CRH3 型動／拖轉(zhuǎn)向架虛擬檢修系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究

肖 乾， 彭俊江， 李 萍， 周生通， 楊文斌， 周 鵬

（1.華東交通大學(xué)載運工具與裝備教育部重點實驗室，南昌330013；2.株洲國創(chuàng)軌道科技有限公司，湖南株洲412001；3.中車株洲電力機車有限公司大功率交流傳動電力機車系統(tǒng)集成國家重點實驗室，湖南株洲412001）

0 引 言

為有效解決運能不足，我國正大力發(fā)展高速鐵路技術(shù)，建設(shè)高速鐵路網(wǎng)。高速列車運行速度快，對車輛、輪軌、弓網(wǎng)等系統(tǒng)提出了極高的要求［1］。轉(zhuǎn)向架是4 動4 拖動力分派動車組（China Railway High speed，CRH3）的重要組件，對轉(zhuǎn)向架的檢修檢測是保證高速列車運行品質(zhì)和安全的重要因素。傳統(tǒng)模式下的CRH3 型動／拖轉(zhuǎn)向架檢修培訓(xùn)是通過實物樣機，結(jié)合視頻動畫等方式進行。傳統(tǒng)模式下的CRH3 型動／拖轉(zhuǎn)向架檢修培訓(xùn)因?qū)嵨飿訖C數(shù)量有限、操作過程枯燥、實際操作少、涉及內(nèi)容片面等缺點，無法實現(xiàn)人員的高效崗位技能培訓(xùn)。

國內(nèi)專家學(xué)者已將3D 虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入軌道車輛轉(zhuǎn)向架的檢修檢測研究，并已取得一些成果。米小珍等［2］使用Cult3D構(gòu)建CRH3 轉(zhuǎn)向架虛擬檢修環(huán)境，應(yīng)用三維建模軟件（3D Studio Max，3Ds Max）、CAD完成虛擬場景3D模型工作，結(jié)合多媒體技術(shù)完成CRH3型轉(zhuǎn)向架的虛擬檢修模擬。金燕等［3］以CRH380BL型車轉(zhuǎn)向架為研究對象，基于Cult3D 平臺，結(jié)合Pro／E、Authorware完成了CRH380BL轉(zhuǎn)向架虛擬檢修仿真系統(tǒng)的開發(fā)。張嘉鷺等［4］研究了基于Cortona3D 虛擬引擎，在B／S架構(gòu)基礎(chǔ)上開發(fā)了CRH380AL動車轉(zhuǎn)向架、軸向輪對、制動閘片的虛擬檢修系統(tǒng)。楊崗等［5］研究了基于Virtools平臺，結(jié)合SolidWorks、3Ds Max等三維軟件實現(xiàn)了CRH1 型轉(zhuǎn)向架虛擬檢修與裝配的仿真系統(tǒng)研究。諶亮等［6］研究了應(yīng)用虛擬現(xiàn)實建模語言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）語言編輯CRH5 轉(zhuǎn)向架虛擬檢修、裝配環(huán)境，并設(shè)置求解器，結(jié)合HyperMesh、ANSYS 進行轉(zhuǎn)向架有限元分析的聯(lián)合仿真系統(tǒng)。對關(guān)于轉(zhuǎn)向架虛擬檢修研究文獻發(fā)現(xiàn)，研究成果主要集中在對轉(zhuǎn)向架模型展示和多媒體技術(shù)基礎(chǔ)上的模擬檢修，而虛擬檢修環(huán)境的交互性、沉浸性和真實感存在不足，缺乏對檢修動作物理效果的模擬。

