動(dòng)車(chē)組輪對(duì)軸溫監(jiān)測(cè)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)*

徐笑瑩，馬思群，陶 然，李 健，段承鑫，史良宇(.大連交通大學(xué)機(jī)車(chē)車(chē)輛工程學(xué)院，遼寧 大連 608；.大連交通大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 608；.中車(chē)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，遼寧 大連 60；.北陸先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)知識(shí)科學(xué)系，能美市 日本)

0 引言

輪對(duì)軸承作為高速動(dòng)車(chē)組重要的組成部件之一，其溫度的變化很大程度上影響著整個(gè)動(dòng)車(chē)組的安全運(yùn)行，因此鐵路行業(yè)以及高校紛紛針對(duì)相關(guān)工作人員和學(xué)生開(kāi)展軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理及檢修流程的培訓(xùn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心、結(jié)合人工智能等相關(guān)技術(shù)，借助交互、運(yùn)算和顯示設(shè)備，生成逼真的虛擬環(huán)境[1]。自虛擬現(xiàn)實(shí)概念提出以來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)，其在高速動(dòng)車(chē)組方面已經(jīng)有所應(yīng)用，比如動(dòng)車(chē)組虛擬檢修培訓(xùn)系統(tǒng)及仿真[2]、動(dòng)車(chē)組受電弓虛擬拆裝培訓(xùn)系統(tǒng)[3]、設(shè)備吊裝虛擬仿真系統(tǒng)[4]等。

傳統(tǒng)方式下實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)僅能借助書(shū)本知識(shí)或者實(shí)物展示來(lái)進(jìn)行，存在不便捷、耗資大、效率低等問(wèn)題。開(kāi)發(fā)一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軸溫監(jiān)測(cè)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，可將軸溫監(jiān)測(cè)原理及檢修過(guò)程完整地展現(xiàn)在一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)場(chǎng)景演示和人機(jī)交互達(dá)到便捷高效培訓(xùn)的目的，有效地解決了傳統(tǒng)方式的弊端。

1 動(dòng)車(chē)組軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

動(dòng)車(chē)組軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由Pt100鉑電阻傳感器、MVB總線(xiàn)和中央控制單元等多個(gè)部分組成，是一個(gè)集溫度監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與傳輸于一身的復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪對(duì)軸承溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要由測(cè)溫單元和主控單元兩部分構(gòu)成。目前國(guó)內(nèi)CRH型動(dòng)車(chē)組大多采用車(chē)載型接觸式測(cè)溫裝置，軸溫傳感器采用雙通道Pt100傳感器，對(duì)軸承溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)并將采集到的溫度信號(hào)反饋給兩個(gè)不同的溫度采集模塊CompactPt100[5]，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后由多功能車(chē)輛總線(xiàn)MVB每隔一段時(shí)間反饋至動(dòng)車(chē)組CCU中央控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。中央控制單元將采集到的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并處理后發(fā)布相應(yīng)指令，并在人機(jī)顯示界面HMI顯示對(duì)應(yīng)信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架分為三個(gè)層次，如圖1所示。通過(guò)用戶(hù)層、邏輯層和數(shù)據(jù)層整體的功能實(shí)現(xiàn)建立動(dòng)車(chē)組輪對(duì)軸溫監(jiān)測(cè)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1)用戶(hù)層通過(guò)硬件和軟件之間的交互實(shí)現(xiàn)Unity 3D系統(tǒng)的交互表現(xiàn)，系統(tǒng)可發(fā)布為沉浸式VR和桌面式VR，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需求，使用不同的輸入輸出設(shè)備，達(dá)到不同的培訓(xùn)效果。

2)邏輯層通過(guò)路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求，是用戶(hù)層和數(shù)據(jù)層的橋梁。登錄系統(tǒng)后，主頁(yè)內(nèi)包含虛擬檢修車(chē)間和動(dòng)車(chē)組場(chǎng)景、軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程展示、動(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)時(shí)軸溫監(jiān)測(cè)和教學(xué)資源庫(kù)四個(gè)部分。

