基于VR設(shè)備的地鐵列車故障檢修的仿真研究

張佳麗，郎誠(chéng)廉

（同濟(jì)大學(xué) 電氣工程系，上海 200331）

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快，人口密度迅速擴(kuò)大，地鐵出行已成為必不可少的交通方式。地鐵系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)壓力的日益繁重，運(yùn)行中產(chǎn)生故障概率將大幅提高，列車車輛段檢修人員的日常維護(hù)與檢修工作確保了列車安全運(yùn)營(yíng)。所以有必要對(duì)檢修人員進(jìn)行列車檢修的培訓(xùn)，鑒于城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，學(xué)員培訓(xùn)有時(shí)不可能完全在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，大部分培訓(xùn)工作都需要在培訓(xùn)中心或?qū)嵙?xí)基地內(nèi)完成，因此教學(xué)過程中使用城軌列車仿真系統(tǒng)進(jìn)行輔助培訓(xùn)是一種很好的選擇[1]。

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR ，virtual reality）技術(shù)已被應(yīng)用到軍事、醫(yī)學(xué)、石油、航空、建筑、房地產(chǎn)、影視等眾多領(lǐng)域中，一些高校將VR技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)、船舶輔機(jī)拆裝訓(xùn)練等實(shí)訓(xùn)教學(xué)中并取得了一定成效［2-3］，但其輸入設(shè)備普遍采用鼠標(biāo)、鍵盤和觸屏，顯示設(shè)備為顯示器、投影儀等，局限于桌面式平面虛擬化，用戶參與感、體驗(yàn)感、沉浸感不強(qiáng)。

本文主要是將沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入軌道交通仿真與研究，以Visual Studio C# 2017 作為程序編譯器，利用Unity3D 應(yīng)用開發(fā)引擎，外接HTC vive虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器（VR 頭顯），結(jié)合HTC 手柄來搭建地鐵列車故障檢修平臺(tái)?；赩R設(shè)備的地鐵列車故障檢修，其優(yōu)點(diǎn)包括：（1）采用HTC vive虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器（VR 頭顯）替代傳統(tǒng)的顯示設(shè)備，使用戶身臨其境地沉浸于三維虛擬場(chǎng)景；（2）編輯腳本控制手柄，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景中設(shè)備的操控，具有更好的人機(jī)交互性能，提高了學(xué)員的體驗(yàn)效果，達(dá)到沉浸式體驗(yàn)效果。學(xué)員通過平臺(tái)可以直觀準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)到列車運(yùn)行中發(fā)生的故障類型及相應(yīng)的故障排除方法。

1 虛擬列車場(chǎng)景的建模

利用3ds MAX建立地鐵列車故障檢修所需要的列車，3ds MAX是基于PC 系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件，與別的軟件相比，它擁有強(qiáng)大的角色動(dòng)畫制作能力。Unity3D 所需要的FBX 格式的模型文件，可由3ds MAX導(dǎo)出。

1.1 場(chǎng)景材料收集

列車模型的尺寸，內(nèi)部設(shè)備的結(jié)構(gòu)及安裝位置等數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際的軌道交通的真實(shí)環(huán)境進(jìn)行收集。使用Photoshop對(duì)模型紋理、材質(zhì)、尺寸進(jìn)行修正。

1.2 列車設(shè)備建模

利用3ds MAX將采集好的材料與處理好的貼圖以列車內(nèi)部的零部件為單位，分別對(duì)電器柜、操縱臺(tái)、車門等設(shè)備以及列車整體進(jìn)行建模。同時(shí)，在建模過程中合理確定各個(gè)零部件的坐標(biāo)，確保在導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 中，將各個(gè)模型坐標(biāo)歸零后，零部件位置不會(huì)出現(xiàn)偏差。

1.3 場(chǎng)景搭建

（1）將3dsMax 建立好的模型導(dǎo)入工程的Assets文件夾下，Unity 會(huì)自動(dòng)讀取模型的材質(zhì)、貼圖、動(dòng)畫等內(nèi)容并創(chuàng)建文件夾予以歸類。

