趙峰

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 機(jī)械動(dòng)力與環(huán)境工程研究院，天津 300308）

0 引言

建筑信息模型（BIM）技術(shù)具有可視化、協(xié)同性、仿真性等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，可有效應(yīng)用于建設(shè)項(xiàng)目全生命周期設(shè)計(jì)建造與運(yùn)維管理［1-3］。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)集計(jì)算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)于一體，其基本實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬真實(shí)的物理場(chǎng)景，通過(guò)VR設(shè)備與虛擬場(chǎng)景互動(dòng)，讓用戶以身臨其境的方式體驗(yàn)虛擬世界。BIM+VR技術(shù)已在建筑、電力、煤炭、汽車等行業(yè)的虛擬培訓(xùn)中得到較廣泛應(yīng)用［4-12］，并取得良好的應(yīng)用效果。但是，其應(yīng)用主要集中在VR漫游展示和虛擬培訓(xùn)環(huán)節(jié)，缺少培訓(xùn)考核評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，且可視化場(chǎng)景效果不佳、交互性差。

動(dòng)車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)作為動(dòng)車組檢修作業(yè)的關(guān)鍵性管理系統(tǒng)，主要包括PLC網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制與顯示子系統(tǒng)、門(mén)禁控制子系統(tǒng)、色燈信號(hào)引導(dǎo)子系統(tǒng)、安全警示子系統(tǒng)和視頻監(jiān)視子系統(tǒng)6個(gè)部分。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、邏輯性強(qiáng)，對(duì)檢修人員技能要求高。傳統(tǒng)的動(dòng)車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)培訓(xùn)方式主要借助邏輯原理圖和大量文字材料講解，培訓(xùn)效率低、效果差、人力成本高，且存在因檢修人員誤操作造成人員、設(shè)備損傷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，提出基于BIM+VR技術(shù)開(kāi)展動(dòng)車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)虛擬培訓(xùn)平臺(tái)研究，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)虛擬培訓(xùn)和考核評(píng)價(jià)功能，提高運(yùn)維技術(shù)人員的培訓(xùn)效率和效果，進(jìn)而提高動(dòng)車所運(yùn)維管理水平。

1 平臺(tái)場(chǎng)景搭建

1.1 建立模型

基于Dassault+Revit軟件組合方案，建立站場(chǎng)、軌道、建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、動(dòng)車、給排水、接觸網(wǎng)、電力、通信、信息、信號(hào)等專業(yè)的高精度BIM模型，在Dassault平臺(tái)整合并開(kāi)展碰撞優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后針對(duì)動(dòng)車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)虛擬培訓(xùn)需求，開(kāi)展安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)、檢查庫(kù)標(biāo)識(shí)標(biāo)牌系統(tǒng)BIM深化設(shè)計(jì)。BIM建模工作流程示意見(jiàn)圖1。

圖1 BIM建模工作流程示意圖

1.2 導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D

首先將動(dòng)車所優(yōu)化、深化后的BIM模型，分區(qū)域、分專業(yè)通過(guò)STEP格式導(dǎo)入3ds max，然后在3ds max中進(jìn)行優(yōu)化（如減面等輕量化處理、材質(zhì)貼圖等模型渲染），最后將BIM模型通過(guò)FBX格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D，實(shí)現(xiàn)三維可視化場(chǎng)景搭建。其具體工作流程見(jiàn)圖2。

圖2 BIM模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D工作流程

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于C#及Unity3D引擎，開(kāi)發(fā)動(dòng)車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)虛擬培訓(xùn)平臺(tái)，為用戶提供整潔、美觀的UI界面，并通過(guò)Unity3D渲染出高仿真三維場(chǎng)景，為用戶提供更好的沉浸式體驗(yàn)。最終實(shí)現(xiàn)基于安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)（包括作業(yè)安全聯(lián)鎖監(jiān)控子系統(tǒng)和作業(yè)評(píng)價(jià)管理子系統(tǒng)）業(yè)務(wù)操作流程的一套完整的虛擬培訓(xùn)和考核評(píng)價(jià)機(jī)制，大幅提升技術(shù)人員的培訓(xùn)效率和效果。

2.2 整體框架設(shè)計(jì)

平臺(tái)由UI界面層、平臺(tái)功能層、平臺(tái)開(kāi)發(fā)層、資源加載層及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層構(gòu)成（見(jiàn)圖3）。

圖3 平臺(tái)整體架構(gòu)

（1）UI界面層：主要對(duì)界面進(jìn)行管理，包括用戶登錄、科目選擇、成績(jī)查詢、任務(wù)對(duì)話和動(dòng)畫(huà)彈窗等界面；