3)數(shù)據(jù)層是整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的支撐，是用戶(hù)層與邏輯層運(yùn)行的基礎(chǔ)，包含系統(tǒng)內(nèi)的文件資源，例如動(dòng)車(chē)組、維修車(chē)間、溫度傳感器等3D模型的數(shù)據(jù)信息，各零件、物體之間的邏輯約束關(guān)系數(shù)據(jù)，Unity 3D系統(tǒng)場(chǎng)景內(nèi)光照、聲音、相機(jī)位置和角度等環(huán)境資源數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

1)明確系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，規(guī)劃系統(tǒng)功能：首先，明確系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)表達(dá)、人員培訓(xùn)和信息查詢(xún)的需求，使用Axure RP快速創(chuàng)建系統(tǒng)原型，展示系統(tǒng)頁(yè)面信息架構(gòu)和頁(yè)面之間交互流程與形式，預(yù)產(chǎn)出交互設(shè)計(jì)的靜態(tài)原型與動(dòng)態(tài)原型。

2)模型構(gòu)建及優(yōu)化：根據(jù)照片、數(shù)據(jù)等信息利用CAD繪制維修車(chē)間和列車(chē)結(jié)構(gòu)的平面圖紙，導(dǎo)入至3ds Max中作為三維建模的平面底圖基準(zhǔn)。依據(jù)底圖和系統(tǒng)規(guī)劃構(gòu)建三維模型，在完整表達(dá)模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)量。對(duì)于有交互需求的模型部分，著重構(gòu)建其模型結(jié)構(gòu)，保證交互過(guò)程的真實(shí)性。

3)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)：構(gòu)建完成后的三維模型導(dǎo)出FBX文件至Unity 3D中進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，通過(guò)C#腳本撰寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，并添加圖像效果工具，烘托整體系統(tǒng)氛圍。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 LOD場(chǎng)景優(yōu)化方法

本系統(tǒng)通過(guò)多細(xì)節(jié)層次技術(shù)(Levels ofDetial，LOD)提高系統(tǒng)畫(huà)面的渲染速度。LOD技術(shù)是一種以物體模型的節(jié)點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度決定物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)度，從而獲得高效率渲染運(yùn)算的場(chǎng)景優(yōu)化技術(shù)[6]。

圖2 視角劃分示意圖

本文在傳統(tǒng)LOD技術(shù)中，添加視角范圍的約束條件。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶(hù)的視角范圍一般為90°，視點(diǎn)中心線(xiàn)45°范圍內(nèi)為主要視角V0，兩側(cè)范圍為次要視角V1，處于主要視角范圍內(nèi)的模型則視為重要物體，視角范圍劃分如圖2所示。

系統(tǒng)中視點(diǎn)與模型之間的距離為D，當(dāng)近距離接觸模型時(shí)，視點(diǎn)處于D0范圍內(nèi)，用戶(hù)可以清晰看到模型結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)，視覺(jué)效果逼真；處于D0與D1范圍之間時(shí)，可看到模型結(jié)構(gòu)，但缺少細(xì)節(jié)；當(dāng)視點(diǎn)處于D1范圍之外時(shí)，只能看到模型大致輪廓。按照用戶(hù)處于不同范圍，系統(tǒng)分別調(diào)用不同層次的模型，三個(gè)模型按照復(fù)雜程度從高到低分別命名為：Mod0、Mod1、Mod2。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中調(diào)用的Mod與視點(diǎn)到模型之間的距離D和視點(diǎn)所處視角位置V之間的關(guān)系如式(1)：

(1)

通常構(gòu)建LOD模型的方法主要有：細(xì)分法、采樣法和刪減法[7]，以本系統(tǒng)中的動(dòng)車(chē)組輪對(duì)軸承部分模型為例，采用刪減法通過(guò)3ds Max軟件進(jìn)行仿真構(gòu)建，構(gòu)建三種不同層級(jí)LOD模型，如圖3所示。

