車站站場室外場景3D聯(lián)鎖仿真軟件設(shè)計

宋一鋒，楊 揚，王秀峰，劉 宇，鄧 川

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

伴隨我國鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，大規(guī)模的新建線路被開通，更多的車站系統(tǒng)投入運行，現(xiàn)場需引入大批的新員工來保障車站運營安全，同時線路復(fù)雜程度及車站聯(lián)鎖控制難度明顯加大[1]，因此車務(wù)人員能力的培訓(xùn)顯得更加重要。

在鐵路信號系統(tǒng)中，由于專業(yè)設(shè)備多，且體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式因其成本大、效率低等缺點在當(dāng)前市場需求下顯得力不從心[2]。伴隨三維建模技術(shù)的發(fā)展，很多仿真系統(tǒng)得到應(yīng)用。德國、西班牙等國家己經(jīng)采用結(jié)合3D技術(shù)的計算機聯(lián)鎖仿真訓(xùn)練[3]。我國目前相繼出現(xiàn)基于三維模型的信號綜合維護系統(tǒng)，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到鐵路信號設(shè)備，工作人員可通過該系統(tǒng)快速了解設(shè)備的布局、內(nèi)部構(gòu)件及組成[4]。但此類系統(tǒng)僅能進行三維虛擬場景的展示，信號設(shè)備的三維模型未實時地關(guān)聯(lián)設(shè)備動作時的聯(lián)鎖關(guān)系。

本文設(shè)計的車站站場室外場景3D聯(lián)鎖仿真軟件，不僅對信號設(shè)備的構(gòu)件獨立建模，組裝成層次化顯示的三維模型，而且使其與計算機聯(lián)鎖仿真軟件實時信息交互，從而實現(xiàn)對長調(diào)車進路的模擬走車、排列進路等車站室外作業(yè)和3類故障情況的三維動態(tài)復(fù)示，實現(xiàn)了聯(lián)鎖處理與3D設(shè)備間的直接關(guān)聯(lián)。通過該軟件可實時了解鐵路信號設(shè)備的工作狀態(tài)及車站的線路運行情況，為聯(lián)鎖教學(xué)及相關(guān)培訓(xùn)服務(wù)。

1 軟件設(shè)計基礎(chǔ)

1.1 軟件環(huán)境介紹

車站站場室外場景3D聯(lián)鎖仿真軟件的設(shè)計聯(lián)合使用3D MAX和Unity3D軟件。3D MAX適用單個物體的建模，而該軟件設(shè)計對象是整個車站站場室外場景，因此需要游戲引擎Unity3D來控制三維場景中各模型的動作邏輯。Unity3D具有簡單易用的腳本編輯器，支持C#和JavaScript語言，為用戶提供了豐富的插件和封裝好的程序模塊，且官方資源、教程豐富，便于個人或小團隊快速開發(fā)。

本文使用3D MAX對室外信號設(shè)備建模，包括ZD6型電動轉(zhuǎn)轍機、信號機、道岔和軌道電路。其中道岔分為單動道岔、雙動道岔和交叉渡線，上述模型以FBX文件格式導(dǎo)入至Unity3D場景中來搭建車站靜態(tài)場景。之后采用C#編程語言在Unity3D和Visual Studio平臺下制作各信號設(shè)備的三維動畫，并借助Socket通信原理使該軟件實時讀取計算機聯(lián)鎖仿真軟件的信息，從而依次調(diào)用動畫實現(xiàn)車站室外作業(yè)的動態(tài)復(fù)示。軟件設(shè)計流程圖，如圖1所示。

圖1 軟件設(shè)計流程圖

1.2 計算機聯(lián)鎖仿真軟件

計算機聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是車站信號的基礎(chǔ)設(shè)備，它是以微型計算機為主要技術(shù)手段實現(xiàn)車站聯(lián)鎖的實時控制系統(tǒng)[5-6],其聯(lián)鎖控制功能的實現(xiàn)核心為計算機聯(lián)鎖仿真軟件，現(xiàn)場車務(wù)人員使用該軟件來實時控制站場室外信號設(shè)備動作。

計算機聯(lián)鎖仿真軟件包括上位機和聯(lián)鎖機，二者通過車站控制局域網(wǎng)進行通信。上位機具有人機交互功能，將道岔、信號機、鐵軌等站場設(shè)備以簡化的二維模型呈現(xiàn)，如圖2所示。聯(lián)鎖機具有聯(lián)鎖邏輯運算功能，負責(zé)接收上位機的操作命令進行運算處理。運算結(jié)果被上位機讀取后，可使二維界面實時變化顯示。

