城市軌道交通信號道岔轉轍設備的虛擬仿真培訓系統(tǒng)

朱明勛　吳悅明　陳慧彬　戴楊波

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城市軌道交通信號道岔轉轍設備的虛擬仿真培訓系統(tǒng)

朱明勛吳悅明陳慧彬戴楊波

鑒于目前城市軌道交通信號道岔轉轍設備使用及維護相關的培訓手段落后、效率低下，研究開發(fā)了面向信號道岔轉轍設備的三維數(shù)字化虛擬仿真培訓系統(tǒng)。在分析系統(tǒng)功能需求的基礎上，介紹了系統(tǒng)三維模型的處理過程，運用Unity3D三維引擎與C#腳本搭建仿真系統(tǒng)，生成逼真的可視化交互虛擬環(huán)境，真實再現(xiàn)實際工作場景。最后，開發(fā)出原型系統(tǒng)，驗證其可行性。該系統(tǒng)包含多種功能模塊，滿足培訓需求。

城市軌道交通；轉轍設備；虛擬仿真；培訓系統(tǒng)

0　引言

信號道岔轉轍設備是道岔控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，用于轉換鎖閉道岔尖軌或心軌，表示監(jiān)督聯(lián)鎖區(qū)內道岔尖軌或心軌的位置和狀態(tài)，它是城市軌道交通信號系統(tǒng)的關鍵組成部分。對高素質技術人才的需求和要求越來越高，并且如何使用好、維護好信號道岔轉轍設備則是保障城市軌道交通安全高效運營的關鍵，亦是城市軌道交通快速發(fā)展所必需的。

目前，信號道岔轉轍設備使用及維護相關的培訓手段落后，培訓耗時，對人力、物力的需求較大，且受場地限制，效率較低。鑒于此，本文提出基于虛擬仿真技術的信號道岔轉轍設備的虛擬仿真培訓系統(tǒng)。該培訓系統(tǒng)結合虛擬仿真技術“沉浸感”、“交互性”和“想象力”這三大特性，利用計算機提供一個逼真的虛擬環(huán)境，三維數(shù)字化虛擬仿真城市軌道交通信號道岔轉轍設備的原理、動作過程，模擬現(xiàn)場設備動作，真實再現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境，可視化交互，可很大程度上替代城市軌道交通信號道岔轉轍設備的實踐培訓，提高培訓效率，進而提高城市軌道交通信號道岔轉轍設備的運營維護水平。

1　功能需求分析

信號道岔轉轍設備結構相對復雜，現(xiàn)場操作環(huán)境多變。傳統(tǒng)基于 PPT 演示文檔的教學培訓系統(tǒng)，雖然圖文并茂，也可嵌入一些動畫、視頻，但這種方式的主要問題是學習的知識模塊較為獨立，學員較難建立前后知識的聯(lián)系，另外，即使加上動畫或視頻也很難使從未接觸過具體設備的學員形成立體感，故需配合耗費人力、物力的實物實踐課程?？梢姡托实膫鹘y(tǒng)培訓方式無法勝任。

結合網(wǎng)絡教學與虛擬仿真技術的虛擬仿真培訓系統(tǒng)將傳統(tǒng)相對簡單枯燥的二維畫面變?yōu)槿S真實模擬可視化交互畫面，在虛擬現(xiàn)實世界可以真切體會到道岔轉轍設備的動作過程和維修操作的真實感，身臨其境的感覺極大地增強了用戶的學習興趣和積極性，縮短其從理論走向實踐的過程，降低學習和培訓成本。根據(jù)培訓的需求，將虛擬仿真培訓系統(tǒng)分為三維學習、三維訓練、能力評估與輔助維修 4 個模塊，詳細功能結構如圖 1 所示。

