基于BIM模型的牽引變電所設備業(yè)務培訓系統(tǒng)研究

常盛杰

（沈陽鐵道勘察設計院有限公司 建筑及電氣化設計所，遼寧沈陽 110012）

近年來，隨著我國高速鐵路運營里程的不斷增加和技術標準的不斷提升，對牽引供電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性提出了更高要求［1］。牽引變電所是牽引供電系統(tǒng)的心臟，對牽引供電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性起著舉足輕重的作用［2］，需要牽引變電所運維人員掌握更扎實的業(yè)務知識和更熟練的操作技能。受牽引變電所設備價格昂貴、高壓設備危險性高、一級負荷供電可靠性要求高等限制，運維人員通過實踐操作進行業(yè)務能力提升的空間有限，培訓成為提高其業(yè)務能力的主要手段。目前，各鐵路局集團公司的相關培訓以視頻教學、資料學習、現(xiàn)場參觀為主，其直觀性、可操作性、系統(tǒng)性均較差，成本高，缺乏針對性，成為阻礙運維人員提升業(yè)務能力的重要因素。隨著計算機技術和計算機圖形學的快速發(fā)展，虛擬仿真培訓系統(tǒng)的開發(fā)在很大程度上解決了上述培訓形式的缺陷，使培訓水平邁上一個新臺階。

2013年，鐵路BIM聯(lián)盟的成立推動BIM技術進入我國鐵路建設項目，BIM技術在鐵路行業(yè)全生命周期的應用成為未來發(fā)展趨勢［3］。BIM模型集成了牽引變電所設備準確、完整的幾何與非幾何信息，為培訓系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了準確、可靠的信息支撐。因此，應用BIM模型實現(xiàn)虛擬仿真培訓系統(tǒng)，可減少既有培訓系統(tǒng)構建時所需完成的建模和信息采集等工作量，大大提高了效率。然而，BIM建模軟件只能滿足最基本的三維可視化表達功能，實現(xiàn)業(yè)務培訓系統(tǒng)還需要在BIM模型基礎上引入其他軟件平臺。

Unity3D是美國Unity Technologies公司開發(fā)的一款專業(yè)游戲引擎［4］，其內置NVIDIA PhysX物理引擎和優(yōu)化的圖形渲染管道可輕松構建逼真的牽引變電所現(xiàn)場環(huán)境，而強大的計算機程序編譯能力將有力保障各人機交互功能的實現(xiàn)［5］。另外，Unity3D能夠良好地支持各主流3D模型文件［6］，兼容由BIM模型導出的3D模型文件。因此，以牽引變電所全所Revit模型為基礎，以Unity3D為系統(tǒng)實現(xiàn)平臺，對基于BIM模型的牽引變電所設備業(yè)務培訓系統(tǒng)（簡稱培訓系統(tǒng)）進行設計與實現(xiàn)。

1 實現(xiàn)流程

在培訓系統(tǒng)的實現(xiàn)中，Revit支持將BIM模型導出為FBX文件，以便對模型進一步處理并實現(xiàn)更逼真的可視化功能。但是，由Revit導出的BIM模型面數(shù)過多，如直接導入Unity會占用較多的系統(tǒng)資源；Revit應用矢量貼圖對設備材質進行表達，存在貼圖不夠真實的問題。因此，需應用3ds MAX對導出的BIM模型進一步處理。

在完成模型優(yōu)化及粗模構建后，將模型導出，再導入Unity3D進行場景構建，并對培訓系統(tǒng)各功能進行實現(xiàn)。培訓系統(tǒng)實現(xiàn)流程示意見圖1。

圖1 培訓系統(tǒng)實現(xiàn)流程示意圖

2 模型處理

根據(jù)培訓系統(tǒng)實現(xiàn)流程，將由Revit導出的BIM模型導入3ds MAX進行模型優(yōu)化、貼圖和烘焙。

模型優(yōu)化的主要內容為：刪除模型中不可見的面、重合的面及無關聯(lián)的線，使模型在保證不變形的前提下占用內存最少［7］。

完成模型優(yōu)化后，對模型進行貼圖與烘焙，并最終導出為Unity3D支持的FBX文件。需要說明的是，由于3ds MAX與Unity3D這2個軟件的長度單位計量標準不一致，導致由3ds MAX導出的模型再導入Unity3D時發(fā)生模型“縮放”。因此，需將3ds MAX中系統(tǒng)單位設置為“厘米（cm）”。

在完成模型優(yōu)化、貼圖、烘焙并導出后，將模型導入Unity3D建立場景，為培訓系統(tǒng)各功能的實現(xiàn)奠定基礎。在導入過程中，將貼圖文件與FBX文件放置于同一路徑下，并整體導入Unity3D，避免導入后丟失材質信息。

3 關鍵技術實現(xiàn)

3.1 UI界面功能

Unity3D內置強大的GUI界面編輯功能，滿足培訓系統(tǒng)對UI界面的功能需求。培訓系統(tǒng)擬采用GUI界面編輯功能完成界面設計，對系統(tǒng)各項功能進行觸發(fā)實現(xiàn)。UI界面需提供界面顯隱、視圖切換、隱蔽工程查看、設備快速定位等功能的控制按鍵。對于界面顯隱功能的控制與實現(xiàn)，可應用Toggle轉換鍵進行控制，并觸發(fā)相關代碼進行實現(xiàn)。其關鍵代碼如下：

