在線分布式虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)研究

魏仁輝

摘 要：為提高地鐵員工的培訓(xùn)效果，設(shè)計(jì)了地鐵在線員工培訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用 Unity 3D 引擎，利用三維建模軟件SolidWorks實(shí)現(xiàn)地鐵車輛設(shè)備、車站環(huán)境及設(shè)施、地鐵的供電設(shè)備、通信設(shè)備等的建模，同時(shí)使用PixyzStudio、Cinema4D軟件進(jìn)行修正，最后完成虛擬場(chǎng)景整合，利用桌面虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備zSpace實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互性能，結(jié)果表明：系統(tǒng)每一幀運(yùn)行的時(shí)間間隔平均為 16.85 ms，應(yīng)用性能較好。

關(guān)鍵詞：Unity 3D;虛擬現(xiàn)實(shí);員工培訓(xùn)

中圖分類號(hào)：TP319;TU39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）11-0193-04

Research on the Implementation of Online Distributed Virtual Simulation Technology

Wei Renhui

（Xi an Railway Vocational and Technical College， Xi an 710014， China ）

Abstract：In order to improve the training effect of subway employees， the virtual simulation system of subway online staff training is designed. In the design process， the Unity 3D engine is used to use the 3D modeling software SolidWorks to realize the modeling of subway vehicle equipment， station environment and facilities， subway power supply equipment， communication equipment， etc. At the same time， PixyzStudio and Cinema4D software were used to correct， finally virtual scene integration and desktop virtual reality device zSpace to achieve human-computer interaction performance. The results show that the time interval of each frame is 16.85 ms with good application performance.

Keywords：Unity 3D; VR; employee training

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)軌道交通類專業(yè)開(kāi)發(fā)的虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要有以下兩種形式：?jiǎn)螜C(jī)模式虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)和分布式虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。隨著地鐵對(duì)培訓(xùn)工作的要求越來(lái)越高，虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)僅僅實(shí)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)已不能滿足培訓(xùn)需要，分布式系統(tǒng)已經(jīng)越發(fā)作為主要形式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。建立仿真系統(tǒng)平臺(tái)有很多種方法，但具有三維物理特征的場(chǎng)景效果開(kāi)發(fā)困難; RT-LAB 系統(tǒng)平臺(tái)具有很好的開(kāi)放性但平臺(tái)的通用性較差[4];采用VxWorks系統(tǒng)在數(shù)據(jù)交換上具有便捷性優(yōu)勢(shì)，且實(shí)時(shí)性特點(diǎn)較為突出，不過(guò)從其功能的擴(kuò)展上來(lái)看并不十分的理想[5];以UWSim 軟件為支持執(zhí)行對(duì)虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建任務(wù)，在程序的修改上面臨著復(fù)雜而又難度較大的問(wèn)題[6-7]。Unity 3D開(kāi)發(fā)作業(yè)相對(duì)簡(jiǎn)便，在復(fù)雜的半實(shí)物仿真系統(tǒng)的研究及開(kāi)發(fā)上表現(xiàn)出很好的適用性。對(duì)此，本文在此技術(shù)的支持下設(shè)計(jì)了基于在線分布式虛擬仿真技術(shù)的地鐵在線員工培訓(xùn)系統(tǒng)，期望為地鐵員工培訓(xùn)提供一種新的思路。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互、人工智能以及傳感器等諸多極具現(xiàn)代化特點(diǎn)的先進(jìn)技術(shù)予以涉及，主要包括計(jì)算機(jī)硬件與軟件以及諸多類型的傳感器。它們共同組成一種人工——虛擬環(huán)境，能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)世界中存在的事物與環(huán)境進(jìn)行模擬，且模擬的情景非常的逼真，在一定程度上，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不存在的場(chǎng)景的模擬。當(dāng)人投入至這一虛擬環(huán)境中時(shí)，會(huì)有一種非常真實(shí)的體驗(yàn)感，且具有親自操作的功能，亦即實(shí)現(xiàn)一種同虛擬環(huán)境之間非常自然的交互。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的含義主要包括3個(gè)方面：①基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持得到的環(huán)境具有非常明顯的虛幻性特點(diǎn);②雖然環(huán)境十分虛幻，但是人們?cè)谶@一環(huán)境下所產(chǎn)生的具體感覺(jué)（包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等等）都非常 的逼真;③通過(guò)對(duì)一些自然方法的采用（像是手動(dòng)、口說(shuō)以及產(chǎn)生其他肢體上的動(dòng)作等），人們能夠同這一虛幻而又十分逼真的環(huán)境進(jìn)行很好的交互，而在此過(guò)程中，虛擬環(huán)境又能結(jié)合人們作出的具體動(dòng)作給予相應(yīng)的反饋。