本文設(shè)計的車站站場室外場景3D聯(lián)鎖仿真軟件，通過實時接收計算機聯(lián)鎖仿真軟件的邏輯運算信息，經(jīng)內(nèi)部算法處理將信息轉(zhuǎn)化為動作命令，依次驅(qū)動車站站場室外3D設(shè)備動作。計算機聯(lián)鎖仿真軟件與車站站場室外場景3D聯(lián)鎖仿真軟件關(guān)系，如圖3所示。

圖2 信號機、道岔、鐵軌等站場設(shè)備的二維模型

圖3 計算機聯(lián)鎖仿真軟件與車站站場室外場景3D聯(lián)鎖仿真軟件關(guān)系圖

2 軟件設(shè)計流程

2.1 建模及場景搭建

對于室外信號設(shè)備的建模，以減小粒度為目標，選擇有教學(xué)實踐意義的構(gòu)件獨立建模，再按照其工作機理組裝，形成層次化顯示的立體模型。例如：ZD6型電動轉(zhuǎn)轍機模型的構(gòu)件包括電動機、電機罩、減速器、速動片、啟動片、自動開閉器、主軸、齒條塊、鎖閉齒輪、動作桿、表示桿及底殼。對于不規(guī)則零件的建模，主要采用3D MAX的布爾運算及放樣技術(shù)。布爾運算可對兩個相交的規(guī)則幾何模型進行差、并、交集運算。放樣是利用兩個平面圖形合成一個立體模型，本文設(shè)計的鐵軌模型是利用AutoCAD文件導(dǎo)入的標準截面圖形與直線合成的，因此放樣技術(shù)便于模型參數(shù)的規(guī)范化。另外建模時在確保真實性的前提下，通過減少不必要的線條來優(yōu)化模型，避免軟件卡頓等問題[7]。

Unity3D軟件有功能強大的地形編輯器，它可以讓開發(fā)者制作出現(xiàn)實場景中復(fù)雜的地形，還可制作地形上的一些元素，比如山丘、樹木、草叢和石頭等[8]。利用其地形編輯功能，構(gòu)建車站站場室外作業(yè)環(huán)境，并將優(yōu)化的信號設(shè)備模型以FBX格式導(dǎo)入Unity3D場景來鋪設(shè)線路。該軟件的場景布局取自車站信號設(shè)備平面布置圖[9]的上行咽喉，如圖4所示。

圖4 Unity3D室外場景

2.2 動畫制作

Unity3D主要以Animation和Animator兩大組件制作動畫，Animation 控制一個動畫的播放，Animator控制多個動畫之間的切換。例如，“轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部動作及帶動道岔轉(zhuǎn)換”的動畫制作分為2步驟：

（1）在Animation面板上設(shè)置模型動作參數(shù)來制作3個獨立動畫，分別是轉(zhuǎn)轍機帶動岔尖由定位到反位、由反位到定位和處于四開狀態(tài)（既未在定位，又未在反位）；

（2）使用Animator組件控制3個動畫之間的切換，3個動畫作為3種狀態(tài)，通過建立有向線段來設(shè)定狀態(tài)間是否連通及走向，且狀態(tài)間的切換由條件控制，可應(yīng)用在界面按鈕的功能設(shè)置。

本文通過紅光帶顯示來表明列車占用軌道電路。每一段軌道電路為一個對象，包含ID號、名稱及狀態(tài)等信息，狀態(tài)信息用以區(qū)分軌道電路空閑、占用或故障占用這2種狀態(tài)。紅光帶顯示的動畫通過C#腳本實現(xiàn)，腳本中設(shè)置Faultstate變量存儲狀態(tài)信息，置1時調(diào)用高亮顯示插件使紅光帶顯示，置0時移除插件使紅光帶消失。

信號機點亮的動畫通過對模型添加Mesh-Renderer組件實現(xiàn)，使用其中的material參數(shù)來設(shè)置信號機上、下燈位的顏色變化。

2.3 界面設(shè)計

遵循直觀性及操作的便捷性，該軟件設(shè)計3個界面，可點擊按鈕自由切換。

（1）轉(zhuǎn)轍機界面，可展示轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部動作及帶動道岔轉(zhuǎn)換的具體過程；

