基于虛擬仿真的鐵路信號設備教學平臺開發(fā)

張?zhí)忑? 朱梓欣 黃錦微

摘? 要：針對現(xiàn)存鐵路信號設備結(jié)構(gòu)復雜、無法進行現(xiàn)場演示、對現(xiàn)場工作人員水平要求較高等問題，使用虛擬仿真軟件Unity3D和3ds Max建立鐵路信號設備綜合仿真平臺，實現(xiàn)信號設備模型建立、虛擬仿真場景的搭建、動畫演示模擬等功能。利用該仿真平臺，可以使學生對鐵路信號設備機械結(jié)構(gòu)、動作原理、拆裝順序和場景布置順序有更深的了解，可以有助于鐵路信號基礎設備等相關教學，有利于相關專業(yè)學生的培養(yǎng)與相關工作人員的安全檢修。

關鍵詞：虛擬仿真;鐵路信號設備;實驗教學;Unity3D

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）16-0067-05

Development of Railway Signal Equipment Teaching Platform

Based on Virtual Simulation Technology

ZHANG Tianlong，ZHU Zixin，HUANG Jinwei

（Computer Science College，South-central University for Nationalities，Wuhan? 430074，China）

Abstract：In view of the complex structure of existing railway signal equipment，the inability to perform on-site demonstrations，and the high level of requirements for on-site staff，this article uses virtual simulation software Unity3D and 3ds Max to establish a comprehensive simulation platform for railway signal equipment to realize the establishment of signal equipment models and virtual simulation scenes，animation demonstration and simulation functions. Using this simulation platform can enable students to have a deeper understanding of the railway signal equipment mechanical structure，operation principle，disassembly and assembly sequence and scene arrangement sequence，which can be helpful for railway signal basic equipment and other related teaching，and it is conducive to the training of related professional students and the safety maintenance of relevant staff.

Keywords：virtual simulation;railway signal equipment;experimental teaching;Unity3D

0? 引? 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，鐵路相關技術的不斷革新，運營速度仍在不斷提高，對高速鐵路運行效率及其可靠性要求也不斷提高。但由于鐵路信號設備的不斷多樣化和環(huán)境的復雜性使得其相關機械結(jié)構(gòu)、動作原理、拆裝、布置等基礎教學成為各單位培訓工作的難點;同時鐵路信號設備檢修也成為相關人員的工作要點[1]。因此，為提高相關專業(yè)學生及工作人員對鐵路信號設備的認識，需要制定更高的培訓標準，保證信號設備在鐵路線路上安全高效運行。

Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個可以實現(xiàn)實物模型在三維模擬環(huán)境下進行相關動作，制作三維動畫演示的多平臺、綜合型虛擬系統(tǒng)開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎[2]。本文提出一種基于Unity3D開發(fā)的鐵路信號設備綜合仿真教學平臺，不僅構(gòu)思了鐵路信號基礎設備三維模擬展示，還利用C#相關算法實現(xiàn)信號機分類展示、轉(zhuǎn)轍機拆裝、軌道電路原理展示等動畫場景。平臺設置循序漸進的學習過程，使工作人員在初步了解鐵路信號設備機械結(jié)構(gòu)與動作原理的基礎上，進行轉(zhuǎn)轍機拆裝操作、信號機原理演示、軌道電路原理演示等設備三維模擬動畫，有助于維護人員進行設備檢修。

1? 鐵路信號設備介紹

1.1? 信號機組成及作用

信號機作為鐵路信號系統(tǒng)的核心設備，對其顯示技術具有嚴格要求，需顯示簡單明確，易于辨認，分辨率高，易記憶;其應有足夠的顯示數(shù)目和足夠的顯示距離;信號機結(jié)構(gòu)要簡單靈活、便于操縱，并且符合“故障安全”原則;此外信號顯示應具備較強的抗干擾能力[3]。

信號機的機構(gòu)類型可分為高柱和矮型兩類，每一類可分為三顯示信號機構(gòu)，二顯示信號機構(gòu)，一顯示信號機構(gòu)。LED信號機主要包括如下5種顯示顏色作用及含義：

（1）紅燈為停車信號。

（2）黃燈作為注意或減速信號。

（3）綠燈為按規(guī)定速度運行的信號。

（4）藍燈作為調(diào)車禁止信號使用。

（5）月白燈作為調(diào)車容許信號使用。

1.2? 轉(zhuǎn)轍機原理及分類

轉(zhuǎn)轍機工作原理主要分為三大過程：解鎖、轉(zhuǎn)換、鎖閉。解鎖過程三相交流電動機帶動齒輪組旋轉(zhuǎn)，傳動至摩擦聯(lián)結(jié)器帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，進而帶動絲杠上的螺母水平移動，使操作板通過移動將鎖閉塊頂入，原表示電路被切斷，鎖舌縮入解鎖動作桿，且外鎖閉裝置的道岔尖軌被解鎖;轉(zhuǎn)換過程操縱板與保持器聯(lián)動，使動作桿和外鎖閉裝置進行轉(zhuǎn)換;動作桿移動至終端位置時，使鎖閉塊伸出，連接新的表示電路，相應鎖舌伸出外鎖閉裝置并且動作桿被鎖閉，最終完成完整的轉(zhuǎn)轍機動作過程[4]。

