基于Unity3D的電磁軌道仿真平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)*

龐海亮

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

在工業(yè)控制領(lǐng)域中，組態(tài)軟件作為開發(fā)綜合監(jiān)控系統(tǒng)常用的平臺(tái)應(yīng)用非常廣泛，常見的組態(tài)軟件包括西門子WinCC、施耐德Intouch、北京亞控KingView和上海電氣NetControl等。不同品牌的組態(tài)軟件雖然在具體開發(fā)使用方面有所不同，但在總體功能框架方面都非常類似，同時(shí)也都存在一個(gè)問題： 由于對(duì)三維畫面支持不佳，因此不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備地理信息系統(tǒng)(GIS)監(jiān)控、設(shè)備自動(dòng)巡檢、設(shè)備仿真運(yùn)行等功能[1]。

近幾年，隨著計(jì)算機(jī)硬件及軟件技術(shù)不斷進(jìn)步，虛擬仿真技術(shù)不斷被應(yīng)用于各行各業(yè)。Unity3D作為一款性能強(qiáng)大的跨平臺(tái)開發(fā)軟件，應(yīng)用也越來越廣泛。采用Unity3D軟件開發(fā)電磁軌道交通仿真平臺(tái)三維綜合監(jiān)控系統(tǒng)，通過改變?nèi)S監(jiān)控系統(tǒng)中人物模型的視角，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維場(chǎng)景中的設(shè)備進(jìn)行巡檢等功能[2]，同時(shí)三維監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)⒎抡嫫脚_(tái)上的設(shè)備及設(shè)備狀態(tài)信息以純數(shù)字化模型進(jìn)行展示，以提供更直觀的監(jiān)控效果。

1 系統(tǒng)概述

1.1 電磁軌道交通仿真平臺(tái)

電磁軌道交通是以地面鋪設(shè)的磁釘作為車輛行駛導(dǎo)軌的一種無人駕駛交通模式，目前這一交通模式被應(yīng)用于公共交通領(lǐng)域，具有道路改造成本低、建設(shè)周期短、設(shè)備維護(hù)成本低等多種優(yōu)勢(shì)。

電磁軌道交通模擬仿真平臺(tái)是按電磁軌道交通原理制作的一個(gè)沙盤，具備與實(shí)際電磁軌道交通相同的功能，同時(shí)配備若干對(duì)外數(shù)據(jù)接口，可以實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的互聯(lián)及數(shù)據(jù)交互。電磁軌道交通仿真平臺(tái)如圖1所示，對(duì)外提供的數(shù)據(jù)種類見表1。

表1 電磁軌道交通仿真平臺(tái)對(duì)外數(shù)據(jù)接口

圖1 電磁軌道交通仿真平臺(tái)

1.2 Unity3D

Unity3D是一款跨平臺(tái)圖形化三維軟件，能夠提供渲染、物理模擬、音樂音效、腳本及場(chǎng)景管理等基本功能，具有可視化編輯開發(fā)環(huán)境，支持包括C#、JavaScript在內(nèi)的腳本語言，默認(rèn)的腳本編輯器為Monodevelop，也可使用Visual Studio作為腳本編輯器?？蓪⑼ㄟ^3Dmax、Maya建立的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中進(jìn)行相應(yīng)的操作，通過編寫對(duì)應(yīng)的腳本可以實(shí)現(xiàn)模型的各種動(dòng)態(tài)模擬效果[3]。

1.3 NetControl

NetControl是上海電氣推出的一款工業(yè)組態(tài)軟件，目前已在電力系統(tǒng)、軌道交通、泵站系統(tǒng)中應(yīng)用，具備監(jiān)控系統(tǒng)畫面組態(tài)、腳本控制、數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)、控件二次開發(fā)等多種功能。通過NetControl與仿真平臺(tái)互聯(lián)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互操作，并可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新至SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.4 系統(tǒng)整體框架