（2）通過將Assets 文件夾下的對(duì)象，拖入層級(jí)視圖中，創(chuàng)建場(chǎng)景中的模型對(duì)象。

（3）通過面板右側(cè)Inspector 界面調(diào)節(jié)模型在場(chǎng)景中的坐標(biāo)位置，旋轉(zhuǎn)角度和縮放比例，將各個(gè)零部件模型拼裝成一列完整的虛擬列車。

虛擬列車模型以上海軌道交通3號(hào)線為原型，列車編組為6 節(jié)，因此場(chǎng)景由TC1、MP1、M1、M2、MP2、TC2，6 節(jié)車廂構(gòu)成。

2 Unity3D虛擬場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)

Unity3D 是一款跨平臺(tái)應(yīng)用開發(fā)引擎，可以輕松創(chuàng)建諸如虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)綜合型開發(fā)工具。其內(nèi)置的NVIDIA PhysX 物理引擎，可以逼真模擬剛體碰撞、外力作用等效果。Unity3D 平臺(tái)可以使用內(nèi)置MonoDevelop 編譯器，并支持Visual Studio C# 2017作為外部編譯器對(duì)代碼進(jìn)行調(diào)試。同時(shí)Unity3D 對(duì)跨平臺(tái)開發(fā)提供了最佳支持，支持各種編譯語言，包括C#，JavaScript，boo 等，并能夠?qū)︱?qū)動(dòng)程序進(jìn)行多平臺(tái)的封裝。本虛擬場(chǎng)景主要模擬了列車運(yùn)行狀態(tài)中故障的前后現(xiàn)象，外接HTC Vive虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器（VR 頭顯），結(jié)合HTC 手柄來實(shí)現(xiàn)與場(chǎng)景的交互功能。

2.1 VR設(shè)備的交互

HTC Vive 是一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，由 HTC 和Valve 公司制造。它提供一種在虛擬世界中的浸入式體驗(yàn)，結(jié)合HTC 手柄可以在與場(chǎng)景交互過程中達(dá)到更逼真的效果。

2.1.1 SteamVR的配置

將HTC Vive 設(shè)備外部硬件配置好，通過Unity3D 的Asset 商店下載SteamVR SDK，在我們的項(xiàng)目中導(dǎo)入SteamVR，打開這個(gè)文件夾，從Prefabs 文件中將[CameraRig] 拖到結(jié)構(gòu)窗口，同時(shí)刪除結(jié)構(gòu)視圖中的主攝像機(jī)，避免干擾 [CameraRig]的相機(jī)。[CameraRig] 插件控制 Vive 頭盔和HTC 的左右手柄。圖1的SteamVR綠色圖標(biāo)表明HTC Vive的頭戴式顯示器、手柄、定位器都已經(jīng)配置完成，可以對(duì)其進(jìn)行后續(xù)的控制編程。

圖1 SteamVR配置圖

2.1.2 HTC輸入手柄的確定

HTC手柄是被跟蹤的對(duì)象——它們?cè)谡鎸?shí)世界中的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)都會(huì)被 HTC Vive 跟蹤到并傳遞到虛擬世界里。在對(duì)手柄上加載各種功能之前，要確定事件觸發(fā)的具體手柄。HTC左右手柄下面都有SteamVR_TrackedObject這個(gè)組件，在這個(gè)組件下，系統(tǒng)內(nèi)部隨機(jī)分配了不同的index值，通過讀取index值就可以確定具體觸發(fā)的手柄。

其實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）創(chuàng)建c#，將腳本掛載到[CameraRig]下面的左右手柄controller(left)和 controller(right)中，添加一個(gè)控制與追蹤的組件SteamVR_TrackObject trackedobject；

（2）在 Update() 上方添加代碼，通過獲取手柄的index值來確定具體觸發(fā)的手柄，當(dāng)腳本加載時(shí)trackedObject 會(huì)被賦值為 SteamVR_TrackedObject對(duì)象，這個(gè)對(duì)象和手柄是關(guān)聯(lián)的，就可以對(duì)手柄進(jìn)行訪問，其具體流程，如圖2所示。

