鐵路救援起重機(jī)模擬器視景仿真系統(tǒng)的研究

喬 輝，張玉平，林 靜

(1.西南交通大學(xué) 智能控制與仿真工程中心，成都 610031;2.成都工業(yè)學(xué)院 通信工程系，成都 610031;3.成都運(yùn)達(dá)科技股份有限公司 仿真事業(yè)部，成都 610031)

長(zhǎng)期以來，我國(guó)鐵路救援起重機(jī)駕駛?cè)藛T的培訓(xùn)是通過書本學(xué)習(xí)和在演練線上實(shí)際操作的方式進(jìn)行。由于演練線的地形地貌、起吊對(duì)象通常固定不變，很難根據(jù)不同情況進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)案訓(xùn)練，實(shí)際救援過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)駕駛?cè)藛T緊張慌亂、不知所措，甚至引發(fā)救援事故的局面。利用起重機(jī)駕駛模擬器培訓(xùn)駕駛?cè)藛T不會(huì)受到地形、起吊對(duì)象等條件的限制，是國(guó)際公認(rèn)的高效、節(jié)能、安全的培訓(xùn)方式。近年來，國(guó)內(nèi)外在起重機(jī)仿真培訓(xùn)技術(shù)方面做了很多基礎(chǔ)性的研究，并成功開發(fā)了一些起重機(jī)模擬駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)，但主要集中在較為通用的港口起重機(jī)方面［1］。關(guān)于鐵路救援起重機(jī)駕駛模擬器的研究鮮有報(bào)道。本文采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求對(duì)鐵路救援起重機(jī)模擬器視景仿真系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行分析，采用模塊化的方式設(shè)計(jì)視景仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，針對(duì)鐵路救援起重機(jī)渲染模型、碰撞模型、物理模型和三維虛擬場(chǎng)景構(gòu)建及重點(diǎn)功能模塊的設(shè)計(jì)等系統(tǒng)開發(fā)中的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，所開發(fā)的鐵路救援起重機(jī)模擬器系統(tǒng)將提高我國(guó)鐵路作業(yè)人員培訓(xùn)效率，改善培訓(xùn)效果，加快鐵路事故處理速度。

1 鐵路救援起重機(jī)模擬器視景仿真系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

救援起重機(jī)模擬器視景仿真系統(tǒng)的主要作用是提供一個(gè)虛擬救援工作環(huán)境，逼真地再現(xiàn)救援工作過程中起重機(jī)駕駛員和救援指揮人員看到的情況，并通過顯示系統(tǒng)與駕駛員和指揮員實(shí)時(shí)互動(dòng)，使他們產(chǎn)生身臨其境的感覺。根據(jù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的要求，視景系統(tǒng)的具體功能如下:

1)建立一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，包括自然環(huán)境(天空、植被等)、工作環(huán)境(故障列車、鐵軌、障礙物、周圍建筑等)和救援起重機(jī)實(shí)體模型;2)在控制救援起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程中，能夠達(dá)到人機(jī)互動(dòng)，并通過顯示終端實(shí)時(shí)顯示救援起重機(jī)的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài);3)能夠真實(shí)地模擬救援工作過程中起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)起重臂伸縮、吊繩擺動(dòng)、吊索斷裂、負(fù)載碰撞反彈等起重機(jī)工作過程中常見現(xiàn)象的真實(shí)可視化模擬;4)網(wǎng)絡(luò)通訊接口，與其他系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從本質(zhì)上講，視景仿真系統(tǒng)的任務(wù)主要是對(duì)系統(tǒng)資源的管理，是圍繞著各類系統(tǒng)資源進(jìn)行的，因此，視景仿真系統(tǒng)應(yīng)該完成視景仿真系統(tǒng)資源的管理和視景仿真事務(wù)的處理。由于系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)具有強(qiáng)大的多相機(jī)渲染功能，因此，前向視景系統(tǒng)和指揮員視景系統(tǒng)可共用一個(gè)系統(tǒng)，只需要通過多相機(jī)技術(shù)分別在不同的終端顯示即可。根據(jù)視景系統(tǒng)的功能需求，筆者將系統(tǒng)分成起重機(jī)控制模塊、指揮員控制模塊、動(dòng)畫模塊、聲音模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和資源管理模塊6部分，如圖1所示。

圖1 視景仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 開發(fā)方案確定

圖2 視景仿真系統(tǒng)開發(fā)方案流程圖

根據(jù)救援起重機(jī)模擬器視景仿真系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)，確定了如圖2所示的視景仿真系統(tǒng)開發(fā)方案流程。具體開發(fā)過程為:通過3D MAX建模軟件進(jìn)行實(shí)體建模;根據(jù)鐵路救援起重機(jī)結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)分析，構(gòu)建起重機(jī)渲染模型、碰撞模型和物理模型，建立虛擬救援工作環(huán)境;基于VS2010設(shè)計(jì)系統(tǒng)腳本程序，構(gòu)建系統(tǒng)各個(gè)功能模塊，最終完成了視景仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，并配合主控系統(tǒng)、接口系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)救援工作過程可視化模擬。