其他功能控制按鍵與對應功能的掛接由Unity3D提供的On Click（）模塊完成。當用戶按下某功能控制按鍵時，系統(tǒng)將觸發(fā)執(zhí)行該按鍵On Click（）模塊中所指定實體內的指定函數(shù)。用戶只需于該模塊中對所需控制的實體和所需執(zhí)行的函數(shù)進行設置。按鍵觸發(fā)命令界面見圖2，最終的系統(tǒng)UI界面見圖3。

圖2 按鍵觸發(fā)命令界面

圖3 系統(tǒng)UI界面

3.2 三維場景漫游功能

三維場景漫游是培訓系統(tǒng)的一項重要功能，用戶可快速了解牽引變電設備和變電所全所空間布局（見圖4）。該功能的實現(xiàn)共有3個關鍵步驟：

（1）建立完整、真實的三維場景，導入帶有動畫的角色模型，完成對角色的控制代碼［8］；

（2）Unity3D內置ThirdPersonCharacter包，直接導入場景并完成相關設置，即可實現(xiàn)三維場景漫游功能［9］；

（3）通過鍵盤“↑”“↓”“←”“→”鍵控制角色移動，通過鼠標滾輪進行視角縮放，通過鼠標右鍵控制視角旋轉。

圖4 三維場景漫游

除三維場景漫游功能外，系統(tǒng)還可提供特定視角對牽引變電所進行查看（見圖5），其實現(xiàn)方式為：在場景特定位置放置相機，當需要以某一特定視角進行查看時，用戶可通過UI界面視圖一欄對主相機進行切換。其關鍵代碼如下：

3.3 設備定位功能

培訓系統(tǒng)支持對設備進行快速查找與定位，用戶可更加快捷、方便地定位到指定設備并執(zhí)行相關操作。通過點擊對應的設備按鍵，確定所需定位的設備，并調整角色與相機到被查找設備處。其關鍵代碼如下：

培訓系統(tǒng)采用以下2種方式對設備進行檢索：

（1）分類查找。將設備分為一次設備、二次設備和其他設備，當用戶勾選對應類別的Toggle轉換鍵時，UI界面會顯示該類別所對應的設備按鍵，點擊對應的設備按鍵觸發(fā)設備定位功能；

（2）按名稱搜索。以設備名稱為關鍵字對設備進行檢索，當用戶開始檢索時，UI界面會顯示含有該關鍵字的設備所對應的設備按鍵，點擊對應的設備按鍵觸發(fā)設備定位功能。

3.4 隱蔽工程查看功能

圖5 特定視角查看

牽引變電所設備集中、隱蔽工程多，快速、直觀、準確地了解牽引變電所內隱蔽工程的布置情況，對于運維人員了解牽引變電所整體布局、提升業(yè)務能力具有重要意義。牽引變電所內隱蔽工程分為接地網(wǎng)、電纜溝槽、回流、防雷、油池等5類，培訓系統(tǒng)可提供查看功能，直觀查看所內隱蔽工程的位置和結構。

對于隱蔽工程查看功能的實現(xiàn)，系統(tǒng)應用Toggle轉換鍵控制隱蔽工程查看功能的開啟與關閉，當勾選該按鍵時，系統(tǒng)對地面進行半透明化處理，并對所內各隱蔽工程構件的顏色進行適當修改，以實現(xiàn)隱蔽工程的突出顯示，進而實現(xiàn)對所內隱蔽工程的直觀、準確查看（見圖6）。

圖6 隱蔽工程查看

3.5 設備拆裝功能

牽引變電設備內部結構復雜，對設備進行分解查看，用戶可充分了解牽引變電設備的組成和結構。培訓系統(tǒng)提供對牽引變電所一次設備進行分解查看的功能，用戶可直觀、準確地查看一次設備的拆解狀態(tài)與裝配狀態(tài)，全面了解設備的組成和結構。

Unity3D提供以下2個動畫系統(tǒng)實現(xiàn)場景交互功能［10］：

（1）animator。以圖形化狀態(tài)機的形式對動畫狀態(tài)的轉換進行描述與控制；

（2）animation。對每個狀態(tài)下的動畫內容進行描述。

對于設備拆裝功能的實現(xiàn)，系統(tǒng)首先在animation中構建設備拆裝動畫（見圖7），然后在animator中定義設備的拆解、安裝共2個狀態(tài)，并定義變量condition以標記狀態(tài)機的當前狀態(tài)（見圖8）。

圖7 設備拆解動畫

圖8 設備拆裝狀態(tài)機

系統(tǒng)通過更改變量condition的數(shù)值完成狀態(tài)切換，通過點擊UI界面相應的按鍵觸發(fā)程序運行。其關鍵代碼如下：

設備拆裝最終效果見圖9。

圖9 設備拆裝最終效果

4 結束語

從牽引變電所運維人員培訓業(yè)務出發(fā)，基于牽引變電所BIM模型搭建牽引變電所設備業(yè)務培訓系統(tǒng)。利用3ds MAX對導出的BIM模型進行優(yōu)化、貼圖和烘焙，利用Unity3D完成培訓系統(tǒng)場景搭建，并基于場景完成系統(tǒng)各功能的實現(xiàn)。培訓系統(tǒng)基于BIM模型構建場景，數(shù)據(jù)準確可靠；通過3ds MAX進行模型優(yōu)化，使場景更真實，易于現(xiàn)場操作人員接受；由Unity3D實現(xiàn)的各項功能為現(xiàn)場操作人員提供形式多樣的展現(xiàn)方式，表達更加直觀易懂。該培訓系統(tǒng)數(shù)據(jù)準確、形式多樣，可有效提升培訓質量與效率，具有較好的推廣價值。另外，本系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方式也為BIM技術的應用提供了新的思路。