（2）平臺(tái)功能層：主要包括任務(wù)添加、練習(xí)操作、考核操作、音頻播報(bào)和事件注冊(cè)等模塊；

（3）平臺(tái)開(kāi)發(fā)層：實(shí)現(xiàn)各種交互事件，包括模型格式轉(zhuǎn)換、場(chǎng)景開(kāi)發(fā)、程序開(kāi)發(fā)等；

（4）資源加載層：對(duì)UI資源、模型緩存等進(jìn)行統(tǒng)一管理，主要實(shí)現(xiàn)資源加載和卸載；

（5）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層：主要對(duì)BIM模型數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、成績(jī)?cè)斍榧皥?chǎng)景中用到的對(duì)話內(nèi)容和人物角色名稱的存儲(chǔ)和解析。

2.3 界面設(shè)計(jì)

平臺(tái)界面包括登錄注冊(cè)、科目選擇和加載等界面，主要基于易用性、美觀性、協(xié)調(diào)性與獨(dú)特性的界面設(shè)計(jì)原則，開(kāi)展平臺(tái)界面設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖4）。

圖4 界面設(shè)計(jì)

3 主要功能

3.1 三維全景虛擬可視化展示

針對(duì)BIM模型搭建的可視化場(chǎng)景進(jìn)行場(chǎng)景渲染，保證與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作環(huán)境一致，提升人員的虛擬體驗(yàn)效果。場(chǎng)景渲染主要包括：

（1）燈光設(shè)置：在場(chǎng)景里面添加適當(dāng)?shù)臒艄夤庠?，如環(huán)境光、室內(nèi)點(diǎn)光源等；

（2）場(chǎng)景烘焙：對(duì)場(chǎng)景模型進(jìn)行設(shè)置，不需要交互的物體統(tǒng)一設(shè)置為靜態(tài)，進(jìn)行烘焙參數(shù)設(shè)置，烘焙出貼圖；

（3）檢查模型設(shè)置：對(duì)模型屬性面板進(jìn)行設(shè)置，對(duì)有需要的模型生成光照貼圖UV或法線；

（4）動(dòng)態(tài)加載：由于場(chǎng)景過(guò)于復(fù)雜，對(duì)動(dòng)車所檢查庫(kù)內(nèi)的三層檢修作業(yè)平臺(tái)（簡(jiǎn)稱三層平臺(tái)）等進(jìn)行切割，必要時(shí)單獨(dú)加載。場(chǎng)景渲染效果見(jiàn)圖5。

圖5 場(chǎng)景渲染效果

3.2 分場(chǎng)景功能

為滿足業(yè)務(wù)需求，將整個(gè)三維場(chǎng)景劃分為多個(gè)分場(chǎng)景，每個(gè)分場(chǎng)景的操作流程以任務(wù)形式不斷進(jìn)行下去，當(dāng)前任務(wù)完成才能進(jìn)入下個(gè)任務(wù)，全部任務(wù)完成切換下個(gè)分場(chǎng)景，然后重新注入任務(wù)，直至訓(xùn)練考核結(jié)束。隔離開(kāi)關(guān)分閘操作分場(chǎng)景示意見(jiàn)圖6。

圖6 隔離開(kāi)關(guān)分閘操作分場(chǎng)景示意圖

3.3 場(chǎng)景漫游功能

場(chǎng)景漫游分為瞬移和行走2部分，通過(guò)左手柄的Trigger控制選擇當(dāng)前場(chǎng)景下適合使用哪種漫游方式，如在地面漫游可選擇行走，當(dāng)準(zhǔn)備上三層平臺(tái)時(shí)，可切換至瞬移模式，即可看到從手柄發(fā)射1條曲線，曲線落地位置即瞬移到達(dá)位置，并可通過(guò)移動(dòng)手柄改變曲線大小。

3.4 交互功能

交互事件主要分為以下2部分：

（1）在開(kāi)發(fā)測(cè)試階段使用鍵盤(pán)和鼠標(biāo)操作，通過(guò)給需要操作的物體添加碰撞盒子，再用鼠標(biāo)點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)交互功能；

（2）開(kāi)發(fā)結(jié)束后打包，通過(guò)HTC Vive設(shè)備的手柄發(fā)射射線，通過(guò)射線觸發(fā)操作物實(shí)現(xiàn)交互功能，交互后可觸發(fā)各種行為。

交互流程實(shí)現(xiàn)方式如下：

（1）為按鈕注冊(cè)一個(gè)或者多個(gè)回調(diào)事件，如模型移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、閃爍等；

（2）通過(guò)操作HTC Vive設(shè)備按下按鈕；

（3）觸發(fā)相應(yīng)的回調(diào)事件，可視化場(chǎng)景中模型發(fā)生相應(yīng)動(dòng)作。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 碰撞檢測(cè)技術(shù)