Unity3D是一款融合了高優(yōu)化度渲染，高效物理特性的引擎，可實現(xiàn)多平臺發(fā)布的層級式虛擬系統(tǒng)開發(fā)平臺［7］。本文CRH3 型動／拖轉(zhuǎn)向架虛擬檢修系統(tǒng)（以下簡稱轉(zhuǎn)向架虛擬檢修系統(tǒng)）設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究，以Unity3D 引擎為基礎(chǔ)，利用三維動畫軟件Autodesk Maya（Maya），3Ds Max，Photoshop 等三維軟件，以某動車段檢修車間為原型構(gòu)建轉(zhuǎn)向架虛擬檢修環(huán)境。通過場景建模、圖形處理，虛擬交互設(shè)計、系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)試，在Unity3D 可視化程度高、交互性、沉浸感強的基礎(chǔ)上開發(fā)第一人稱視角下綜合互動型的轉(zhuǎn)向架虛擬檢修系統(tǒng)，實現(xiàn)用戶對CRH3 型轉(zhuǎn)向架的全面學(xué)習(xí)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)向架虛擬檢修系統(tǒng)是一款采用基于Unity 3D層級式技術(shù)，利用Maya，Photoshop 搭建模型與完成圖形渲染處理，實時、分層地處理導(dǎo)入Unity3D 的FBX格式三維模型，通過其創(chuàng)造高質(zhì)量、高視覺效果的三維仿真系統(tǒng)［8］。系統(tǒng)邏輯設(shè)計從檢修需求分析入手，嚴格參照鐵路檢修部門檢修作業(yè)指導(dǎo)手冊思想，并結(jié)合一線教師經(jīng)驗，采用單線程分層編輯簡化系統(tǒng)。系統(tǒng)初步完成后針對系統(tǒng)交互界面，系統(tǒng)場景交互控制與響應(yīng)進行調(diào)試，針對CRH3 型轉(zhuǎn)向架檢修需求完善系統(tǒng)整體信息。生成操作界面友好，針對性、實用性強的高度虛擬再現(xiàn)的轉(zhuǎn)向架虛擬檢修系統(tǒng)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)應(yīng)用層分為登錄、轉(zhuǎn)向架虛擬拆解、構(gòu)架檢修、輪對檢修和軸箱檢修等模塊。

（1）登錄模塊。系統(tǒng)根據(jù)輸入的用戶信息應(yīng)用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化查詢語言（Struchured Query Language，SQL）編寫的信息數(shù)據(jù)庫進行比對，識別用戶。

（2）轉(zhuǎn)向架虛擬拆解模塊。系統(tǒng)針對CRH3 型轉(zhuǎn)向架不同構(gòu)件的拆解需求，在虛擬檢修場景中設(shè)置UI交互界面與拆解工具仿真聲音源指導(dǎo)用戶選擇正確的拆解工具，在符合拆解工藝的要求下完成轉(zhuǎn)向架的全部拆解工作。

（3）構(gòu)架檢修模塊。用戶進入此模塊后，系統(tǒng)會激活預(yù)先建立的故障與檢修數(shù)據(jù)庫。根據(jù)構(gòu)架檢修工藝需求，用戶可通過外部交互設(shè)備（鼠標、鍵盤）控制場景視角，確定檢修位置，通過用戶界面（User Interface，UI）的指導(dǎo)信息完成構(gòu)架檢修的全部流程。同時系統(tǒng)在此環(huán)節(jié)中設(shè)置條件判斷，操作錯誤時系統(tǒng)虛擬對象不響應(yīng)，并發(fā)出錯誤提示，此部分可考核用戶對檢修工藝的掌握程度。

（4）輪對檢修模塊。系統(tǒng)中輪對檢修場景采用虛擬的自動化檢修車間布置，由UI指導(dǎo)界面與動畫引擎DoTween插件制作的動畫模擬完成輪對檢修。

（5）軸箱檢修模塊。針對軸箱檢修工藝，結(jié)合Unity3D內(nèi)置的Animation 控件與外部交互設(shè)備、高光High插件、UI交互界面完成軸箱檢修工作。

系統(tǒng)各模塊布局合理，符合轉(zhuǎn)向架檢修作業(yè)操作思路與工藝流程。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 場景建模

系統(tǒng)場景中模型功能復(fù)雜，表現(xiàn)形式多樣，Unity3D系統(tǒng)內(nèi)置的建模功能無法滿足系統(tǒng)高質(zhì)量的場景要求，Unity3D支持從Maya，3Ds Max 中導(dǎo)入FBX格式文件。轉(zhuǎn)向架虛擬檢修系統(tǒng)場景模型總體由Maya完成，轉(zhuǎn)向架模型由Pro／E嚴格遵循實體尺寸建模。完成建模后檢查模型是否存在共面、破面、反面以及是否符合功能要求等情況，具體建模結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 建模結(jié)構(gòu)圖

為提高系統(tǒng)場景亮度及模型真實感，增強現(xiàn)實感，利用Photoshop 精繪貼圖創(chuàng)建材質(zhì)［9］。Maya貼圖時根據(jù)模型特性選擇相匹配的貼圖格式，系統(tǒng)中不帶通道的為JPG格式，帶通道的32 bit的PNG格式。Maya中對場景模型添加材質(zhì)后經(jīng)Arnold 渲染，提高場景的真實效果。導(dǎo)出FBX 文件后導(dǎo)入Unity3D 引擎。Pro／e完成的轉(zhuǎn)向架機械模型導(dǎo)出OBJ格式后經(jīng)Maya 轉(zhuǎn)換為FBX圖形格式導(dǎo)入Unity3D。通過NGUI插件、粒子特效、DoTween動畫、腳本控制等實現(xiàn)場景模型相關(guān)功能及特性。系統(tǒng)部分模型如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)模型