圖1　虛擬仿真培訓系統(tǒng)功能結構

2　虛擬仿真培訓系統(tǒng)的方案設計

針對城市軌道交通信號道岔轉轍設備傳統(tǒng)落后的培訓手段，再根據(jù)上述需求分析，研究設計出 1 套完整的虛擬仿真培訓系統(tǒng)，為相關技術人員展現(xiàn)更加直觀和真實的轉轍設備動作過程，提高其學習效率，提升相關技能。系統(tǒng)的方案設計整體架構如圖 2 所示。

系統(tǒng)整體架構是基于 Winform 框架實現(xiàn)。主要技術由 2 個模塊組成：①Unity3D 引擎渲染模塊；②本地XML 數(shù)據(jù)驅動模塊。其中，Unity3D 引擎渲染模塊主要用于對三維模型進行渲染。而 XML 數(shù)據(jù)驅動模塊則是把三維模型的運動狀態(tài)、文字提示信息等 XML 文本在仿真需要時進行翻譯與解釋，并反饋到 Unity3D 渲染引擎中，使三維模型能夠按需求進行運動。

圖2　虛擬仿真培訓系統(tǒng)的整體架構

3　仿真系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

3.1三維模型的處理與優(yōu)化

三維模型是仿真系統(tǒng)的關鍵組成部分，直接決定了虛擬仿真系統(tǒng)的逼真程度，也是影響系統(tǒng)用戶體驗的主要因素。本系統(tǒng)中的模型按功能分為產品零部件模型、工具模型和場地環(huán)境模型，結構比較復雜。為減少計算機資源消耗，提升系統(tǒng)流暢性以及增強系統(tǒng)逼真感，以真實性、實時性、交互性為原則，對三維模型進行處理與優(yōu)化。處理與優(yōu)化整個實現(xiàn)流程如圖 3 所示。

圖3　三維模型處理與優(yōu)化實現(xiàn)方法

模型處理方法為：①Solidworks 三維建模軟件幾何建模，是生成高質量渲染圖像的先決條件，描述模型固有的幾何屬性，建立實體模型；②Solidworks 建立的實體模型不能直接導入 Unity3D，一般借助 3dsmax轉換為 FBX 文件導入，再在 Unity3D 引擎中用其自帶的Animation 組件對模型進行動作定義，建立模型的行為屬性，描述模型的運動行為，實時渲染和顯示。

為了保證系統(tǒng)運行效果，在模型處理過程中必須優(yōu)化模型，主要有：①減少模型的頂點數(shù)和三角面片數(shù)，降低資源消耗。Solidworks 建立的實體模型以 STL 格式文件導入 3dsmax 后變?yōu)橛稍S多個點線面構成的表面模型，導致模型特征碎片化，模型點面數(shù)據(jù)增多，資源消耗變大。采用 3dsmax 中編輯幾何體工具將碎片化的模型塌陷為一個對象，再將其轉換為可編輯多邊形后，刪除多余的頂點和邊線，實現(xiàn)模型整合；②通過紋理貼圖降低模型復雜度，增強真實感。紋理貼圖，亦稱 UV 紋理貼圖，利用 3dsmax 中 UV 坐標，將圖像上每一個點精確對應到三維模型的表面，點與點之間的間隙位置由軟件自行圖像光滑插值處理，提高渲染速度，實現(xiàn)逼真的貼圖效果。例如，在系統(tǒng)場地環(huán)境模型中對道砟的貼圖就是這樣處理的。

3.2Unity3D 與 C# 的實時通信

該仿真系統(tǒng)基于 Windows 系統(tǒng)平臺運行，借助于標準化的 Windows 控件來對 Unity3D 所渲染的三維交互場景難以表達的信息（如詳盡的文字信息）、操作控制（如虛擬漫游、操作步驟等）進行豐富與增強，以提供更為友好的用戶界面。由于 Unity3D 場景信息與Winform 控件之間是相互獨立的，故兩者需要進行消息傳遞來實現(xiàn)實時通信。

