基于Unity3D 的軌道車輛虛擬設(shè)計系統(tǒng)研究

萬 平，彭俊江，肖 乾，周 鵬

（1. 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；2. 株洲國創(chuàng)軌道科技有限公司，湖南 株洲412001；3. 華東交通大學(xué)載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西 南昌330013）

軌道車輛設(shè)計為滿足差異化要求，設(shè)計時根據(jù)功能定義，設(shè)計特定的機械結(jié)構(gòu)布局、內(nèi)外布局、裝飾風(fēng)格等，并對設(shè)計部件進(jìn)行有限元分析，驗證部件的合規(guī)性。 過往的軌道車輛設(shè)計周期長，設(shè)計分散，設(shè)計效果無法實時動態(tài)顯示，需要在軌道車輛完成整裝后方可系統(tǒng)性瀏覽軌道車輛的設(shè)計效果，再根據(jù)其中不合理環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。 重復(fù)改進(jìn)的過程中既浪費了時間，延長了設(shè)計周長，同時需要耗費更多的財力和物力，且在可視化、交互、展示效果等方面存在一定的不足。 有鑒于此，利用最新的信息技術(shù)，開發(fā)基于Unity3D 的軌道車輛虛擬設(shè)計系統(tǒng)，彌補其在數(shù)字可視化、交互、展示效果等方面存在一定的不足。

查閱文獻(xiàn)可知，已有部分專家學(xué)者深入研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)在軌道車輛應(yīng)用的可行性，并取得了一定的成果。 楊崗等[1]應(yīng)用SolidWorks 編輯CRH1 型轉(zhuǎn)向架三維模型， 應(yīng)用3D Max 渲染模型， 在Virtools 中編輯腳本實現(xiàn)了CRH1 轉(zhuǎn)向架的虛擬裝配系統(tǒng)。 崔林格[2]應(yīng)用CAD 構(gòu)建軌道車輛模型，通過VC++2005，OSG 與QT 結(jié)合， 應(yīng)用模塊化思想設(shè)計了動車組虛擬裝配系統(tǒng)。 徐娟[3]應(yīng)用Pro/e，UG，Mu Lti Gen Creator 完成虛擬現(xiàn)實建模，以VisualC++6.0為開發(fā)平臺設(shè)計開發(fā)了鐵道車輛虛擬運行仿真系統(tǒng)。 江渡等[4]在VRML/JAVA 環(huán)境下利用Delphi 開發(fā)GUI 界面，實現(xiàn)了動車組虛擬檢修的動態(tài)仿真系統(tǒng)。 萬隆君等[5]基于Unity3D 虛擬引擎，設(shè)計開發(fā)了HTML 版本的船舶管路裝配虛擬仿真系統(tǒng)。 金燕等[6]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)。 肖乾[7]通過使用NGUI，DoTween 動畫、C# 等實現(xiàn)模擬單車試驗器和制動試驗仿真為核心的虛實結(jié)合的單車制動實驗培訓(xùn)系統(tǒng)。 總結(jié)發(fā)現(xiàn)目前研究主要考慮應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)軌道車輛的虛擬裝配、虛擬檢修，對虛擬設(shè)計方面應(yīng)用少。

本文提出虛擬現(xiàn)實技術(shù)在軌道交通車輛設(shè)計中的應(yīng)用研究， 基于Unity3D 虛擬引擎平臺的沉浸性、交互性、想象性特點，并結(jié)合ANSYS，UM 等有限元、動力學(xué)等分析軟件，完成對軌道車輛的總體設(shè)計、關(guān)鍵部件的設(shè)計、虛擬裝配和軌道車輛系統(tǒng)性能分析， 減少軌道車輛在設(shè)計過程中耗費的財力、物力、縮短設(shè)計周期，構(gòu)建數(shù)據(jù)可視化程度高、交互性強、沉浸感強的軌道車輛虛擬現(xiàn)實設(shè)計平臺。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