虛擬仿真技術(shù)是一種仿真技術(shù)同虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物，在仿真技術(shù)中表現(xiàn)出更加高級(jí)的特點(diǎn)。對(duì)該技術(shù)最為典型的特征進(jìn)行分析與把握，體現(xiàn)在對(duì)全系統(tǒng)所作的具有統(tǒng)一性以及完整性的虛擬環(huán)境的構(gòu)建，并在此基礎(chǔ)之上對(duì)一系列實(shí)體進(jìn)行集成及控制之上。虛擬仿真可以進(jìn)行操作訓(xùn)練、事故、火災(zāi)等應(yīng)急演練等，因此，虛擬仿真在軌道交通的員工培訓(xùn)上有著較為突出的優(yōu)勢(shì)。以地鐵員工為培訓(xùn)對(duì)象的在線分布式虛擬仿真系統(tǒng)利用Unity 3D技術(shù)制作3D場(chǎng)景，其主要功能就是結(jié)合地鐵運(yùn)維、地鐵檢修、地鐵調(diào)度、駕駛理論知識(shí)，通過(guò)模擬操作和考試提高工作人員的業(yè)務(wù)水平，提高工作效率。地鐵仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程如下：

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

地鐵虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)支持平臺(tái)主要功能包括對(duì)地鐵場(chǎng)景中實(shí)體、非實(shí)體對(duì)象進(jìn)行三維化展示，有效管理場(chǎng)景內(nèi)的各項(xiàng)要素，為仿真數(shù)據(jù)提供良好的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)接口以及進(jìn)行實(shí)時(shí)與高效交互等多種功能，交互操作功能由zSpace實(shí)現(xiàn)，交互操作功能由3部分組成，分別為被動(dòng)式偏振3D眼鏡、顯示屏及6自由度操控筆，6自由度操控筆是進(jìn)行虛擬地鐵運(yùn)維管理、地鐵檢修、地鐵調(diào)度、模擬駕駛的交互輸入方式。虛擬仿真系統(tǒng)是一個(gè)具有物理邏輯和工作規(guī)則的虛擬演示及操作環(huán)境，具有良好的可擴(kuò)展性。

按照地鐵虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)培訓(xùn)中所涉及的內(nèi)容，系統(tǒng)由培訓(xùn)考試模塊、場(chǎng)景仿真模塊、虛擬控制模塊構(gòu)成，系統(tǒng)整體架構(gòu)B/S模式，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MYSQL數(shù)據(jù)技術(shù)，3D虛擬場(chǎng)景系統(tǒng)采用Unity 3D引擎和C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。地鐵系統(tǒng)的員工登錄培訓(xùn)系統(tǒng)需要進(jìn)行身份驗(yàn)證。分布式虛擬仿真系統(tǒng)在應(yīng)用中將位于不同物理位置的多個(gè)用戶或多個(gè)虛擬環(huán)境連接在一起，實(shí)現(xiàn)信息的共享，比如可以實(shí)現(xiàn)不同崗位的地鐵應(yīng)急處置培訓(xùn)等。該系統(tǒng)中Unity 3D虛擬仿真引擎只能通過(guò)TCP/IP組件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分布式開(kāi)發(fā)，而互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳遞通過(guò)WebSeivce技術(shù)實(shí)現(xiàn)，采用WebService采取標(biāo)準(zhǔn)描述相關(guān)組件和XML數(shù)據(jù)傳遞模型。地鐵員工仿真培訓(xùn)整體系統(tǒng)架構(gòu)和功能模塊如圖2、圖3所示。