圖2 HTC輸入手柄確定的流程圖

2.2 列車檢修場(chǎng)景漫游

地鐵列車檢修的漫游包括小范圍的實(shí)時(shí)移動(dòng)和大范圍的瞬移，考慮到HTC Vive活動(dòng)范圍有限制（3 m×5 m），小范圍的實(shí)時(shí)移動(dòng)可以通過改變HTC Vive頭戴式顯示器（VR 頭顯）的位置來實(shí)現(xiàn)，大范圍的移動(dòng)通過瞬移的方式來實(shí)現(xiàn)。

在檢修場(chǎng)景中，利用HTC的手柄選取檢修場(chǎng)景的位置，通過扳機(jī)鍵進(jìn)行瞬間移動(dòng)，視野就會(huì)跳轉(zhuǎn)到所選擇的區(qū)域。利用瞬移的檢修方式，可以對(duì)列車進(jìn)行大范圍的一個(gè)檢查。利用HTC的手柄來進(jìn)行瞬移功能要使用到3個(gè)組件，Vive NavMesh 組件控制Unity的NavMesh系統(tǒng)到可渲染網(wǎng)格的轉(zhuǎn)換。它還會(huì)計(jì)算NavMesh的邊界，在選擇瞬移位置時(shí)，可以被顯示出來。Parabolic Pointer 組件生成一個(gè)指示網(wǎng)格并從Vive NavMesh進(jìn)行采樣。Vive Teleporter組件控制實(shí)際傳送機(jī)制，它從Parabolic Pointer 找出指示數(shù)據(jù)確定瞬移的具體位置。

將這3個(gè)組件拖到結(jié)構(gòu)窗口，利用Vive Nav-Mesh 組件確定將可進(jìn)行瞬移的合理區(qū)域進(jìn)行渲染，避免瞬移到列車邊界及不透明的物體內(nèi)部。利用Vive Teleporter 組件，進(jìn)行位置的傳送，當(dāng)觸發(fā)扳機(jī)鍵時(shí)，本系統(tǒng)通過貝塞爾曲線，使用了直觀的拋物線選擇機(jī)制。生成選擇地點(diǎn)的遠(yuǎn)近將由用戶將控制器手柄舉到更高的角度來決定。如果用戶將手柄舉起角度＞45。（拋物線的最大距離）時(shí)，角度將會(huì)鎖定在這個(gè)距離，從而實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)移動(dòng)。列車檢修場(chǎng)景的瞬移流程圖，如圖3所示，漫游效果，如圖4所示。

2.3 列車設(shè)備故障檢修

本章主要通過學(xué)習(xí)列車設(shè)備中的邏輯關(guān)系，包括電器柜、車門邏輯等，根據(jù)列車設(shè)備電氣邏輯圖，進(jìn)行常見的故障設(shè)置，根據(jù)設(shè)備出現(xiàn)的故障利用外接HTC的手柄進(jìn)行檢修，排查故障。

圖3 場(chǎng)景瞬移流程圖

圖4 場(chǎng)景瞬移效果圖

2.3.1 列車故障現(xiàn)象模擬

將每節(jié)車廂作為一個(gè)單位，通過各自獨(dú)立的腳本來傳送當(dāng)前場(chǎng)景的數(shù)據(jù)，封裝為一個(gè)以Mono-Behaviour 為基類的類對(duì)象?？紤]到大多數(shù)設(shè)備按鈕只有兩個(gè)狀態(tài)，因此設(shè)定0 為關(guān)（故障）狀態(tài)，1 為開（運(yùn)行）狀態(tài)，少數(shù)設(shè)備有多種狀態(tài)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行定義。

