張贏

（中國(guó)鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所 內(nèi)蒙古呼和浩特 010052）

1 引言

隨著我國(guó)高速鐵路大量建設(shè)和快速發(fā)展，S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)已被廣泛應(yīng)用于全國(guó)高鐵線路、客運(yùn)專線車站。因此，該設(shè)備能否無(wú)故障安全運(yùn)行直接關(guān)系著鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)安全，這就要求現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和檢修職工必須對(duì)該類型轉(zhuǎn)轍機(jī)專業(yè)知識(shí)掌握的非常熟練，必須具有很強(qiáng)的上手操作能力。然而，培訓(xùn)基地難以同時(shí)滿足職工對(duì)上手操作演練的需求，教學(xué)中理論與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐對(duì)接不暢?；谏鲜鲈颍疚奶岢鲞\(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用Unity3D 引擎開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)研發(fā)具有環(huán)境交互、機(jī)械原理動(dòng)畫演示、考核比賽等功能的S700K 電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)以解決培訓(xùn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中理論與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐對(duì)接不暢，培訓(xùn)學(xué)習(xí)效果不佳等難題。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）其基本實(shí)現(xiàn)方式是計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展使得三維仿真培訓(xùn)教學(xué)變成了現(xiàn)實(shí)，解決了培訓(xùn)學(xué)員未能理論與實(shí)踐相結(jié)合，培訓(xùn)教學(xué)效果不明顯的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)S700K 電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)結(jié)構(gòu)分析，運(yùn)用3DsMax 軟件制作三維模型及相關(guān)動(dòng)畫，利用Unity3D 引擎開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)研發(fā)三維仿真培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)。此類型系統(tǒng)能夠?yàn)榕嘤?xùn)學(xué)員提供虛擬現(xiàn)實(shí)的培訓(xùn)場(chǎng)景以及操作說(shuō)明，使得培訓(xùn)學(xué)員能夠快速地掌握設(shè)備操作流程等標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，避免了操作不當(dāng)導(dǎo)致人員受傷或設(shè)備零件損壞，而且該系統(tǒng)可以反復(fù)學(xué)習(xí)使用、不受地域和時(shí)間限制、安全可靠、實(shí)際交互性強(qiáng)，受到越來(lái)越多的鐵路企業(yè)和鐵路高職院校的青睞。

2 S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)整體框架

S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)使用3DsMax 創(chuàng)建模型，利用Unity3D 引擎為開發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用C#語(yǔ)言編寫控制腳本實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)整體順序拆裝演示，以及部分零部件的單獨(dú)拆裝演示等功能。運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)學(xué)員學(xué)習(xí)后的考核測(cè)評(píng)和學(xué)員之間的專業(yè)知識(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)流程

本三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)是為了滿足鐵路培訓(xùn)職工熟練掌握S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，熟知該型號(hào)轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作原理以及實(shí)現(xiàn)交互式的按順序拆卸和安裝。特別是對(duì)培訓(xùn)電務(wù)系統(tǒng)新入路職工動(dòng)手實(shí)踐能力、提高工程意識(shí)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)熱情具有重要的意義。根據(jù)S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研以及實(shí)際需求的不同，設(shè)計(jì)了不同的功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)該型號(hào)轉(zhuǎn)轍機(jī)的培訓(xùn)教學(xué)任務(wù)。具體開發(fā)流程如下：

（1）參考營(yíng)口東站S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)及道岔外鎖閉裝置以及相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，進(jìn)行1:1 的三維場(chǎng)景的建立。將制作好的整體三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 引擎開發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景環(huán)境交互的建立；

（2）通過(guò)編寫C#腳本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)界面交互、系統(tǒng)三維場(chǎng)景交互、系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)的通信；

（3）通過(guò)Unity3D 引擎開發(fā)平臺(tái)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(dǎo)入

S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)模型的要求較高，而且也是本系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，通常采取依據(jù)CAD 圖紙和物體實(shí)際圖片進(jìn)行建模。Unity3D 作為虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)引擎軟件，它的三維建模功能較弱只能構(gòu)建基礎(chǔ)三維模型體，對(duì)于用來(lái)制作轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備之類的復(fù)雜精細(xì)模型并不合適。因此，本系統(tǒng)運(yùn)用3DsMax 三維建模軟件進(jìn)行模型制作，該建模軟件具有強(qiáng)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(jī)聯(lián)結(jié)模型如圖3 所示。

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

下面以S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)為例，介紹建立三維模型導(dǎo)入過(guò)程。S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)其整體包含了多個(gè)形狀復(fù)雜的零件，因此，在制作模型的過(guò)程中確保真實(shí)性的前提下，對(duì)所建立的模型進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免因模型數(shù)據(jù)量過(guò)大導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出影響整個(gè)系統(tǒng)環(huán)境的運(yùn)行效率，導(dǎo)致體驗(yàn)效果不佳等問(wèn)題。本文通過(guò)運(yùn)用3DsMax 三維建模軟件對(duì)該型轉(zhuǎn)轍機(jī)三維模型的總面數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將模型中看不到的點(diǎn)、線、面進(jìn)行刪除優(yōu)化等操作，精簡(jiǎn)模型量，同時(shí)利用PS 軟件對(duì)模型所用到的貼圖進(jìn)行修正、美化等處理，使得該型號(hào)電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)整體三維模型更加具有現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感和逼真感。導(dǎo)出Unity3D 支持的FBX格式文件，導(dǎo)入成功的S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)三維模型，如圖4 所示。