2.2 地鐵場(chǎng)景模型建立及導(dǎo)入

Unity 3D，簡(jiǎn)稱U3D，是一款游戲引擎軟件[8]，在虛擬仿真開(kāi)發(fā)引擎中具有極高的通用性[9-11]。地鐵場(chǎng)景建模過(guò)程中的開(kāi)發(fā)環(huán)境為Unity 3D，建立虛擬的地鐵場(chǎng)景，利用三維建模軟件SolidWorks實(shí)現(xiàn)地鐵車輛設(shè)備、車站環(huán)境及設(shè)施等的參數(shù)化建模，同時(shí)使用PixyzStudio、Cinema4D軟件進(jìn)行修正，如紋理貼圖、重建坐標(biāo)軸等，最后完成虛擬場(chǎng)景整合，導(dǎo)出為Unity 3D支持的FBX文件。

2.3 腳本平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

分布式虛擬仿真系統(tǒng)需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳遞大量的標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，所有虛擬仿真系統(tǒng)的任務(wù)腳本都可以通過(guò) XML編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)，編輯好的XML的腳本通過(guò)C#語(yǔ)言被U3D解釋并執(zhí)行?？梢暬_本編輯平臺(tái)實(shí)現(xiàn)邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)

人機(jī)交互設(shè)備主要為6自由度操控筆，在此操控筆的支持下，執(zhí)行對(duì)虛擬射線的發(fā)射任務(wù)。這一操作的進(jìn)行可以選中某一物體，當(dāng)虛擬射線和選中的物體之間出現(xiàn)相互接觸的情況之時(shí)，通過(guò)點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的交互鍵實(shí)現(xiàn)物體的抓取或縮放。6自由度操控筆的移動(dòng)算法主要是設(shè)置重力值和移動(dòng)速率，移動(dòng)速率和時(shí)間的乘積即可得到水平方向或者是垂直方向的物體移動(dòng)距離，操控筆交互功能流程如圖5所示。

當(dāng)用戶進(jìn)行地鐵相應(yīng)的場(chǎng)景虛擬仿真模擬時(shí)，通常需要對(duì)相應(yīng)的部件沿x、y、z軸進(jìn)行移動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)，分別是平移和轉(zhuǎn)動(dòng)。在Unity中，物體的旋轉(zhuǎn)可以用單位四元數(shù)進(jìn)行描述，表達(dá)式為，假設(shè)物體的初始坐標(biāo)點(diǎn)為P1與射線碰撞點(diǎn)坐標(biāo)P2的偏移向量為，射線長(zhǎng)度，四元數(shù)與向量之間的運(yùn)算 如式（1）[12]。

式（1）中，為操控筆的初始轉(zhuǎn)角;0，（0，0，1）為操控筆的局部坐標(biāo)系正方向[13]。

完成對(duì)初始信息的記錄工作之后，進(jìn)一步參照式（2）～式（5）的具體計(jì)算，將更新之后的物體的轉(zhuǎn)角及位置確定下來(lái)：

式（2）～式（5）中，Ppi所表示的是在進(jìn)行第i次循環(huán)之時(shí)，射線碰撞點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，P2i表示的則是在進(jìn)行第i次循環(huán)之時(shí)，操控筆所處的實(shí)際位置。另外，表示的是在進(jìn)行第i次循環(huán)之時(shí)，操控筆的具體轉(zhuǎn)角;則是操控筆轉(zhuǎn)角四元數(shù)的逆，用于補(bǔ)償?shù)?次循環(huán)計(jì)算中的偏差。根據(jù)式（1）～式（5）6自由度抓取之后，當(dāng)射線與物體接觸時(shí)，通過(guò)坐標(biāo)系計(jì)算出物體的縮放比例賦值給被選中的物體，實(shí)現(xiàn)與物體的虛擬交互。