1） 表現(xiàn)層。系統(tǒng)表現(xiàn)層是呈現(xiàn)給用戶體驗和操作的窗口， 軌道車輛虛擬設(shè)計系統(tǒng)是基于PC 端開發(fā)， 系統(tǒng)基于PC 端硬件設(shè)備可實現(xiàn)與系統(tǒng)的人機交互、系統(tǒng)的設(shè)計效果展示、設(shè)計參數(shù)的傳輸以及軌道車輛的在虛擬運行環(huán)境的動態(tài)模擬。

2） 應(yīng)用層。 系統(tǒng)應(yīng)用層是設(shè)計展示的載體，關(guān)于軌道車輛的虛擬設(shè)計功能全部在應(yīng)用層完成，應(yīng)用層包括車輛總體設(shè)計模塊、車輛關(guān)鍵部件設(shè)計模塊、車輛虛擬裝配設(shè)計模塊、車輛虛擬運行環(huán)境設(shè)計模塊。 其中車輛總體設(shè)計模塊中包括司乘界面和乘客界面2 個子模塊，司乘界面的設(shè)計對象是電力機車和城軌車輛的司機室，乘客界面的設(shè)計對象是城軌車輛和動車組的車廂。 車輛關(guān)鍵部件的選型設(shè)計對象有車輪、構(gòu)架、齒輪、車廂地板等。 車輛虛擬裝配模塊中虛擬裝配對象包括轉(zhuǎn)向架、 受電弓、車鉤、機車裝配。 車輛虛擬運行環(huán)境設(shè)計模塊中包括駕駛設(shè)置、視角設(shè)置、運行環(huán)境、數(shù)據(jù)顯示3 個功能子模塊。

3） 基礎(chǔ)層?；A(chǔ)層是支撐系統(tǒng)開發(fā)和運行的基礎(chǔ)。 基礎(chǔ)層包括基礎(chǔ)支撐環(huán)境和數(shù)據(jù)庫2 個部分，基礎(chǔ)支撐環(huán)境有PC 端，Unity3D，Maya，Ansys，數(shù)據(jù)庫包括內(nèi)容數(shù)據(jù)庫和場景數(shù)據(jù)庫兩部分。 Unity3D平臺完成場景搭建、關(guān)聯(lián)驅(qū)動、模型場景渲染；Maya完成所有功能模型、場景模型的搭建；Ansys 完成關(guān)鍵部件的強度計算和疲勞計算。 內(nèi)容數(shù)據(jù)庫保存設(shè)計信息和用戶信息， 場景數(shù)據(jù)庫管理設(shè)計信息、指導(dǎo)信息和模型信息。 系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 模型建立

軌道車輛虛擬設(shè)計系統(tǒng)中包括大量模型，如車輛模型、場景模型、輔助模型等，不同模型的功能要求、精度要求存在差異，建模過程中根據(jù)不同需求及功能定義，對模型進(jìn)行分級處理，不同級別的模型選用不同的3D 建模軟件。 模型機械結(jié)構(gòu)精度要求高，用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和虛擬拆裝模塊的模型選用Pro/e 完成；對僅存在外觀要求，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不參與功能展示的場景模型、輔助模型，建模時選用Maya完成。 為實現(xiàn)模型對實物的真實還原，建模完成后對模型進(jìn)行貼圖紋理處理，進(jìn)行模型UV 處理時，為保證模型的虛擬真實度， 減少貼圖接口區(qū)域誤差，制作UV 貼圖時選擇貼圖的純色區(qū)域做無縫處理。貼圖時為突顯模型物理效果， 考慮Bump Map 和Normal Map 兩種貼圖，Bump Map 包含凹凸信息，通過改變高度值實現(xiàn)模型表面的凹凸感，Noramal Map 通過RGB 烘焙曲線實現(xiàn)貼圖的顏色調(diào)整。 建模完成后通過Maya 轉(zhuǎn)化為FBX 格式即可導(dǎo)入到Unity 虛擬場景中，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的開發(fā)。 系統(tǒng)部分模型見圖2。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture diagram