Unity3D 本身并沒有提供 C# 可以直接訪問的通信接口，而只提供了 1 個跟網(wǎng)頁文件進行通信的接口。因此，以網(wǎng)頁文件作為 C# 與 Unity3D 相互通信的橋梁來實現(xiàn)兩者的相互通信。其具體思路如下：通過 WebBrowser控件制造 1 個通過在 C# Winform 環(huán)境下執(zhí)行 HTML 文件的運行環(huán)境。由于 C# 與 Unity3D 均可在同一 HTML 環(huán)境下訪問與調用相同的Javacript代碼，因此，C# 與 Unity3D 之間的數(shù)據(jù)通信可通過 HTML 代碼中的 Javascript 代碼來實現(xiàn)，其原理如圖 4 所示。

圖4　Winform 與 Unity3D 之間的實時通信機制

3.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)結構和存儲

用戶在虛擬仿真環(huán)境中進行交互操作時，虛擬仿真系統(tǒng)會創(chuàng)建三維模型數(shù)據(jù)表、學習序列數(shù)據(jù)表、訓練序列數(shù)據(jù)表以及輔助維修序列數(shù)據(jù)表。另外，系統(tǒng)還會輸出能力評估報告表，用于綜合考核用戶實際操作技能。各數(shù)據(jù)表之間通過 ID 匹配實現(xiàn)關系鏈接，如圖 5 所示。

圖5　系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向

仿真結束后，系統(tǒng)將上述數(shù)據(jù)表寫入本地 XML 文件。通過這種方式，系統(tǒng)有效保存與管理用戶培訓學習情況，以便用戶相關技能的提高。

4　系統(tǒng)運行實例

通過對系統(tǒng)功能實現(xiàn)方法的分析研究，最終開發(fā)出的城市軌道交通信號道岔轉轍設備虛擬仿真培訓系統(tǒng)，可以很好地實現(xiàn)各個模塊相應的功能。學習、訓練與能力評估以及輔助維修各個模塊的運行實例效果分別如圖 6、圖 7、圖 8所示。從效果圖中可以看出，系統(tǒng)具有簡便、快捷的人性化交互操作界面和靈活的管理模式，且功能齊全，滿足培訓需求。該原型系統(tǒng)經廣州地鐵技師成功試用，反饋并驗證了培訓系統(tǒng)的可行性。

圖6　三維拆裝學習仿真運行效果

圖7　訓練與能力評估仿真運行效果

圖8 　輔導維修仿真效果

5　結束語

在城市軌道交通高速發(fā)展的大背景下，在其信號道岔轉轍設備培訓方式落后的情況下，運用虛擬仿真技術結合先進 3D 動畫技術的虛擬仿真培訓系統(tǒng)應運而生。該系統(tǒng)以圖形和逼真三維動畫展示為主，三維可視化交互操作，具有真實感的虛擬仿真培訓環(huán)境，完善的培訓內容，幫助用戶快速掌握相關技能，迅速壯大技術人才隊伍，提高城市軌道交通信號道岔轉轍設備的運營維護水平，具有一定的社會效益和經濟效益。

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training means, the paper makes introduction on the research and development of 3D digital virtual simulation training system for the signaling switching equipment. On the basis of analysis of the functional requirements of the system, based on the introduction and the process of three-dimensional model of the system, the paper uses Unity3D engine and C# script to build a simulation system, makes realistic visualization interactive virtual environment generation, and replay of the true and actual working environment. Finally, a prototype system is developed to verify the feasibility of the prototype system. The system contains a variety of functional modules, having met the training needs.

Virtual Simulation Training System for Turnout Switching in Transit

Zhu Mingxun, Wu Yueming, Chen Huibin, et al.

In view of the current urban rail transit signaling switching equipment operation andmaintenance as well as the backward and ineffi cient

urban rail transit, turnout switching equipment, virtual simulation, training system

U231.7∶G434

朱明勛：廣東工業(yè)大學機電工程學院，碩士研究生，廣東廣州 510006基金項目：廣州市地下鐵道總公司立項的科研項目

2015-08-21責任編輯 冒一平