通過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)器讀取場(chǎng)景中的腳本，接收到列車的設(shè)備狀態(tài)，當(dāng)切換場(chǎng)景時(shí)由于場(chǎng)景內(nèi)資源被釋放，列車設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)由監(jiān)測(cè)器保留，當(dāng)進(jìn)入下一場(chǎng)景后，場(chǎng)景中的腳本讀取監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)器中的數(shù)據(jù)，根據(jù)電氣邏輯做出相應(yīng)的響應(yīng)。如圖5所示，以電器柜中操作臺(tái)中開門電路斷路器(DOCB) 過流狀態(tài)為例。

當(dāng)電器柜DOCB 過流跳下，監(jiān)測(cè)器接收到其數(shù)據(jù)狀態(tài)從1 變?yōu)?，根據(jù)列車電氣邏輯進(jìn)行處理后，顯示故障現(xiàn)象為：開門時(shí)，列車門無法打開。

2.3.2 基于VR設(shè)備的人機(jī)交互

利用外接VR設(shè)備，HTC手柄來代替手對(duì)列車故障進(jìn)行檢修，可以使學(xué)員在沉浸的場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)自然、有效的人機(jī)交互動(dòng)作。

以檢修電器柜中操作臺(tái)中開門電路斷路器（DOCB）為例，闡述交互的過程。確定發(fā)出信號(hào)的HTC手柄，再采用 Lighthouse 光學(xué)跟蹤技術(shù)，跟蹤用戶的頭部以及手部的傳感器位置，將位置信息傳遞給場(chǎng)景內(nèi)，在開門電路斷路器（DOCB）中掛載Box Collider 碰撞器的組件。利用手部的代替模型（HTC手柄）與開門電路斷路器（DOCB）發(fā)生碰撞檢測(cè)。若HTC手柄與開門電路斷路器（DOCB）發(fā)生碰撞并且符合檢修的條件時(shí)，觸發(fā)手柄的按鍵，將開門電路斷路器（DOCB）合上，排除電器柜中開門電路斷路器（DOCB）的故障。

圖5 電器柜DOCB過流故障

3 列車輔助教學(xué)模塊設(shè)計(jì)

輔助教學(xué)程序的主要功能是對(duì)學(xué)員在地鐵列車維修仿真培訓(xùn)過程中進(jìn)行相應(yīng)理論知識(shí)內(nèi)容的配套學(xué)習(xí)。

在輔助教學(xué)程序中，學(xué)習(xí)場(chǎng)景的主要功能是提供整個(gè)列車結(jié)構(gòu)、零部件知識(shí)的學(xué)習(xí)，主要關(guān)于TC1、MP1、M1、M2、MP2、TC2，6 節(jié)車廂以及車廂各自的零部件知識(shí)內(nèi)容，通過可視化的界面，使學(xué)員能在學(xué)習(xí)中很快找到自己所需的信息。以講解零部件為例，在界面上方顯示展示的零部件，界面下方會(huì)出現(xiàn)零部件文字部分的講解，長(zhǎng)滑塊下方上、下、左、右按鍵可輔助控制零部件視角的位移變換，學(xué)員可以更好、更深刻地了解各個(gè)零部件的重要知識(shí)。

4 結(jié)束語

本文以上海軌道交通3號(hào)線為原型，通過3ds MAX 建模軟件完成對(duì)虛擬列車場(chǎng)景的建立，對(duì)列車各車廂零部件如電器柜，受電弓等進(jìn)行詳細(xì)建模，以C# 為底層編碼，利用Unity3D 作為驅(qū)動(dòng)，外接HTC Vive的頭戴式顯示器（VR 頭顯），結(jié)合HTC 手柄，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的驅(qū)動(dòng)控制?；赩R設(shè)備的列車檢修系統(tǒng)具有很強(qiáng)的真實(shí)性和交互性，能夠逼真地模擬故障發(fā)生的情況，提高了檢修人員在遇到故障時(shí)的反應(yīng)能力，強(qiáng)化檢修人員對(duì)列車故障如列車電器柜斷路器故障、受電弓故障、車門故障等有相對(duì)應(yīng)的應(yīng)急能力，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。