圖2 系統(tǒng)模型圖Fig.2 System model diagram

2.2 功能實現(xiàn)

2.2.1 車輛總體方案設(shè)計實現(xiàn)

為實現(xiàn)對軌道車輛內(nèi)飾、 座椅等風(fēng)格設(shè)計，需要通過Shader 更改模型貼圖。 Shader 是Unity3D 引擎平臺中的著色器，Shader 專門運行在CPU 圖形處理單元上，Shader 主要有3 種：固定管線著色器、表面著色器、頂點片元著色器。 固定管線著色器在運行時占用的渲染資源極大，一般情況不會不選擇固定管線著色器， 頂點片元著色器是干預(yù)模型形狀，表面著色器干預(yù)模型表面像素點，見圖3。

動車組和城軌車輛乘客界面設(shè)計時， 為實現(xiàn)動態(tài)更換車輛內(nèi)壁和座椅貼圖， 需要設(shè)置Sherder屬性中的_MetallicGlossMap，_MainTex，_BumpMap 3 個貼圖屬性， 獲取貼圖屬性后通過c# 腳本程序驅(qū)動動態(tài)更換貼圖，動態(tài)貼圖更換實現(xiàn)腳本如下：

ChetiMaterial.SetTexture ("_MetallicGlossMap",XKYSM);//XKYSM 為需要更改主貼圖圖片名稱

ChetiMaterial.SetTexture ("_MainTex",?XKYSA);//XKYSA為需要更改的紋理貼圖圖片名稱

ChetiMaterial.SetTexture("_BumpMap",XKYSN); //XKYSN為需要更改的法線貼圖圖片名稱

圖3 總體設(shè)計圖Fig.3 Overall design drawing

乘界面與乘客界面設(shè)計中為實現(xiàn)按鈕顏色和貼圖顏色的靈活搭配，多樣化的設(shè)計效果，在場景功能中編輯顏色控制器，實現(xiàn)司機室操縱按鈕和貼圖顏色的實時選擇。 Unity3D 中顏色編輯器界面使用UGUI 開發(fā)，界面顯示面板和功能按鈕全部使用UGUI 中的Image 設(shè)置，顏色編輯器分為3 個模塊：七色漸變圖、RGB 數(shù)值顯示、最終選色。 RGB 數(shù)值顯示可以實現(xiàn)顏色的快速定位， 選擇理想顏色，最終選色是展示用戶在選色時最終選取的顏色。 顏色編輯器功能的實現(xiàn)主要是在ShaderForge 中創(chuàng)建2D Shader， 控制Shader 中UV 的U 點和V 點區(qū)域節(jié)點圖， 實現(xiàn)選色面板， 通過C# 腳本將選取色的Value 值通過設(shè)置的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成RGB 值。

2.2.2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)

用戶在了解軌道車輛關(guān)鍵部件的材料、裝配事項、設(shè)計準(zhǔn)則等基礎(chǔ)屬性后，需要對關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真分析，通過仿真數(shù)值結(jié)構(gòu)驗證關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)是否符合強度性能、力學(xué)性能等要求，本文中選擇的有限元分析軟件為Ansys。在關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊中設(shè)計Ansys 激活軟件UI 按鈕，通過程序驅(qū)動計算機后臺程序啟動Ansys， 并自動導(dǎo)入需要計算的相關(guān)模型， 實現(xiàn)軌道車輛虛擬設(shè)計系統(tǒng)與Ansys 軟件的動態(tài)鏈接。實現(xiàn)動態(tài)鏈接Ansys 的主要代碼如下：

Process.S"C:Program FilesAnsysIncv150Ansysinwinx 64AnsysX.exe"-Pane3fl-dir"C:UsersAdministrator"-j"file"-sread -len -us -b -i"C:UsersAdministratorfile.dat" -o "C:UsersAdministratorfile.out"