（2）站場俯視圖界面，可直觀地演示線路運行狀態(tài)，左側(cè)文本框用于實時顯示軌道電路的狀態(tài)；

（3）漫游界面，用戶可以第一人稱的視角在場景中自由觀察。如圖5所示。

圖5 軟件界面設(shè)計

各界面的顯示內(nèi)容由攝像機的視角范圍決定，本文創(chuàng)建3個camera分別與3個界面對應(yīng)。對于漫游界面，通過編寫SceneMove.cs類文件使鼠標的左鍵拖動、右鍵拖動、滾輪滑動分別與攝像機的上下平移、角度旋轉(zhuǎn)、x-y平面移動相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)用戶手控個人視角。

界面的按鈕功能設(shè)置分為2種方式：

（1）條件判斷下設(shè)置攝像機true或false狀態(tài)，true代表啟用攝像機，false代表隱藏攝像機，各界面的獨立顯示通過設(shè)置另外兩個攝像機為false實現(xiàn)；

（2）在Button組件的OnClick選項設(shè)置“點擊事件”，可關(guān)聯(lián)點擊按鈕后的動作，所謂事件指編寫的動作函數(shù)，例如：D2信號機點白燈LightWhite()函數(shù)：

void LightWhite(){

SignalD2.transform.Find(“Light_Down2”). Get-Component().material.color=white; //下燈位為白色

SignalD2.transform.Find(“Light_Up2”).Ge-Component().material.color=black;//上燈位為黑色

}

該軟件以第1種方式設(shè)置界面的切換按鈕；以第2種方式設(shè)置每個界面內(nèi)的按鈕功能。各界面加入了按鈕、文本框、彈窗等功能，使軟件的交互操作性和導(dǎo)覽性更強。

2.4 動態(tài)復(fù)示

該軟件所實現(xiàn)的動態(tài)復(fù)示功能建立在與計算機聯(lián)鎖仿真軟件實時通信的基礎(chǔ)上。計算機聯(lián)鎖仿真軟件作為服務(wù)器，該軟件作為客戶端，通信雙方用IP地址加端口號標識各自的進程，建立連接后，用字節(jié)流ReceiveBuffer[] 數(shù)組來寫入或讀取信息。

聯(lián)鎖機經(jīng)邏輯運算的信息本質(zhì)為二進制數(shù)組，每個數(shù)組元素存儲1字節(jié)（byte）的數(shù)據(jù)，字節(jié)的每一位（bit）對應(yīng)一個繼電器，0表示繼電器落下，1表示繼電器吸起。實際車站中信號設(shè)備的動作由多個繼電器的落下或吸起控制，該軟件仍沿用繼電器控制信號設(shè)備動作的方式，通過讀取數(shù)組元素中不同位的狀態(tài)信息進行條件判斷，進而調(diào)用不同動作函數(shù)來控制三維動畫的演示。信號設(shè)備的繼電器狀態(tài)信息與三維動畫的對應(yīng)關(guān)系,如表1所示。

表1 信號設(shè)備的繼電器狀態(tài)信息與三維動畫的關(guān)系

例如，模擬走車過程是由多個動作按時序組成的：位于進路始端的軌道電路紅光帶顯示，同時始端信號機由點白燈變?yōu)辄c藍燈，隨后下一個軌道區(qū)段的紅光帶顯示，始端紅光帶消失，并按照此規(guī)律紅光帶依次顯示和消失，直至進路終端。此過程中，聯(lián)鎖機將每個動作均編碼為繼電器的狀態(tài)信息，由于計算機聯(lián)鎖仿真軟件與該軟件通信的實時性，因此模擬走車中串聯(lián)的動作被轉(zhuǎn)化為具有時序的狀態(tài)信息。該軟件在腳本中通過對實時接收的狀態(tài)信息條件判斷來控制三維動畫依次播放，實現(xiàn)模擬走車的動態(tài)復(fù)示。該軟件的排列進路及故障判定功能的實現(xiàn)原理和上述相同。

3 結(jié)束語

車站站場室外場景3D聯(lián)鎖仿真軟件通過關(guān)聯(lián)設(shè)備動作時的聯(lián)鎖關(guān)系，實現(xiàn)車站聯(lián)鎖控制的三維實時動態(tài)復(fù)示，包括排列進路、長調(diào)車進路的模擬走車等列車作業(yè)及3類故障模擬。該軟件可為聯(lián)鎖教學(xué)和相關(guān)培訓(xùn)服務(wù)，便于鐵路新入職人員及院校學(xué)生快速熟悉車站聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的原理。后期的軟件開發(fā)中，可結(jié)合現(xiàn)場的維修維護系統(tǒng)，軟件通過讀取實時傳送的維修維護信息，直觀地在三維場景中演示現(xiàn)場故障情況，便于維修人員快速了解車站室外的故障信息。