整個(gè)系統(tǒng)包括仿真平臺(tái)、NetControl監(jiān)控系統(tǒng)、SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)、Unity3D工程。整體框架分為四層，仿真平臺(tái)作為被控對(duì)象提供數(shù)據(jù)源，NetControl監(jiān)控系統(tǒng)作為二維監(jiān)控系統(tǒng)與仿真平臺(tái)互聯(lián)，SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)NetControl監(jiān)控系統(tǒng)中記錄的數(shù)據(jù)，Unity3D工程通過連接SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)取得數(shù)據(jù)并通過腳本實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)畫效果。系統(tǒng)整體框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體框架

2 NetControl監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

NetControl中集成了大量的預(yù)制圖標(biāo)、控件等模板，可直接用于監(jiān)控畫面組態(tài)，并通過綁定變量或編寫腳本進(jìn)行監(jiān)控畫面的顯示與控制。同時(shí)，NetControl中還集成了大量通信驅(qū)動(dòng)程序，可以與多種控制器進(jìn)行設(shè)備互聯(lián)。NetControl監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要分為以下幾個(gè)步驟。

2.1 建立設(shè)備連接

系統(tǒng)中，仿真平臺(tái)由其它廠家提供，支持Modbus通信協(xié)議。在NetControl中建立Modbus類型輸入與輸出設(shè)備連接，并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置，將仿真平臺(tái)控制器掛載在NetControl建立的輸入輸出連接中，作為服務(wù)器端，NetControl監(jiān)控系統(tǒng)則作為客戶端，如圖3所示。

圖3 設(shè)備連接示意圖

2.2 建立輸入輸出變量

在建立設(shè)備輸入輸出連接后，在連接中建立對(duì)應(yīng)的輸入輸出變量，用于NetControl與仿真平臺(tái)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。圖4所示為截取的部分輸入輸出變量。

圖4 部分輸入輸出變量截圖

2.3 監(jiān)控畫面組態(tài)

系統(tǒng)中的監(jiān)控畫面主要包括車輛運(yùn)行狀態(tài)畫面、車站設(shè)備畫面和交通燈狀態(tài)畫面，通過利用NetControl內(nèi)置的多種控件及圖標(biāo)完成所有監(jiān)控畫面的組態(tài)，并將在設(shè)備連接中建立的輸入輸出變量與對(duì)應(yīng)的控件進(jìn)行綁定。由于在實(shí)現(xiàn)畫面動(dòng)態(tài)功能方面進(jìn)行簡(jiǎn)單的變量綁定是無法實(shí)現(xiàn)的，因此可以使用NetControl集成的用戶程序功能開發(fā)對(duì)應(yīng)的控制腳本。

NetControl的用戶程序功能支持C#語言，并在用戶程序功能中集成了多種類和方法，可以直接調(diào)用，并且可以編寫自定義類及方法，還可以添加外部程序集，使NetControl具備功能強(qiáng)大的自定義開發(fā)。圖5所示為截取的屏蔽門監(jiān)控畫面。

圖5 屏蔽門監(jiān)控畫面截圖

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)

為了實(shí)現(xiàn)Unity3D與仿真平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)采用NetControl將仿真平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的方法，然后Unity3D通過連接SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)獲取仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

在NetControl中具備外部訪問功能，可以實(shí)現(xiàn)Unity3D訪問NetControl[4-5]。事實(shí)上，NetControl的外部訪問功能就是將需要記錄數(shù)據(jù)的變量值存儲(chǔ)至SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)并實(shí)時(shí)更新，外部設(shè)備通過SQL Server提供的ADO.Net數(shù)據(jù)庫(kù)接口對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接、訪問，進(jìn)而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)NetControl的訪問。

在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)之前，需要在SQL Server中建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)表，且數(shù)據(jù)表中需要具備一個(gè)主鍵，其它列也需要和NetControl中的變量一一對(duì)應(yīng)。

實(shí)現(xiàn)NetControl外部訪問的具體步驟如下。

(1) 在NetControl的外部訪問功能中新建配置項(xiàng)，并選擇數(shù)據(jù)庫(kù)類型，如圖6所示。

圖6 新建外部訪問配置項(xiàng)截圖

(2) 配置數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)表的來源，并為數(shù)據(jù)表中對(duì)應(yīng)的項(xiàng)綁定NetControl中的輸入輸出變量，完成輸入輸出變量實(shí)時(shí)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)的表中，如圖7、圖8所示。