碰撞檢測(cè)是模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中物體之間是否發(fā)生接觸以及接觸后的本能反應(yīng)。該技術(shù)需要對(duì)設(shè)備、墻壁等添加合適的碰撞器。在Unity3D中，常用的碰撞器有盒碰撞器、球形碰撞器、膠囊碰撞器及網(wǎng)絡(luò)碰撞器等。碰撞檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用示意見(jiàn)圖7。

圖7 碰撞檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用示意圖

4.2 后處理外描邊技術(shù)

為提升虛擬培訓(xùn)效果，對(duì)動(dòng)作模型進(jìn)行外描邊，外描邊具體步驟為：添加1個(gè)額外模型，用來(lái)渲染描邊對(duì)象→將Render Target設(shè)置在1張預(yù)設(shè)Render Texture上→通過(guò)純色Shader處理，使Render Texture變?yōu)榧兩ㄟ^(guò)高斯模糊處理，使Render Texture模糊膨脹→與模糊前的Render Texture相減，得到輪廓圖→輪廓圖與原圖疊加，得到最終效果圖。后處理外描邊技術(shù)應(yīng)用示意見(jiàn)圖8。

圖8 后處理外描邊技術(shù)應(yīng)用示意圖

4.3 模型遮擋剔除技術(shù)

模型遮擋剔除技術(shù)是將整個(gè)場(chǎng)景分為大小不等的多個(gè)裁剪空間，渲染出視錐體范圍內(nèi)的物體，視錐體范圍外的以及被遮擋的物體會(huì)隱藏，不被渲染，大大提高了渲染效率。模型遮擋剔除技術(shù)應(yīng)用示意見(jiàn)圖9。

圖9 模型遮擋剔除技術(shù)應(yīng)用示意圖

4.4 動(dòng)畫(huà)模型制作技術(shù)

動(dòng)畫(huà)模型主要包括Dotween動(dòng)畫(huà)模型、幀動(dòng)畫(huà)模型和代碼動(dòng)畫(huà)模型3類：

（1）Dotween動(dòng)畫(huà)模型：包括控制位移、顏色、透明度、大小的動(dòng)畫(huà)，通過(guò)Dotween動(dòng)畫(huà)插件制作，利用Dotween提供的API實(shí)現(xiàn)一些相應(yīng)功能，如在點(diǎn)擊按鈕時(shí)有一個(gè)位移操作，可通過(guò)Dotween插值進(jìn)行按鈕位移等；

（2）幀動(dòng)畫(huà)模型：幀動(dòng)畫(huà)模型的制作和控制主要在Unity3D引擎里通過(guò)Animation完成，通過(guò)Animator動(dòng)畫(huà)控制器可進(jìn)行動(dòng)畫(huà)的融合和播放，如動(dòng)車出入庫(kù)動(dòng)作模型等；

（3）代碼動(dòng)畫(huà)模型：通過(guò)代碼編寫(xiě)制作動(dòng)畫(huà)模型，如爆閃燈動(dòng)作模型等。

詳細(xì)的動(dòng)畫(huà)模型分類示意見(jiàn)圖10。

圖10 動(dòng)畫(huà)模型分類示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》《智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0》等政策文件明確提出：“加快推進(jìn)新一代信息技術(shù)與鐵路融合發(fā)展，建設(shè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、智慧化鐵路”。動(dòng)車段、所作為“高鐵4S店”，是高速鐵路智能化、智慧化建設(shè)的先行者。針對(duì)動(dòng)車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)傳統(tǒng)培訓(xùn)方式存在的諸多問(wèn)題以及具體業(yè)務(wù)操作流程，基于BIM+VR技術(shù)，通過(guò)三維可視化場(chǎng)景搭建、平臺(tái)架構(gòu)和界面設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)以及C#腳本語(yǔ)言程序，開(kāi)發(fā)搭建動(dòng)車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)虛擬培訓(xùn)平臺(tái)。該平臺(tái)可通過(guò)VR設(shè)備和鼠標(biāo)鍵盤(pán)2種交互模式，開(kāi)展動(dòng)車所安全聯(lián)鎖監(jiān)控系統(tǒng)的虛擬培訓(xùn)和考核評(píng)價(jià)，有效提高培訓(xùn)效率和效果，幫助新晉從業(yè)人員快速掌握動(dòng)車組檢修作業(yè)流程和應(yīng)急處置方法，實(shí)現(xiàn)專業(yè)化、規(guī)范化作業(yè)，杜絕誤操作，保障人身安全和動(dòng)車組運(yùn)行安全，提升動(dòng)車所運(yùn)營(yíng)管理水平和服務(wù)質(zhì)量。