2 救援起重機(jī)模擬器視景仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 救援起重機(jī)、作業(yè)環(huán)境及故障列車實(shí)體建模

首先，我們根據(jù)鐵路救援起重機(jī)各個(gè)結(jié)構(gòu)部件的實(shí)際尺寸，利用3D MAX建模軟件建立起重機(jī)幾何模型。然后，給模型附上材質(zhì)和紋理，并采取去除冗余面等方法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，最終完成了鐵路救援起重機(jī)的實(shí)體模型的構(gòu)建。構(gòu)建好的起重機(jī)實(shí)體模型如圖3所示。

采取同樣的方法，可以構(gòu)建故障列車、鐵軌、電線桿、建筑物等其他物體的實(shí)體模型。

圖3 鐵路救援起重機(jī)實(shí)體模型圖

2.2 救援起重機(jī)幾何渲染模型、碰撞模型、物理模型構(gòu)建

通過對(duì)救援起重機(jī)結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析［2］，建立如圖4所示的鐵路救援起重機(jī)的樹狀層次結(jié)構(gòu)來組織救援起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)要完成的動(dòng)作［3-4］。

1)幾何渲染模型:將3D MAX建好的起重機(jī)實(shí)體模型導(dǎo)入場(chǎng)景編輯器，按照?qǐng)D4所示的起重機(jī)樹狀層次模型結(jié)構(gòu)對(duì)模型進(jìn)行重新組織即可完成渲染模型的構(gòu)建。

2)碰撞模型:根據(jù)起重機(jī)樹狀層次模型結(jié)構(gòu)，利用各種簡(jiǎn)單的碰撞幾何體如長(zhǎng)方體、球、圓柱體等拼接組成了起重機(jī)外形輪廓，大大簡(jiǎn)化了模型復(fù)雜度，既實(shí)現(xiàn)了有效的碰撞檢測(cè)功能，又降低了系統(tǒng)碰撞檢測(cè)運(yùn)算負(fù)擔(dān)。構(gòu)建好的起重機(jī)碰撞模型如圖5所示。

3)物理模型:對(duì)于救援起重機(jī)物理模型的構(gòu)建，筆者將整個(gè)救援起重機(jī)的物理模型分為如圖6所示的操作模型和吊裝模型2部分［5］。

圖4 鐵路救援起重機(jī)的樹狀層次模型

圖5 碰撞模型

圖6 物理模型示意圖

其中對(duì)于操作模型的構(gòu)建采用前向閉環(huán)運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法，根據(jù)起重機(jī)樹狀層次模型結(jié)構(gòu)，將起重機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分設(shè)置成剛體，并將剛體設(shè)置成“運(yùn)動(dòng)的”(Kinematic)即可完成操作模型的構(gòu)建。

而對(duì)于吊裝模型的構(gòu)建，采用基于約束的剛體動(dòng)力學(xué)的方法，利用集中元模型［6］模擬柔性吊索，即將一系列剛體通過約束連接成剛體鏈，并設(shè)置合適的約束限制來模擬吊索的拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等物理材質(zhì)特性。

2.3 虛擬救援工作場(chǎng)景構(gòu)建

在傳統(tǒng)視景仿真系統(tǒng)中，三維場(chǎng)景模塊都是根據(jù)項(xiàng)目需求編寫代碼實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)需求發(fā)生改變時(shí)，必須重寫代碼，因而造成視景仿真開發(fā)周期長(zhǎng)，工作量大。

本文中救援工作場(chǎng)景的構(gòu)建采用項(xiàng)目開發(fā)平臺(tái)提供的場(chǎng)景編輯器來完成，具體構(gòu)建過程為:在場(chǎng)景編輯器中建立并編輯場(chǎng)景地形和天空，然后導(dǎo)入已建好的各種模型資源，如救援起重機(jī)、故障列車、鐵軌、電線桿、建筑物等，開發(fā)平臺(tái)將這些資源作為物體或?qū)傩晕矬w，根據(jù)不同項(xiàng)目的實(shí)際需要，最終合成所需要的虛擬救援工作場(chǎng)景。

開發(fā)平臺(tái)將模型資源及相關(guān)仿真數(shù)據(jù)等三維虛擬救援工作場(chǎng)景模塊的信息保存成單獨(dú)的外部文件，實(shí)現(xiàn)與軟件仿真平臺(tái)的分離，這樣就能實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景在不同項(xiàng)目中重用，加快軟件開發(fā)速度。