圖3 不同LOD層級(jí)模型對(duì)比

不同LOD層級(jí)對(duì)比如表1所示。將構(gòu)建完成的三個(gè)LOD模型導(dǎo)入至Unity 3D中，即可通過(guò)在復(fù)雜場(chǎng)景下調(diào)用不同層次的模型進(jìn)行場(chǎng)景性能優(yōu)化的效果。

表1 不同LOD層級(jí)對(duì)比

續(xù)表1

3.2 改進(jìn)的碰撞檢測(cè)算法

圖4 改進(jìn)的碰撞檢測(cè)算法流程圖

在現(xiàn)有的碰撞檢測(cè)方法中，層次包圍盒法僅對(duì)包圍盒進(jìn)行相交測(cè)試且包圍盒幾何特性簡(jiǎn)單，與被檢測(cè)物體存在偏差，因此檢測(cè)精度相對(duì)較低；空間分解法把被測(cè)對(duì)象所在空間分割成若干個(gè)體積相等的小單元空間，只對(duì)占據(jù)同一單元空間或相鄰單元空間的對(duì)象進(jìn)行相交檢測(cè)[8]，適用于對(duì)象較少且分布相對(duì)均勻的場(chǎng)景中，因此本系統(tǒng)采用一種二者混合的改進(jìn)碰撞檢測(cè)方法，具體算法流程如圖4。

首先利用空間分解法劃分邊長(zhǎng)為d的等體積正方體單元空間，快速確定與被測(cè)對(duì)象互為相鄰的對(duì)象，減少包圍盒的構(gòu)建數(shù)量。具體實(shí)現(xiàn)方式為：以AABB包圍盒為例，假設(shè)其主對(duì)角線(xiàn)的線(xiàn)段端點(diǎn)分別為Q1(X1，Y1，Z1)、Q2(X2，Y2，Z2)，以一個(gè)三維坐標(biāo)q1(x1，y1，z1)表示端點(diǎn)Q1所在的單元空間，該坐標(biāo)可由式(2)得出：

x1=X1/d，y1=Y1/d，z1=Z1/d

(2)

則該對(duì)象所在空間可用q1和q2之間所有小單元空間的集合表示，占有集合中相同單元空間的其他對(duì)象與之互為相鄰對(duì)象。

確定存在相鄰對(duì)象后，采用優(yōu)化后的混合層次包圍盒算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的碰撞檢測(cè)。該算法的核心為構(gòu)造上層是AABB，下層是OBB的混合層次包圍盒樹(shù)結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)其遍歷。包圍盒之間運(yùn)算復(fù)雜度和碰撞檢測(cè)的速度取決于樹(shù)結(jié)構(gòu)的遍歷方式，本文算法的遍歷方式為由上層至下層的深度遍歷，配合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的AABB上層結(jié)構(gòu)和緊湊的OBB下層結(jié)構(gòu)，既可以減少算法的運(yùn)算量，迅速排除不相交的相鄰單元空間對(duì)象，又可以保障測(cè)試精度。算法中的部分代碼及功能如下：

void BVHCollide(CollisionResult *result，BTree a，BTree b)

{

if(!BVOverlap(a，b))return；//對(duì)兩根節(jié)點(diǎn)是否相交進(jìn)行檢測(cè)

if(IsLeaf(a)&&IsLeaf(b))//檢測(cè)兩節(jié)點(diǎn)是否為葉子節(jié)點(diǎn)，

{

CollidePrimitives(result，a，b)；//判斷葉子節(jié)點(diǎn)是否碰撞

}

else

{

if(DescendA(a，b))//調(diào)用下降，由上至下

{

BVHCollide(a→left，b)；//相交測(cè)試子任務(wù)