2.2 UI交互設(shè)計

UI是人機交互的開端，也是實現(xiàn)CRH3 型轉(zhuǎn)向架檢修作業(yè)指導(dǎo)系統(tǒng)功能多樣化、完整化與增強現(xiàn)實的重要基礎(chǔ)。友好、高效、簡捷型用戶界面能夠有效地提升用戶與系統(tǒng)良好的交互感，保證用戶學(xué)習(xí)效率。

的系統(tǒng)交互主界面如圖4 所示，交互界面設(shè)計采用NGUI開發(fā)。NGUI 是嚴格遵循KISS 原則并用C＃編寫的Unity 插件。NGUI功能易于調(diào)節(jié)和擴展，其提供強大的UI系統(tǒng)和事件通知框架［10］。系統(tǒng)設(shè)計時將界面背景圖和NGUI 相結(jié)合，通過AtlasMaker 添加新的UI控件樣式，應(yīng)用面向UI的編程思想，編程實現(xiàn)控件的交互功能。系統(tǒng)UI交互主界面由三維場景區(qū)、右側(cè)UI指導(dǎo)欄、天車UI 控制手柄和左側(cè)模塊切換欄組成。系統(tǒng)交互功能的設(shè)計是基于面向?qū)ο蟮尿?qū)動原則，實現(xiàn)主要功能模型與UI應(yīng)用界面高保真原型。系統(tǒng)交互前均設(shè)計有預(yù)信息提示，當(dāng)系統(tǒng)功能的規(guī)則與用戶習(xí)慣的規(guī)則具有一定的差異時，遵循差異化規(guī)則，通過UI界面給出提示。場景中轉(zhuǎn)向架拆解工具交互功能的實現(xiàn)是系統(tǒng)交互功能實現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。

2.3 檢修特效

系統(tǒng)場景中涉及眾多檢修環(huán)節(jié)，為最大限度模擬真實檢修場景，增強現(xiàn)實感。系統(tǒng)在構(gòu)架檢修中的漆修環(huán)節(jié)與焊修環(huán)節(jié)使用Unity 3D 內(nèi)置的粒子系統(tǒng)（Particle System），虛擬模仿檢修過程中的物理效果。系統(tǒng)中的粒子會隨著時間推移不斷變形和運動（Size by speed等屬性），會自動產(chǎn)生新的粒子，符合電焊火花的物理特性，可以提高系統(tǒng)場景內(nèi)物體檢修時的可觀賞性和真實度［11］。具體實現(xiàn)時首先在系統(tǒng)Scence中加載粒子系統(tǒng)資源，然后在屬性面板中根據(jù)特效需求設(shè)置粒子系統(tǒng)參數(shù)，主要在屬性面板中設(shè)置Emission，Size over Lifetime Collision，Renderer 等參數(shù)，并利Photoshop 精繪貼圖創(chuàng)建材質(zhì)賦予Renderer 中Material，模擬焊修與漆修時物理特性，實現(xiàn)高度模擬效果。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊修特效如圖5 所示。

2.4 碰撞檢測

CRH3 型轉(zhuǎn)向架檢修指導(dǎo)過程中，系統(tǒng)為順利實現(xiàn)場景交互功能，必然會出現(xiàn)虛擬模型的交結(jié)與碰撞。虛擬檢修工具在檢修場景中實施相關(guān)檢修操作，如轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的拆解、檢修、點擊電焊槍模型會顯示電焊槍UI控制界面等過程，均涉及碰撞檢測與處理。

Unity3D物理組件配置有球碰撞體，盒碰撞體，膠囊碰撞體，網(wǎng)格碰撞體等，將它們加載至模型對象上實現(xiàn)相關(guān)碰撞信息的處理，其算法屬于層級包圍盒法［12-13］。針對系統(tǒng)實際情況，使用球碰撞體與盒碰撞體中的觸發(fā)器（Is Trigger）模式，在碰撞體屬性面板參數(shù)設(shè)置中勾選Is Trigger。盒碰撞與球碰撞采用的算法是層級包圍盒法中的軸向包圍盒（AABB）檢測算法。包圍盒法簡單性好，但是緊密性差［14］。AABB 包圍盒算法的基本算法是將2 個碰撞體的包圍盒分別向X、Y、Z 3 個坐標軸投影，只有2 個包圍盒在3 個坐標軸上的投影區(qū)間都相交時才能判斷2 個包圍盒相碰撞［15］。如圖6 所示。