2.4 系統(tǒng)功能模塊實(shí)現(xiàn)

由于在本文開發(fā)平臺(tái)采用基于腳本的方式對(duì)模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，沒有傳統(tǒng)視景仿真驅(qū)動(dòng)程序中的主程序概念，因此本系統(tǒng)中各種功能模塊的實(shí)現(xiàn)都是通過編寫各種腳本實(shí)現(xiàn)的。下面重點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和起重機(jī)控制模塊進(jìn)行介紹。

1)網(wǎng)絡(luò)通訊模塊框架利用MVC設(shè)計(jì)模式［7］進(jìn)行構(gòu)建，采用UDP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。首先設(shè)計(jì)一個(gè)腳本(應(yīng)用層)對(duì)MVC三層架構(gòu)進(jìn)行管理并建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)主循環(huán)。Model層以網(wǎng)絡(luò)引擎服務(wù)器端動(dòng)態(tài)庫(kù)和基于觀察者設(shè)計(jì)模式封裝的網(wǎng)絡(luò)引擎網(wǎng)絡(luò)底層動(dòng)態(tài)庫(kù)為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)底層的管理;View層是與視景仿真系統(tǒng)場(chǎng)景相關(guān)的，主要負(fù)責(zé)視景系統(tǒng)腳本的管理和視景仿真系統(tǒng)界面的一些顯示;Control層是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊的中轉(zhuǎn)站，主要負(fù)責(zé)觀察者的注冊(cè)、網(wǎng)絡(luò)底層函數(shù)的封裝、通知View層數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

圖7 救援開始

圖8 正常救援過程

圖9 吊索斷裂故障

圖10 救援結(jié)束

2)視景仿真模塊作為本系統(tǒng)的主要模塊，主要負(fù)責(zé)控制司機(jī)視角的變化和對(duì)起重機(jī)的各種操作，其中包括:司機(jī)視角相機(jī)相對(duì)于起重機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的跟隨控制;起重機(jī)各種操作控制，如上車部分的360°水平回轉(zhuǎn)，限制角度范圍內(nèi)(30°)的擺動(dòng)，吊臂的變幅和二節(jié)臂、三節(jié)臂的伸縮，吊索的上升、下降，負(fù)載的綁定、卸載，以及配重的水平伸縮、上下移動(dòng)和支腿的旋轉(zhuǎn)等。

采用同樣的方式，筆者構(gòu)建了系統(tǒng)的指揮員控制模塊、動(dòng)畫模塊、聲音模塊和資源管理模塊，完成了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

利用本文實(shí)現(xiàn)的視景仿真系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合主控系統(tǒng)和接口系統(tǒng)，筆者完成了鐵路救援起重機(jī)模擬器原型概念機(jī)的研制，并成功實(shí)現(xiàn)了救援起重機(jī)工作過程的模擬。截取了救援工作過程中視景仿真系統(tǒng)部分畫面，如圖 7、8、9、10 所示。

4 結(jié)語

本文根據(jù)鐵路救援起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，建立了救援起重機(jī)的實(shí)體模型、渲染模型、碰撞模型和物理模型，構(gòu)建了虛擬救援工作環(huán)境;基于VS2010編寫了各種系統(tǒng)腳本程序，完成了系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，成功地開發(fā)了一套鐵路救援起重機(jī)模擬器視景仿真系統(tǒng);結(jié)合主控系統(tǒng)、接口系統(tǒng)完成了鐵路救援起重機(jī)模擬器原型概念機(jī)的研制，并利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了救援工作過程可視化模擬。仿真結(jié)果表明開發(fā)的系統(tǒng)具有較高的逼真度，能夠滿足救援起重機(jī)模擬器視景仿真系統(tǒng)的要求。

［1］劉晉川，張華勤，洪衫.港機(jī)操作模擬器的應(yīng)用與發(fā)展［J］.港口裝卸，2005(2):8-11.

［2］ HUANG J Y，GAU C Y.Modelling and designing a low-cost high-fidelity mobile crane simulator［J］.International Journal of Human-Computer Studies，2003，58(2):151-176.

［3］張靖.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在吊裝仿真與方案制定中的應(yīng)用［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009.

［4］王波興，馮茂盛.基于物理引擎的汽車起重機(jī)實(shí)時(shí)仿真［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011(5):32-39.

［5］ HUNG L C，KANG S C.A physics-based simulation approach for cooperative erection activities［J］.Automation in Construction，2010(19):750-761.

［6］ SERVIN M，LACOURSIERE C.Rigid Body Cable for Virtual Environments［J］.IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，2008(14):783-796.

［7］FREEMAN E.Head First設(shè)計(jì)模式［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2008.