標q1(x1，y1，z1)表示端點Q1所在的單元空間，該坐標可由式(2)得出：

x1=X1/d，y1=Y1/d，z1=Z1/d

(2)

則該對象所在空間可用q1和q2之間所有小單元空間的集合表示，占有集合中相同單元空間的其他對象與之互為相鄰對象。

確定存在相鄰對象后，采用優化后的混合層次包圍盒算法實現系統的碰撞檢測。該算法的核心為構造上層是AABB，下層是OBB的混合層次包圍盒樹結構，并實現其遍歷。包圍盒之間運算復雜度和碰撞檢測的速度取決于樹結構的遍歷方式，本文算法的遍歷方式為由上層至下層的深度遍歷，配合結構簡單的AABB上層結構和緊湊的OBB下層結構，既可以減少算法的運算量，迅速排除不相交的相鄰單元空間對象，又可以保障測試精度。算法中的部分代碼及功能如下：

void BVHCollide(CollisionResult *result，BTree a，BTree b)

{

if(!BVOverlap(a，b))return；//對兩根節點是否相交進行檢測

if(IsLeaf(a)&&IsLeaf(b))//檢測兩節點是否為葉子節點，

{

CollidePrimitives(result，a，b)；//判斷葉子節點是否碰撞

}

else

{

if(DescendA(a，b))//調用下降，由上至下

{

BVHCollide(a→left，b)；//相交測試子任務

BVHCollide(a→right，b)；

}

else

{

BVHCollide(a，b→left)；

BVHCollide(a，b→right)；

}

}

}

4 系統實現

本文系統利用LOD場景優化方法和改進的碰撞檢測算法，通過Unity 3D進行場景制作和交互設計。包含列車總線控制基礎和列車軸溫監測系統等相關理論內容，通過仿真模擬檢修車間和動車組場景，以沉浸式、多感知性和交互性的方式展示了動車組軸溫監測系統的基本原理。系統的主要功能如下：

1)漫游瀏覽：系統場景直觀地展示檢修車間和動車組內布局，用戶可選擇系統預設定路線自動漫游或自主瀏覽。漫游過程中，可選擇分層單獨展示檢修車間、車頭、車廂及內部軸溫監測設備等場景，方便高效了解檢修車間及動車組的構造，提升理論認知。

2)動車組軸溫監測流程：直觀地展示軸溫監測所需的硬件設施和列車總線信號傳輸的流程，通過顏色、材質、邊緣發光等效果突出結構特征，使復雜的信號傳輸過程表達的更加清晰。用戶通過點擊、縮放、拖曳、旋轉等交互方式，了解零部件等信息，如圖5所示。

圖5 系統軸溫監測原理界面

3)模擬動車組運行狀態下實時軸溫監測：模擬動車組運行過程中不同軸溫狀態下的實時信號傳輸過程，在司機駕駛室的HMI屏內，實時顯示不同車號的軸溫數值和溫度傳感器的狀態。

4)學習與訓練相結合：系統搭載的數據庫儲存視頻、文獻、題庫等教學資源，為課堂培訓提供更多的呈現模式。其中包含仿真實操練習和測試模塊，理論與實訓相結合，有效地鍛煉了用戶動手能力。

5 結論

針對現有軌道交通行業虛擬仿真培訓資源較為匱乏的現狀，本文提出了基于虛擬現實技術的動車組輪對軸溫監測培訓系統，并得到以下結論：

1)在傳統LOD算法的基礎上，提出了基于視點距離和視角范圍的LOD場景優化方法，通過Unity 3D內參數調節，證明了該方法具有較好的優化效果，并提升了系統的真實性和流暢性。

2)現有的基本碰撞檢測算法難以實現高質量的碰撞檢測，本系統中碰撞檢測采用空間分解法和混合層次包圍盒法相結合的改進碰撞檢測算法，通過實際應用于系統對象的碰撞檢測中可發現，該算法不僅保證了檢測精度，而且加快了檢測速度。

3)用戶可在不受時間和空間的限制下，快速理解并掌握軸溫監測系統流程，彌補了培訓方式的匱乏，為企業和學校降低培訓成本。