基于Unity3D 的高速動車組受電弓檢修事故虛擬演示系統

金英明，馬思群，叢 莉，陶 然，明志遠

（1.大連交通大學 機車車輛工程學院，大連 116028；2.大連交通大學 外國語學院，大連 116028；3.大連交通大學 藝術學院，大連 116028）

受電弓位于高速動車組車頂，在高速動車組運行時，受電弓升起與接觸網接觸，從接觸網上獲取電流，經過車輛上的變壓設備處理，傳遞到車輛的電氣系統[1]。受電弓是高速動車組的核心部件，同時，也是高速動車組故障率較高的部件。因此，高速動車組受電弓的檢修具有重要意義[2]。目前，針對受電弓的安全檢測主要有人工檢測、傳感器檢測和圖像檢測3 種途徑。其中，人工檢測需要在高速動車組入庫斷電后進行登頂操作，是常用的檢測手段[3]。

考慮到線路和高速動車組負載，受電弓上電壓最低為20 kV，受多種因素制約，工人在實際檢修過程中，如有操作不規范的情況，會顯著增加檢修的事故率。受電弓受電時的高電壓使得檢修人員面臨觸電危險。考慮到受電弓檢修事故的危害性大、不可復制等問題，本文以高速動車組受電弓檢修為背景，結合現實中的事故案例，利用虛擬現實技術的強交互性、強感知性[4]，研發高速動車組受電弓檢修事故虛擬演示系統，實現了事故展示、模擬演練等功能。

虛擬現實概念于1965 年被提出，是一種利用計算機制作環境，對現實事物進行還原，使用戶沉浸其中的技術[5-6]。Unity3D 是 由Unity Technologies 開發的，讓用戶輕松創建三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等互動內容的多平臺、綜合型游戲開發工具，是全面的、整合的專業游戲引擎。其具有可視化編程界面、高效腳本編輯、開發便捷等優點，支持Java Script、C#、Boo 腳本語言，廣泛應用于軍事與航天工業、室內設計、鐵路培訓等領域。

1 系統設計

1.1 系統功能

高速動車組受電弓檢修事故虛擬演示系統以減少檢修事故為目的，通過檢修事故的演示，結合虛擬現實技術的優點，讓使用者具有身臨其境的體驗，從而起到警示作用[7]。系統還可進行模擬演練，通過檢修的模擬仿真訓練，可使檢修工人更加熟練完成檢修工作，深入了解操作不規范所帶來的危害。同時，在系統中嵌入考核模塊，對檢修知識進行考核。系統的功能架構如圖1 所示。

圖1 系統功能架構

1.1.1 事故演示子系統

用戶可在事故演示子系統中觀看虛擬人物的檢修操作，了解檢修事故產生的原因及帶來的危害。由于虛擬現實技術仿真性強的優勢，高壓電觸電效果展示可給用戶帶來視覺沖擊，使其能更加深刻地意識到操作不規范所帶來的嚴重后果，從而提升培訓效果。

1.1.2 模擬演練

模擬演練子系統為用戶提供操作練習的機會，用戶通過設備上的按鍵與模擬場景進行交互，以第一視角進行控制，模擬視角移動、視角旋轉、檢修等行為。為使用戶能更加深刻地理解檢修過程，系統會在檢修的關鍵步驟上進行提示，當用戶的操作步驟發生錯誤時，系統也會對操作步驟進行講解，同時，演示可能發生的檢修事故與帶來的危害。系統可規范用戶檢修工作流程，提升用戶的檢修技能，降低實際檢修事故的發生率。

1.1.3 視頻講解與知識考核

為提高檢修知識儲備，用戶可在視頻講解子系統中觀看檢修事故案例視頻，也可通過考核子系統對自身進行定期考核。知識考核子系統在數據庫中進行題目的隨機抽取，對用戶的理解程度進行打分并做出是否合格的判斷，可鞏固用戶的檢修知識，使用戶掌握操作要點及發生事故后的處理方法。

1.2 場景設計流程

進行場景設計時，需先對檢修事故案例進行收集[8]，確定導致事故發生的因素和場景的設計路線與功能，綜合考慮機器性能及場景的還原度，完成對應場景的設計。由于Unity3D 對FBX 格式的文件適應性強，模型建立完成后需導出為FBX 格式。場景的設計流程，如圖2 所示。

圖2 場景設計流程

2 系統模型建立

2.1 模型的優化處理

根據系統需要，搜集所需高速動車組模型的尺寸，使用CAD 繪制二維圖紙，確保圖紙與實際模型的尺寸、規格相同，將二維圖紙導入到3Ds Max 中，進行三維建模。由于高速動車組模型尺寸大、零件數量多，若建模后，將模型直接導入Unity3D 中將會占用大量內存空間，造成系統卡頓、場景切換慢等[9]。因此，需要對模型進行優化處理。具體操作步驟為：（1）對模型的頂點進行焊接處理；（2）減少曲面體的曲面分段數；（3）對不影響系統主體的部位進行貼圖處理。

2.2 模型坐標軸變換

在建模過程中，合理運用模型的坐標軸可更快速地完成建模，同時，增加模型的真實性與準確性。

3Ds Max 完成建模后，需將模型導入到Unity3D中。3Ds Max 采用的是右手坐標系（Z軸向上），而Unity3D 采用的是左手坐標系（Y軸向上），若直接導入，因坐標軸不匹配，將造成后期腳本編輯出現邏輯錯誤[9]。由于Unity3D 并不具備改變模型坐標軸方向的功能，因此，在導入模型前，需在3Ds Max中對模型進行坐標軸變換，使模型與Unity3D 坐標軸相匹配。在3Ds Max 中，點擊層次面板下的軸選項卡，點選“僅影響軸”，對模型的X、Y、Z軸的方向進行更改，如圖3 所示。

