基于虛擬現(xiàn)實(shí)的列車(chē)電氣仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

高家濤 方宇 胡定玉 宋小廣 丁亞琦

摘 要：地鐵列車(chē)電氣系統(tǒng)的維保工作日益顯要，亟需開(kāi)發(fā)出高效、實(shí)用性強(qiáng)的列車(chē)電氣仿真系統(tǒng)。針對(duì)列車(chē)電氣仿真的難題，設(shè)計(jì)一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的列車(chē)電氣仿真系統(tǒng)。首先利用Creo軟件，建立地鐵列車(chē)模型;然后，利用3DMAX軟件制作動(dòng)畫(huà)，演示列車(chē)電氣系統(tǒng)的工作原理和動(dòng)作過(guò)程;最后，利用unity 3D軟件，建立人機(jī)交互機(jī)制，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)感和真實(shí)感。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵列車(chē)電氣系統(tǒng)的知識(shí)學(xué)習(xí)、學(xué)員考核、原理展示以及故障檢修等功能，彌補(bǔ)了現(xiàn)有列車(chē)電氣系統(tǒng)的不足。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);地鐵列車(chē);電氣系統(tǒng);模擬仿真

文章編號(hào)：2095-2163（2019）04-0154-05 中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

軌道交通以承載客流量大、速度快、安全性高等優(yōu)勢(shì)，成為各大城市緩解交通出行壓力問(wèn)題的良好方案，而且其發(fā)展正逐漸由建設(shè)期過(guò)渡為運(yùn)維期，檢修與維護(hù)的重要性日趨凸顯。同時(shí)，列車(chē)電氣系統(tǒng)相關(guān)的檢修以及維護(hù)也顯得尤為重要，因其能否安全穩(wěn)定運(yùn)行將直接關(guān)系到整個(gè)地鐵列車(chē)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量與水平?，F(xiàn)代化多媒體高端技術(shù)的不斷涌現(xiàn)給電路系統(tǒng)仿真提供了便利。

現(xiàn)有地鐵列車(chē)電氣系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和展示方式有2種。對(duì)此可做探討表述如下。

（1）是電氣系統(tǒng)二維電路圖，這樣的電路圖，無(wú)論是基于紙質(zhì)版、還是基于電子版，都是一種死板復(fù)雜的方式，僅能看到密密麻麻的直線和各種元器件的電路符號(hào)，是一種較為原始的電氣系統(tǒng)表現(xiàn)方式，無(wú)法直觀地表現(xiàn)出電路布線和元器件在列車(chē)上的具體位置，對(duì)電氣系統(tǒng)電路展示和列車(chē)維保人員電氣系統(tǒng)檢修的培訓(xùn)都十分不便。

（2）是基于計(jì)算機(jī)的二維電氣系統(tǒng)仿真軟件，這是一種較為先進(jìn)的電氣系統(tǒng)展示方式，可以靈活地展示電流走向，但是這種二維電氣系統(tǒng)仿真軟件，沒(méi)有空間即視感，在二維觀念下無(wú)法與現(xiàn)實(shí)地鐵列車(chē)電氣系統(tǒng)相匹配?，F(xiàn)有電氣系統(tǒng)展示形式存在諸多弊端，也已然難以滿足地鐵公司的員工培訓(xùn)和電氣故障檢修的配合工作。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)列車(chē)電氣系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的研究較少，大多都是對(duì)其運(yùn)行特性進(jìn)行數(shù)據(jù)形式的仿真，例如，中國(guó)中車(chē)中央研究院的王晗教授，針對(duì)高速列車(chē)的電氣系統(tǒng)的運(yùn)行特性，搭建了一套綜合仿真平臺(tái)[1]，但未涉及電氣系統(tǒng)電氣線路排布和電流走向等仿真。本文將運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以電氣系統(tǒng)在真實(shí)地鐵列車(chē)的排布以及工作原理和動(dòng)作過(guò)程為依據(jù)，進(jìn)行模擬仿真，設(shè)計(jì)一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)的列車(chē)電氣仿真系統(tǒng)。本系統(tǒng)真實(shí)模擬地鐵列車(chē)，將電氣系統(tǒng)排布在列車(chē)車(chē)體內(nèi)，增強(qiáng)立體感，方便學(xué)員學(xué)習(xí)和觀察，了解電路在車(chē)體內(nèi)的排布位置，也方便電氣系統(tǒng)排故參考和指導(dǎo)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality），簡(jiǎn)稱VR 技術(shù)，主要是借助于計(jì)算機(jī)生成三維虛擬空間，對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行模擬，通過(guò)多種信息的融合與交互，達(dá)到對(duì)聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)以及觸覺(jué)等多方面感官的模擬，產(chǎn)生一種身臨其境之感[2]。借助于數(shù)字頭盔、數(shù)字手套等多種數(shù)字化設(shè)備，使模擬環(huán)境更為逼真地貼近現(xiàn)實(shí)，從而獲得更好的人機(jī)交互體驗(yàn)[3]。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特性及優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有三大特性，對(duì)其闡述如下。