1.3? 軌道電路原理及作用

軌道電路的基本結(jié)構(gòu)由鋼軌、鋼軌絕緣、軌道連續(xù)線、送電端和受電端等組成，如圖1所示為軌道電路原理圖;軌道電路的工作原理是利用鋼軌線路作為導體，兩端設置絕緣節(jié)，連接送電和受電設備組成的電路，是鐵路信號重要的電氣基礎設備之一，其正常工作是列車安全和運輸效率的有力保障。

軌道電路不僅可以傳遞行車信息，根據(jù)列車的不同位置，有關閉塞分區(qū)的軌道電路傳輸不同的控制信息，實現(xiàn)對追蹤列車的控制;還可以監(jiān)督列車占用，實現(xiàn)鋼軌完整性檢查。當軌道電路被占用時或鋼軌發(fā)生斷裂時，使軌道繼電器閉合回路斷開，實現(xiàn)列車安全控制[5]。

2? 平臺功能模塊設計

與傳統(tǒng)虛擬仿真教學平臺不同，將動作原理、機械結(jié)構(gòu)三維展示、故障診斷和拆裝布置等功能進行綜合，并制定一套高效的操作流程，能夠增加可操作性與高交互性。在此基礎上，設計包含鐵路信號設備機械結(jié)構(gòu)展示、原理展示、信號設備拆卸、信號設備安裝和設備布置5大模塊，各模塊所對應的場景名稱，如圖2所示。

其中，設備機械結(jié)構(gòu)展示與原理簡介作為初始選擇界面，用戶可以通過此界面選擇進入具體型號鐵路信號設備;選擇具體型號鐵路信號設備后，用戶可以選擇進入相應設備原理展示場景、設備拆卸場景和設備安裝場景，完成設備基本原理學習和拆裝引導學習。

3? 虛擬仿真平臺的開發(fā)

3.1? 信號設備模型的建立

信號設備建模作為整個平臺的基礎，決定了整個平臺使用效果，是關鍵且十分重要的一步。在已有建模技術中，常見有平面CAD建模與實物建模兩種方式，本文采用3ds Max進行信號設備1：1實物建模。

通常步驟可分為多邊形建模、模型展UV、模型貼圖與渲染3部分操作，其具體流程及功能為：

（1）多邊形建模技術：多邊形建模技術是3ds Max多采用的一種建模技術，采用多邊形建模首先需要布置模型走線、拉面并進行分離，同時對點、線、面進行優(yōu)化，刪除沒有關聯(lián)的多余點線，減小模型容量，最終裝換為FBX格式，等待下一步操作。

（2）模型展UV操作：即UV展開，就是將模型按一定的規(guī)律和線路切割開來，并有次序的擺放，使得模型按面展開，為模型貼圖與渲染做準備工作，ZD6轉(zhuǎn)轍機展UV效果圖如圖3所示。

（3）模型貼圖渲染操作：在完成模型的建立和UV展開操作后導出FBX文件，在Substance Painter創(chuàng)立新項目后再將FBX文件導入，導入完成后就可以進行對模型的貼圖操作。貼圖是通過建立圖層和對圖層的編輯來實現(xiàn)所需的視覺效果，其中包括金屬性、法線貼圖、反光性、顏色、材質(zhì)、光影效果等。在完成貼圖后就要進行模型的渲染。在渲染完成后可以得到一組6～7張相應通道的貼圖，如圖4所示，其分別對應在Unity3D中材質(zhì)球貼圖對應的貼圖通道。最后將這組貼圖導出即可。

3.2? 虛擬仿真場景的搭建

利用Unity3D搭建虛擬仿真場景，可以使用戶直觀地學習各種鐵路信號設備。首先，將3ds Max中模型的FBX文件導入Unity3D中，將模型分別放置在創(chuàng)建好的場景中;接著，本平臺通過UI搭建設備選擇界面，選擇界面包括信號機選擇界面、轉(zhuǎn)轍機選擇界面和軌道電路選擇界面，用戶可通過選擇界面找到要學習的信號設備;然后在選擇界面中創(chuàng)建button，每一個button代表著一個鐵路信號設備，利用button的跳轉(zhuǎn)功能，用戶點擊button即可跳轉(zhuǎn)到相應的鐵路信號設備場景，比如信號機的結(jié)構(gòu)展示場景，轉(zhuǎn)轍機的原理展示場景，軌道電路的原理展示場景等;最后，對虛擬仿真場景進行完善。鐵路信號設備種類繁多，作業(yè)環(huán)境復雜多樣，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，各零部件之間的聯(lián)動導致設備的工作原理難以理解[1]，搭建鐵路信號設備虛擬仿真平臺可以幫助用戶直觀高效地認識并學習信號設備知識，既節(jié)約了學習成本也提高了學習效率。虛擬仿真場景搭建流程如圖5所示。