通過UI 按鈕實現(xiàn)Ansys 軟件激活和模型傳導(dǎo)后，用戶可根據(jù)關(guān)鍵部件的使用范圍選擇不同的計算標(biāo)準(zhǔn)，在Ansys 中設(shè)置關(guān)鍵部件的仿真計算參數(shù)，完成對關(guān)鍵部件的仿真分析。Unity 與Ansys 聯(lián)動見圖4。

圖4 Unity3D 與Ansys 聯(lián)動圖Fig.4 Unity3D and Ansys linkage diagram

2.2.3 虛擬裝配設(shè)計實現(xiàn)

軌道車輛虛擬裝配需要考慮部件的裝配順序、裝配路徑、部件定位等。 部件裝配順序按照軌道車輛關(guān)鍵裝配工藝文件設(shè)置，編輯部件裝配順序數(shù)據(jù)庫，序列化激活UI 控制按鈕，用戶點擊正確安裝順序下的部件UI 按鈕后激活下一步安裝部件控制程序，并通過實例化技術(shù)生成相匹配的模型文件。 虛擬裝配中裝配路徑一般由系統(tǒng)腳本編輯的路徑規(guī)劃自動生成。 軌道車輛虛擬裝配設(shè)計系統(tǒng)中不考慮使用推理機生成關(guān)鍵部件虛擬裝配路徑，考慮系統(tǒng)的交互性、用戶參與度，模型部件虛擬裝配移動路徑由用戶通過鼠標(biāo)控制，實現(xiàn)模型隨鼠標(biāo)運動的控制代碼主要代碼如下：

模型部件完成路徑生成并移動到安裝位置時，需要對模型安裝位置定位，完成最終的裝配。 用戶點擊安裝部件UI 控制按鈕后，模型安裝位置會在部件中高光虛化顯示，提示用戶初步的安裝范圍，用戶移動模型部件進(jìn)入到安裝位置后，實體模型與虛化模型設(shè)置的碰撞器會進(jìn)行碰撞的觸發(fā)檢測，檢測碰撞體標(biāo)簽是否一致。 Unity3D 中觸發(fā)器模式是將Collider 中的Is Trigger 勾選，實體運動的模型添加Rigidbody 組件，通過OnTriggerEnter 和OnTrigger Exit 檢測進(jìn)入到觸發(fā)器區(qū)域和離開觸發(fā)器區(qū)域調(diào)用。

檢測正確后激活實體模型中的DoTween 插件，并將虛化模型的比例、位置、旋轉(zhuǎn)等數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)紻oTween 插件中，DoTween 插件通過內(nèi)部算法控制實體模型動態(tài)完成部件裝配，見圖5。

圖5 關(guān)鍵部件虛擬裝配Fig.5 Virtual assembly of key components

2.2.4 虛擬運行環(huán)境設(shè)計實現(xiàn)

軌道車輛行駛工況多樣，涉及因素眾多，軌道車輛虛擬設(shè)計系統(tǒng)中為實現(xiàn)最大程度對行駛工況環(huán)境因素的模擬， 在虛擬運行環(huán)境中模擬雨雪天氣、側(cè)風(fēng)等天氣特效。