設(shè)A、B分別為兩碰撞體的檢測包圍盒，OA、OB分別為A、B 的中心點，其在X 軸上的投影點為XA與XB，AA′與BB′分別為A 和B 的X 正方向半軸在X 軸方向上的投影。若AA′＋BB′≥XAXB，則在X軸上A與B是相交的，反之則A與B是不相交的。若A與B 在X、Y、Z方向的投影均相交，則可以得到A與B 在三維空間是相碰撞的，即AA′、BB′間的碰撞測試只需進行6次比較運算則可進行判斷。

圖6 AABB碰撞檢測示意圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)優(yōu)化

要順利、完美地展現(xiàn)系統(tǒng)場景內(nèi)各部分內(nèi)容，必須對系統(tǒng)項目進行性能優(yōu)化。對于轉(zhuǎn)向架虛擬檢修系統(tǒng)，優(yōu)化方面主要考慮圖形渲染、渲染管線和虛擬場景圖形性能優(yōu)化。如系統(tǒng)中模型頂點數(shù)目、面數(shù)、批處理數(shù)量等。要保持系統(tǒng)運行平穩(wěn)流暢，不影響視圖效果，需要嚴格控制CPU在每幀需要計算的布料模擬、粒子檢修動畫、頂點網(wǎng)格。系統(tǒng)在開發(fā)完成后通過以下方法進行CPU、GPU等進行優(yōu)化：

（1）渲染定級，場景中圖形分級別渲染；

（2）材質(zhì)共用，同時利用Mesh Baker 組件將部分模型合并；

（3）減少UV 貼圖中的硬邊，用Normal 貼圖和Ambient Occlusion map實現(xiàn)凹凸效果；

（4）編寫高效Shader，應(yīng)用占用內(nèi)存小、計算耗時少的操作符代替nversesqart、exp、normalize等。

通過以上方法對CPU、GPU 等優(yōu)化后，虛擬檢修系統(tǒng)性能得到明顯的改善，不存在卡頓或圖形畸變現(xiàn)象。優(yōu)化后的檢修系統(tǒng)性能參數(shù)如圖7 所示。項目總內(nèi)存1.40 GB，Camera.Render及其調(diào)用子函數(shù)所占用的時間比由78.3%下降到了66%。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試與發(fā)布

轉(zhuǎn)向架虛擬檢修系統(tǒng)由開發(fā)人員對場景、代碼與邏輯關(guān)系進行系統(tǒng)性優(yōu)化后發(fā)布打包文件進行調(diào)試。系統(tǒng)一次完整的測試時間為6 min，為使測試界面流暢，系統(tǒng)場景傳輸速率為30 F／s［16］。系統(tǒng)調(diào)試主要針對以下4 個方面展開：

（1）場景模型是否符合實體形狀和功能要求；

（2）檢修流程工藝是否準確；

（3）NGUI控件激活的動作和響應(yīng)信息是否準確；

（4）系統(tǒng)運行的流暢性、實用性是否符合要求。

系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)試完成后，將轉(zhuǎn)向架虛擬檢修系統(tǒng)通過unity3D 菜單欄File-BuildSetting-Add Open Scens-Build流程導(dǎo)出，如圖8 所示，生成最終的虛擬檢修作業(yè)指導(dǎo)系統(tǒng)。

圖7 性能分析窗口

圖8 系統(tǒng)發(fā)布平臺選擇

4 結(jié) 語

本文針對現(xiàn)代工業(yè)中CRH3 的檢修指導(dǎo)、學(xué)習(xí)與科學(xué)實驗，利用基于Unity3D的轉(zhuǎn)向架虛擬檢修系統(tǒng)，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的嘗試與應(yīng)用，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架的在線交互3D展示技術(shù)。依靠Unity 3D友好的UI、強大的物理引擎，支持多腳本語言等特性開發(fā)了在線交互、視覺效果優(yōu)化與數(shù)據(jù)驅(qū)動的可視化技術(shù)。結(jié)果表明，利用在線交互、數(shù)據(jù)驅(qū)動的可視化技術(shù)使得轉(zhuǎn)向架虛擬檢修的指導(dǎo)與學(xué)習(xí)更加直觀，科學(xué)，高效。實現(xiàn)了理論學(xué)習(xí)與操作實踐并用，提高了用戶的學(xué)習(xí)效率，以及對轉(zhuǎn)向架檢修作業(yè)的全面教學(xué)、指導(dǎo)、培訓(xùn)以及科學(xué)實驗等功能。由于系統(tǒng)復(fù)雜，本文僅展示了系統(tǒng)關(guān)鍵部分，同時，系統(tǒng)也需要進一步完善圖形圖像處理與數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，提高系統(tǒng)的智能處理能力。