3.3? 動畫效果添加

本平臺通過Unity3D中的Animation組件，利用C#語言撰寫運行腳本，實現(xiàn)信號設備交互式拆裝、信號機電路原理動畫演示等動畫效果[6]。

3.3.1? 交互式拆裝的實現(xiàn)

為了讓用戶對鐵路信號設備的結(jié)構(gòu)有直觀的、全覆蓋的認識和學習，本平臺通過添加拆裝動畫，以交互式的學習方式，來指導用戶進行信號機、轉(zhuǎn)轍機和軌道電路的拆裝。利用Highlighting插件給零件添加高亮動畫，以指導用戶設備拆裝的順序，即零件高亮則表示下一步該拆裝此零件。用戶點擊高亮的零件，則零件會歸至正確的位置;若用戶點擊未高亮的零件則表示拆裝步驟錯誤，系統(tǒng)會給予提示。轉(zhuǎn)轍機的安裝如圖6所示。

由圖可知，進行安裝時，所有零件會放置在操作臺上，用戶根據(jù)高亮提示進行安裝，點擊要安裝的零部件，該零部件就會回到轉(zhuǎn)轍機中的正確位置。當進行拆卸時，所有的零部件在設備中，用戶根據(jù)高亮提示點擊要拆卸的零件，零件會被拆卸并放回操作臺上。在拆裝的過程中，用戶可以轉(zhuǎn)換視角以便更清楚地學習設備的拆裝，了解設備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3.3.2? 信號機電路原理的展示

信號機的電路原理復雜，點燈過程中需要各種繼電器的動作，并且信號機有許多不同類型的燈信號，不同的燈信號對應不同的電路。本平臺通過動畫將各種燈信號的內(nèi)部電路原理直觀地向用戶展示，用戶按下點燈按鈕，則電路圖中就會出現(xiàn)相應的電路回路并顯示各繼電器的狀態(tài)，電路回路和繼電器的狀態(tài)都是通過動畫的形式動態(tài)展示，以便讓用戶非常清楚地學習信號機的電路原理。信號機電路原理展示圖如圖7所示。

4? 平臺應用成效

基于虛擬仿真技術的鐵路信號設備教學平臺自2018年我校上線以來，已服務校內(nèi)學生共84人。學生可通過登錄城市軌道交通信號基礎設備實驗教學仿真平臺V1.0啟動程序，在進入如圖8所示平臺登錄界面后，輸入用戶名和密碼進入實驗。

實驗內(nèi)容包括信號設備三維模型展示、轉(zhuǎn)轍機拆裝、軌道電路原理展示、信號機電路原理展示等場景，學生可通過本平臺自主學習鐵路信號基礎設備、鐵路信號運營基礎和區(qū)間與列車運行控制系統(tǒng)等專業(yè)課程。

將平臺運營階段相關實驗記錄數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得出結(jié)果如表1所示。

由該表可得，學生通過平臺自主學習后，平均成績達到了較高的水平，學生對鐵路信號設備的機械結(jié)構(gòu)、動作原理有了較為清晰的認識，大多數(shù)學生可以通過虛擬仿真平臺實驗掌握軌道專業(yè)基本知識，增加了學生的學習興趣，對相關專業(yè)課知識的掌握起到積極促進作用?，F(xiàn)本平臺已面向社會推廣，依托于省級虛擬仿真教學中心，預計下一步向鐵路培訓人員，電務工作人員進行推廣，希望可以對現(xiàn)場工作人員給予一定的指導作用。

5? 結(jié)? 論

針對鐵路信號設備不斷發(fā)展，布置環(huán)境日益復雜且信號設備價格昂貴，無法進行有效的現(xiàn)場教學的現(xiàn)狀與問題。本文應用虛擬仿真技術開發(fā)鐵路信號設備綜合仿真教學平臺，從平臺功能模塊設計，平臺開發(fā)過程中信號設備模型的建立、虛擬仿真場景的搭建和動畫效果添加介紹信號設備在三維場景下機械結(jié)構(gòu)、動作原理、拆裝布置等實現(xiàn)方法。平臺應用成效表明，本平臺在實際應用中有一定的指導意義，對軌道相專業(yè)業(yè)學生、軌道行業(yè)相關工作人員的高質(zhì)量、高水平培養(yǎng)起到積極作用。

參考文獻：

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[6] 孔德龍，胡萬欣.基于Unity 3D的地鐵信號設備綜合仿真平臺研究 [J].實驗技術與管理，2019，36（9）：106-110.

作者簡介：張?zhí)忑垼?998—），男，蒙古族，內(nèi)蒙古呼和浩特人，本科在讀，主要研究方向：軌道交通信號與控制;朱梓欣（2000—），女，土家族，湖北武漢人，本科在讀，主要研究方向：軌道交通信號與控制;黃錦微（1999—），女，瑤族，湖南郴州人，本科在讀，主要研究方向：軌道交通信號與控制。