圖7 選擇數(shù)據(jù)庫(kù)截圖

圖8 數(shù)據(jù)表與輸入輸出變量綁定截圖

3 Unity3D工程的實(shí)現(xiàn)

模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D軟件后，需要通過編寫腳本實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫控制。

導(dǎo)入至Unity3D軟件中的主要模型包括車輛、車站(含閘機(jī)、屏蔽門、信息顯示屏等)、交通燈等，這些模型的數(shù)據(jù)都來自于通過NetControl外部訪問功能保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)值。實(shí)現(xiàn)Unity3D動(dòng)畫控制的步驟如下。

3.1 連接SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取數(shù)據(jù)

在Unity3D中可以添加外部程序集、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，同時(shí)Unity3D對(duì).Net Framework框架具有良好的支持。Unity3D中采用ADO.Net數(shù)據(jù)庫(kù)接口對(duì)SQL Server進(jìn)行連接、訪問[6-7]。

采用ADO.Net技術(shù)需要添加幾種動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，包含System.Data.dll、System.Data.SqlClient、I18N.Dll、I18N.CJK.Dll、I18N.West.Dll等[8-9]，外部動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件需要導(dǎo)入至Unity3D資源目錄Assets中的Plugins目錄下，此目錄下的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)會(huì)自動(dòng)添加至腳本程序的引用中，從而在編寫腳本程序時(shí)可以調(diào)用相應(yīng)的方法。

完成以上操作后，可以進(jìn)行腳本程序代碼的編寫。在Unity3D中對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作的主要代碼包括以下幾個(gè)部分。

(1) 獲取SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)的網(wǎng)際協(xié)議(IP)地址，如圖9所示。

圖9 獲取數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)IP地址代碼

(2) 根據(jù)連接字符串連接SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接操作放在Start方法中進(jìn)行。這一方法在Unity3D運(yùn)行時(shí)被調(diào)用，并且只調(diào)用一次，如圖10所示。

圖10 Start方法代碼

(3) 應(yīng)用SQL語句對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢，并將對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢操作放在FixedUpdate方法中。這一方法在Unity3D運(yùn)行過程中周期性調(diào)用，執(zhí)行周期可進(jìn)行設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)[10]，如圖11所示。獲取數(shù)據(jù)后，按不同的數(shù)據(jù)信號(hào)類型放置在對(duì)應(yīng)的數(shù)組中。

圖11 FixedUpdate方法代碼

3.2 動(dòng)畫效果控制

根據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)獲得的數(shù)據(jù)對(duì)Unity3D中的物體進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果。通過編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn)車輛行駛、車門開關(guān)、閘機(jī)啟閉、屏蔽門開合、交通燈變化等，由于篇幅有限，此處不再列出詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)代碼。實(shí)際效果如圖12所示。

圖12 電磁軌道交通虛擬效果

4 結(jié)束語

采用Unity3D和NetControl組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了電磁軌道交通仿真平臺(tái)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，系統(tǒng)不僅具有數(shù)據(jù)信息與狀態(tài)顯示功能，而且可以進(jìn)行三維動(dòng)畫監(jiān)控，對(duì)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控更逼真、直觀[11]。筆者所介紹模式可應(yīng)用于多種監(jiān)控系統(tǒng)中，如地下軌道交通站點(diǎn)綜合監(jiān)控、工廠綜合監(jiān)控等。

另一方面，由于NetControl的外部訪問功能向數(shù)據(jù)庫(kù)更新數(shù)據(jù)的最短周期為1s，在一定程度上會(huì)造成數(shù)據(jù)更新滯后，因此在未來改進(jìn)中可采用在Unity3D中編寫腳本程序的方法直接與外部設(shè)備進(jìn)行輸入輸出通信[12]，從而使數(shù)據(jù)更新的實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。

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