模擬下雪特效時， 通過GameObject->ParticleSystem 在系統(tǒng)中添加粒子，基本屬性設(shè)置根據(jù)可根據(jù)常規(guī)認(rèn)識設(shè)置。 為提高模擬的真實度，對粒子系統(tǒng)做貼圖處理，挑選符合雪天氣效果的圓形圖片設(shè)置為貼圖，設(shè)置圖片為PNG 格式，將粒子系統(tǒng)Shader 設(shè)置成Transparent。 考慮雪是向下且受風(fēng)力影響會產(chǎn)生繞y 旋轉(zhuǎn)，x 軸與z 軸方向的速度，設(shè)置粒子生命周期的y 軸速度，粒子旋轉(zhuǎn)為0，45，0，繞世界坐標(biāo)系下的y 軸旋轉(zhuǎn)，在Force Lifetime 屬性欄中設(shè)置x，z 軸方向的受力大小，產(chǎn)生雪粒子的偏移效果。 不同雪的粒子下落速度、雪的粒子大小等存在差異， 需將粒子運行速度、粒子起始大小等設(shè)置成區(qū)間范圍內(nèi)的隨機數(shù)。 軌道車輛虛擬運行場景地形大， 為實現(xiàn)全場景的模擬效果覆蓋，將粒子發(fā)射器Shape 覆蓋全地圖，并設(shè)置UI 控制條，實現(xiàn)降雪強度的改變。 降雪天氣特效模擬基本屬性設(shè)置完成后根據(jù)運行效果微調(diào)參數(shù)， 實現(xiàn)最大程度對實際降雪效果的模擬。 虛擬運行工況中降雨、 側(cè)風(fēng)、 雨夾雪等特效更換合適貼圖后依照相應(yīng)步驟即可完成，見圖6。

圖6 虛擬運行環(huán)境效果圖Fig.6 Effect diagram of virtual operating environment

3 調(diào)試與發(fā)布

系統(tǒng)進(jìn)行必要的運行測試是考核產(chǎn)品優(yōu)劣性最直接、最有效的手段[8]，軌道車輛虛擬設(shè)計系統(tǒng)由開發(fā)人員完成后點擊Unity3D 編輯窗口“File”的子菜單“Bulid Settings”，根據(jù)場景操作邏輯和交互流程設(shè)計場景序號加載系統(tǒng)場景，點擊“Platform”并在發(fā)布平臺中設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，完成系統(tǒng)測試版本的發(fā)布。 系統(tǒng)發(fā)布后隨機選擇PC 端從運行效果、功能需求、功能邏輯3 個方面進(jìn)行測試，對測試結(jié)果統(tǒng)計規(guī)整作為系統(tǒng)優(yōu)化依據(jù)，系統(tǒng)優(yōu)化從以下幾個方面進(jìn)行：①模型優(yōu)化：模型優(yōu)化主要考慮Mesh 合并、控制多邊形數(shù)量；②內(nèi)存優(yōu)化：內(nèi)存優(yōu)化考慮Assert 優(yōu)化、引擎Native 優(yōu)化、臨時調(diào)用資源優(yōu)化；優(yōu)化完成后確定系統(tǒng)最終版本的發(fā)布，生成最終的軌道車輛虛擬設(shè)計系統(tǒng)。

4 結(jié)論

針對軌道車輛設(shè)計過程中存在的問題， 依托Unity3D 引擎平臺，從需求分析，模型建立、接口設(shè)計、虛擬場景搭建到功能實現(xiàn)，設(shè)計并開發(fā)了軌道車輛虛擬設(shè)計系統(tǒng)。

1） 通過Pro/e，Maya 等3D 建模軟件完成了軌道車輛模型、場景模型、虛擬3D 地形等模型的建模工作，為提高模擬真實度，繪制了模型紋理貼圖。

2） 應(yīng)用基于爬山法的AABB 包圍盒算法解決了虛擬設(shè)計系統(tǒng)中人機交互的碰撞檢測問題，通過接口設(shè)計實現(xiàn)Unity3D 與ANSYS 的動態(tài)鏈接。

3） 根據(jù)系統(tǒng)需求分析， 應(yīng)用Particle system 實現(xiàn)了對軌道車輛運行環(huán)境中風(fēng)雪等特效的模擬、應(yīng)用DoTween 實現(xiàn)了關(guān)鍵部件的虛擬裝配路徑規(guī)劃，通過c# 編程實現(xiàn)了功能完備， 可擴展性和可維護(hù)性強的軌道車輛虛擬設(shè)計系統(tǒng)。