圖4 導(dǎo)入后S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的三維模型

3.2 相關(guān)動(dòng)畫的添加

將已經(jīng)制作好的三維模型導(dǎo)出.FBX 文件，然后將此類型文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 軟件中，通過(guò)Unity3D引擎自帶的動(dòng)畫編輯器，運(yùn)用C#語(yǔ)言編寫腳本程序文件實(shí)現(xiàn)S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的“爆炸”動(dòng)畫效果、轉(zhuǎn)轍機(jī)各零件單獨(dú)展示與拆卸、道岔與轉(zhuǎn)轍機(jī)聯(lián)結(jié)動(dòng)作、轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部傳動(dòng)動(dòng)作等相關(guān)動(dòng)畫的演示。

3.2.1 S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)零件查看與結(jié)構(gòu)分析

零件的查看與機(jī)械結(jié)構(gòu)分析主要是使培訓(xùn)職工對(duì)S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的零件及其結(jié)構(gòu)有更加直觀的認(rèn)識(shí)和具體的了解。對(duì)于剛接觸轉(zhuǎn)轍機(jī)受訓(xùn)學(xué)員而言，增加單獨(dú)零件的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解和分析，有助于提高受訓(xùn)職工對(duì)整體設(shè)備結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和理解，從而提高學(xué)習(xí)興趣和工程實(shí)踐意識(shí)。通過(guò)添加“爆炸”圖并控制轉(zhuǎn)轍機(jī)各個(gè)零件的Transform.renderer.enabled 屬性，可以實(shí)現(xiàn)零件隱藏和顯示機(jī)械結(jié)構(gòu)。S700K型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)“爆炸”圖，如圖5 所示。

圖5 S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)“爆炸”圖

3.2.2 系統(tǒng)交互腳本的設(shè)計(jì)

三維仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的拆卸與安裝以及機(jī)械動(dòng)作原理等功能，必須要符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的邏輯順序。因此，要在交互式操作過(guò)程中添加邏輯順序判斷功能，使得整個(gè)交互過(guò)程具有動(dòng)態(tài)性和邏輯控制性，因此使用C# 進(jìn)行交互腳本進(jìn)行相關(guān)開發(fā)和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)模型的多角度展示，編寫C#的MouseView.cs 腳本實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)滾輪縮放、旋轉(zhuǎn)、拖動(dòng)等功能。S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)三維仿真系統(tǒng)中轉(zhuǎn)轍機(jī)拆裝流程圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)中轉(zhuǎn)轍機(jī)拆裝流程圖

3.2.3 系統(tǒng)環(huán)境的交互設(shè)置

為了增加培訓(xùn)教學(xué)的趣味性，使虛擬場(chǎng)景更加生動(dòng)，該三維仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)了對(duì)虛擬環(huán)境的交互設(shè)置，其中包括模塊中的背景音樂(lè)、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(guò)改變相機(jī)的背景顏色屬性實(shí)現(xiàn)的，而背景貼圖是通過(guò)改變天空盒貼圖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在虛擬場(chǎng)景中提前添加音樂(lè)播放組件，實(shí)現(xiàn)了背景音效的播放與關(guān)閉。在整個(gè)程序中通過(guò)控制音樂(lè)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(kù)的設(shè)計(jì)

S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了培訓(xùn)學(xué)員考核和參加比賽的功能。因此數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)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(chǔ)，以C# 腳本實(shí)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(kù)中都有對(duì)應(yīng)的ID，并按照一定的分組形式在數(shù)據(jù)庫(kù)中以數(shù)組的形式存儲(chǔ)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(guò)數(shù)據(jù)通信在Unity3D 交互界面實(shí)時(shí)顯示。

3.4 三維仿真系統(tǒng)的建構(gòu)

本三維模擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)以Unity3D 自帶工具制作系統(tǒng)界面，其中理論教學(xué)模塊主要包括系統(tǒng)概述、結(jié)構(gòu)分解、電路原理、機(jī)械原理四個(gè)模塊構(gòu)成。以系統(tǒng)概述為例，該模塊主要為S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)基本結(jié)構(gòu)介紹、技術(shù)參數(shù)介紹等。結(jié)構(gòu)分解模板塊為S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)零部件設(shè)計(jì)對(duì)每個(gè)零部件單獨(dú)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(dú)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(dú)介紹和分解效果圖

4 結(jié)語(yǔ)

S700K 型電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)培訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中教學(xué)手法單一、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)成本較高、部分設(shè)備不易拆卸等問(wèn)題，而且為傳統(tǒng)培訓(xùn)教學(xué)方式提供了新思路。本系統(tǒng)已經(jīng)完成了成果轉(zhuǎn)化過(guò)程，形成了產(chǎn)品。該培訓(xùn)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到廣鐵集團(tuán)衡陽(yáng)電務(wù)段、包頭電務(wù)段、呼和職工培訓(xùn)基地以及各鐵路局均有試用和應(yīng)用，它提升了培訓(xùn)人員業(yè)務(wù)素質(zhì)，切實(shí)解決教學(xué)中理論與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐、實(shí)操對(duì)接不暢問(wèn)題。它開啟了新的培訓(xùn)教學(xué)模式，為改革現(xiàn)有培訓(xùn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式提供新思路，不僅為推動(dòng)鐵路科技創(chuàng)新、技術(shù)培訓(xùn)、安全培訓(xùn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，更為鐵路運(yùn)輸安全和發(fā)展做出貢獻(xiàn)，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。