圖3 3Ds Max 與Unity3D 坐標軸對比

3 關鍵技術

3.1 碰撞器檢測技術

Unity3D 有多種物理引擎，包括剛體、碰撞器、觸發器等，可模仿實際物體的受力、碰撞等，使場景更加逼真。

本文對受電弓添加碰撞器及剛體組件，實現對受電弓物理屬性的模擬，通過對剛體組件施加作用力的方式，實現受電弓的升起與降落，同時，在模擬檢修過程中可利用Unity3D 中碰撞器提供的OnCollisionEnter、OnCollisionExit 等方法，通過對碰撞器的監測，實現對物體碰撞的檢測。從而對檢修人員是否觸碰受電弓進行實時監測，作為判斷是否發生事故的評價標準。若檢修人員在檢修信號燈未亮起時觸碰到受電弓，將觸發觸電特效；若檢修工人在檢修信號燈亮起后觸碰受電弓，則不會發生檢修事故。利用碰撞器的特性，可實現物體狀態監測和觸發條件判斷，增加系統的可操作性，降低程序的復雜性。

3.2 視角移動技術

（1）視角交互

在模擬演練過程中，用戶需要與場景中的視角進行交互，從而控制視角進行移動、旋轉等操作，Unity3D 中提供了Input 類，實現對用戶的鍵盤、鼠標點擊事件的獲取，Input 類提供了多種方法來獲取用戶鍵盤與鼠標的按下、抬起等事件。在Update 中調用Input 類，可實現對用戶輸入的實時獲取，利用C#語言進行腳本編輯，實現用戶與場景視角的交互。在模擬演練場景中，用戶通過鍵盤上的W、A、S、D 鍵分別進行視角前、后、左、右的移動，并通過鼠標的左右滑動對視角的轉向進行控制。

（2）攝像機跟隨

在視角的移動過程中，攝像機要跟隨視角進行同步運動，使用戶擁有更加真實的體驗。實現攝像機跟隨的方法較多，可直接將攝像機設置為視角的子物體，但該方法會導致攝像機跟隨較生硬，用戶體驗效果不佳。

本文采取逐幀跟隨的設計方法，在視角運動過程中，利用代碼進行跟隨設計，從而實現逐幀跟隨，使用戶能夠擁有更真實的體驗。具體步驟為：利用視角當前位置減去原點的世界坐標，獲取當前位置的世界坐標；利用攝像機的位置減去視角的位置，獲取一個固定的坐標偏移值；在Update 中逐幀進行視角的位置檢測，用視角的世界坐標加上偏移值，即可確定攝像機的實時位置；將攝像機的轉動方向設置為視角行走的方向，即可完成攝像機的跟隨。

4 系統實現

4.1 場景導入

場景的導入關系到虛擬仿真的真實性，若導入時出現問題，導致貼圖、動畫等物體的缺失，用戶的體驗感下降，無法達到預期效果。

在3Ds Max 軟件中完成建模后，將模型導出為FBX 格式文件，嵌入貼圖、動畫等關鍵物體，隨后導入到Unity3D 軟件中進行場景的搭建。由于FBX格式只支持基本貼圖格式，導入Unity3D 中會有貼圖丟失，導致檢修場景失去真實性。所以，模型導入后，需要進行Unity3D 的材質創建，將缺失的貼圖重新貼入，從而完成場景的導入[10]。系統的部分場景如圖4 所示。

圖4 系統部分場景示意

4.2 模擬檢修的實現

進行受電弓檢修前，先升起受電弓，對其進行供電測試，確保其可以正常工作；在完成供電測試后，受電弓降落，同時，將供電設備斷電。斷電后，檢修信號燈亮起，檢修人員進行登頂檢修。如果檢修人員在受電弓未與接觸網脫開、未落穩在其底架的兩個橡膠止擋上等情況下進行登頂作業，將面臨觸電風險。

用戶在進入系統后，將以第一視角進行登頂作業，完成登頂操作后，拾取車頂的檢修工具，隨后進行受電弓檢修，若進行檢修時受電弓不帶電，則完成受電弓檢修；若進行檢修時受電弓未完成斷電，且檢修工具與受電弓的距離小于安全距離時，顯示界面將給出相關提示，并模擬檢修者傷亡情況。

Unity3D 提供Animation 與Animator 兩種動畫機，本文采用Animation 動畫機進行傷亡動畫的播放，通過對動畫機進行程序編寫，控制播放判定、播放順序。利用Animation 動畫機，可使檢修操作的模擬更加自然，節省編程時間，增加系統的操作性。模擬檢修效果如圖5 所示。

圖5 檢修場景模擬示意

5 結束語

本文基于Unity3D 開發了高速動車組受電弓檢修事故虛擬演示系統，具有事故演示、模擬演練、視頻講解及知識考核等功能，實現了受電弓檢修過程的模擬，滿足鐵路工人的知識培訓、模擬訓練等需求。系統利用虛擬現實技術，為鐵路專業人才的培養提供思路，打破傳統的培訓方式，同時，有效減少鐵路檢修事故的發生。