（1）沉浸感。利用場(chǎng)景和情節(jié)設(shè)定等，結(jié)合人類(lèi)的感官特點(diǎn)，構(gòu)造一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，使人沉浸其中，獲得身臨其境的感覺(jué)。

（2）交互性。虛擬環(huán)境里物體會(huì)與用戶的肢體活動(dòng)產(chǎn)生互動(dòng)，使用戶和虛擬世界之間建立起有趣的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)更為直接有效的人機(jī)交互作用。

（3）構(gòu)想性。在有限的空間內(nèi)營(yíng)造豐富的真實(shí)化場(chǎng)景，籌建一個(gè)充滿想象的空間，用戶能夠在系統(tǒng)配置的定性和定量的環(huán)境下進(jìn)行合理性的發(fā)掘，提升科學(xué)認(rèn)識(shí)，拓展思維想象[4]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)就是逼真地模擬真實(shí)場(chǎng)景，突破時(shí)空限制，以沉浸感增強(qiáng)信息的傳播效率，以交互性調(diào)動(dòng)用戶的積極性，以構(gòu)想性增加用戶的趣味性[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有效地解決了很多不便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的難題，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)研究、珍貴文物展示等領(lǐng)域。

2 列車(chē)電氣仿真系統(tǒng)架構(gòu)

列車(chē)電氣仿真系統(tǒng)主要目的是供客戶、學(xué)員等人群來(lái)瀏覽和考察列車(chē)的電氣系統(tǒng)，以及學(xué)習(xí)和研究列車(chē)電氣系統(tǒng)的工作原理和動(dòng)作過(guò)程，另外，還將涉及對(duì)列車(chē)電器系統(tǒng)的故障模擬和檢修等?；诖耍芯康玫降谋倦姎庀到y(tǒng)功能架構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，對(duì)該系統(tǒng)功能架構(gòu)可做闡釋解析如下。

（1）展示功能：可以向觀眾展示列車(chē)電氣系統(tǒng)的工作原理和動(dòng)作過(guò)程，可以自由選擇展示的分支系統(tǒng)，靈活切換全景展示和部分展示，方便觀眾察看細(xì)節(jié)。

（2）學(xué)習(xí)功能：學(xué)員可以自由學(xué)習(xí)電路工作原理和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行虛擬演示。根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況切換成自己在理解和掌握上仍顯薄弱的分支系統(tǒng)，不受無(wú)關(guān)電路系統(tǒng)的干擾。

（3）培訓(xùn)功能：可以借助該系統(tǒng)對(duì)新增學(xué)員進(jìn)行培訓(xùn)，打破時(shí)空的限制，遠(yuǎn)離檢修現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)模擬現(xiàn)實(shí)故障檢測(cè)與維修訓(xùn)練等，在虛擬訓(xùn)練中使學(xué)員輕松掌握基礎(chǔ)的檢修技術(shù)。

（4）考核功能：在虛擬電氣系統(tǒng)中，隨意設(shè)置故障點(diǎn)、故障模式等，要求找出故障點(diǎn)和故障原因，并排除故障，進(jìn)行故障檢修考核。學(xué)員可以隨時(shí)開(kāi)啟自我考察，檢驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)效果，對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行鞏固和消化。

（5）檢修功能：可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的檢修方案和檢修計(jì)劃進(jìn)行推演驗(yàn)證，配合現(xiàn)場(chǎng)的故障檢修。

為實(shí)現(xiàn)這些功能，該系統(tǒng)中進(jìn)一步設(shè)置了控制命令，詳見(jiàn)如下。

（1）系統(tǒng)分支選擇（系統(tǒng)全示）命令：選擇目標(biāo)分支系統(tǒng)，將目標(biāo)分支獨(dú)立出來(lái)（全景顯示整體列車(chē)/電氣系統(tǒng)）。

（2）消隱（顯示）命令：把目標(biāo)以外的東西消隱（顯示），方便看清楚存有疑惑目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)關(guān)系等信息。

（3）凍結(jié)（解凍）命令：表示所選部位故障（正常），無(wú)法正常工作（能夠正常工作）。