BVHCollide(a→right，b)；

}

else

{

BVHCollide(a，b→left)；

BVHCollide(a，b→right)；

}

}

}

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文系統(tǒng)利用LOD場(chǎng)景優(yōu)化方法和改進(jìn)的碰撞檢測(cè)算法，通過(guò)Unity 3D進(jìn)行場(chǎng)景制作和交互設(shè)計(jì)。包含列車(chē)總線(xiàn)控制基礎(chǔ)和列車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等相關(guān)理論內(nèi)容，通過(guò)仿真模擬檢修車(chē)間和動(dòng)車(chē)組場(chǎng)景，以沉浸式、多感知性和交互性的方式展示了動(dòng)車(chē)組軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理。系統(tǒng)的主要功能如下：

1)漫游瀏覽：系統(tǒng)場(chǎng)景直觀(guān)地展示檢修車(chē)間和動(dòng)車(chē)組內(nèi)布局，用戶(hù)可選擇系統(tǒng)預(yù)設(shè)定路線(xiàn)自動(dòng)漫游或自主瀏覽。漫游過(guò)程中，可選擇分層單獨(dú)展示檢修車(chē)間、車(chē)頭、車(chē)廂及內(nèi)部軸溫監(jiān)測(cè)設(shè)備等場(chǎng)景，方便高效了解檢修車(chē)間及動(dòng)車(chē)組的構(gòu)造，提升理論認(rèn)知。

2)動(dòng)車(chē)組軸溫監(jiān)測(cè)流程：直觀(guān)地展示軸溫監(jiān)測(cè)所需的硬件設(shè)施和列車(chē)總線(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)牧鞒?，通過(guò)顏色、材質(zhì)、邊緣發(fā)光等效果突出結(jié)構(gòu)特征，使復(fù)雜的信號(hào)傳輸過(guò)程表達(dá)的更加清晰。用戶(hù)通過(guò)點(diǎn)擊、縮放、拖曳、旋轉(zhuǎn)等交互方式，了解零部件等信息，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軸溫監(jiān)測(cè)原理界面

3)模擬動(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)時(shí)軸溫監(jiān)測(cè)：模擬動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中不同軸溫狀態(tài)下的實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸過(guò)程，在司機(jī)駕駛室的HMI屏內(nèi)，實(shí)時(shí)顯示不同車(chē)號(hào)的軸溫?cái)?shù)值和溫度傳感器的狀態(tài)。

4)學(xué)習(xí)與訓(xùn)練相結(jié)合：系統(tǒng)搭載的數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存視頻、文獻(xiàn)、題庫(kù)等教學(xué)資源，為課堂培訓(xùn)提供更多的呈現(xiàn)模式。其中包含仿真實(shí)操練習(xí)和測(cè)試模塊，理論與實(shí)訓(xùn)相結(jié)合，有效地鍛煉了用戶(hù)動(dòng)手能力。

5 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有軌道交通行業(yè)虛擬仿真培訓(xùn)資源較為匱乏的現(xiàn)狀，本文提出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的動(dòng)車(chē)組輪對(duì)軸溫監(jiān)測(cè)培訓(xùn)系統(tǒng)，并得到以下結(jié)論：

1)在傳統(tǒng)LOD算法的基礎(chǔ)上，提出了基于視點(diǎn)距離和視角范圍的LOD場(chǎng)景優(yōu)化方法，通過(guò)Unity 3D內(nèi)參數(shù)調(diào)節(jié)，證明了該方法具有較好的優(yōu)化效果，并提升了系統(tǒng)的真實(shí)性和流暢性。

2)現(xiàn)有的基本碰撞檢測(cè)算法難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的碰撞檢測(cè)，本系統(tǒng)中碰撞檢測(cè)采用空間分解法和混合層次包圍盒法相結(jié)合的改進(jìn)碰撞檢測(cè)算法，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用于系統(tǒng)對(duì)象的碰撞檢測(cè)中可發(fā)現(xiàn)，該算法不僅保證了檢測(cè)精度，而且加快了檢測(cè)速度。

3)用戶(hù)可在不受時(shí)間和空間的限制下，快速理解并掌握軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程，彌補(bǔ)了培訓(xùn)方式的匱乏，為企業(yè)和學(xué)校降低培訓(xùn)成本。