3.2 虛擬場(chǎng)景漫游的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

6自由度操控筆是進(jìn)行虛擬地鐵運(yùn)維管理、地鐵檢修、地鐵調(diào)度、模擬駕駛的交互輸入方式，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)地鐵運(yùn)維管理、地鐵檢修、地鐵調(diào)度、模擬駕駛的虛擬場(chǎng)景。6自由度操控筆的交互實(shí)現(xiàn)：第一，根據(jù)圖2建立完整的、真實(shí)的地鐵運(yùn)維管理、地鐵檢修、地鐵調(diào)度、模擬駕駛的虛擬場(chǎng)景，設(shè)置不同的角色模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，然后根據(jù)不同角色的訪問(wèn)需求設(shè)置控制代碼[14]。第二，為了逼真的實(shí)現(xiàn)三維仿真，采用Unity3D中內(nèi)置的ThirdPerson Character包進(jìn)行場(chǎng)景的漫游設(shè)置[15];第三，人機(jī)交互操作通過(guò)6自由度操控筆和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn);6自由度操控筆控制角色移動(dòng)，鼠標(biāo)控制漫游視角的旋轉(zhuǎn)。虛擬仿真系統(tǒng)除了具有漫游場(chǎng)景功能之外，還可以通過(guò)過(guò)UI界面（用戶界面）視圖欄的相機(jī)切換實(shí)現(xiàn)不同視角的查看，設(shè)置特定的相機(jī)和瀏覽視角。

3.3 在線考試的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)虛擬仿真場(chǎng)景采用Unity 3D引擎，可以滿足地鐵員工在線學(xué)習(xí)、在線考試的相關(guān)需求，通過(guò)模擬地鐵的調(diào)度和運(yùn)維等場(chǎng)景，可提升工作人員的職業(yè)技能。員工需要先登錄虛擬仿真系統(tǒng)，登錄之后根據(jù)設(shè)置的操作規(guī)程，點(diǎn)擊相應(yīng)的模塊進(jìn)行在線學(xué)習(xí)與考試，以提高職業(yè)技能。

4 仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

4.1 運(yùn)行效果

在運(yùn)行仿真系統(tǒng)的過(guò)程中，用戶可以與系統(tǒng)進(jìn)行交互，具體：基于主界面利用6自由度操控筆可以選擇不同的虛擬場(chǎng)景，移動(dòng)6自由度操控筆移動(dòng)虛擬射線進(jìn)行交互操作;如城軌車站應(yīng)急救援虛擬場(chǎng)景，用戶進(jìn)入場(chǎng)景之后，可以從不同的視角進(jìn)行觀看，增強(qiáng)用戶的實(shí)時(shí)交互體驗(yàn)。

4.2 交互實(shí)時(shí)性評(píng)價(jià)

為了對(duì)系統(tǒng)所表現(xiàn)出來(lái)的應(yīng)用性以及實(shí)用性功能進(jìn)行測(cè)試，針對(duì)系統(tǒng)的交互性能展開(kāi)測(cè)試，此過(guò)程應(yīng)用的計(jì)算機(jī)配置CPU型號(hào)：Intel 酷睿i5 7500，CPU頻率：3.4G Hz，內(nèi)存容量：8 GB DDR4。操控筆交互過(guò)程中系統(tǒng)每一幀運(yùn)行的時(shí)間間隔平均為 16.85 mm，擁有優(yōu)良的交互實(shí)時(shí)性能。該系統(tǒng)采用虛擬化的培訓(xùn)手段，避免使用真實(shí)的樣機(jī)， 在實(shí)踐應(yīng)用中有以下優(yōu)點(diǎn)，一是培訓(xùn)效率高;二是培訓(xùn)成本低;三是培訓(xùn)過(guò)程安全。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究以地鐵在線員工培訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)的人機(jī)交互性能較好，采用桌面虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，操控筆交互過(guò)程中系統(tǒng)每一幀運(yùn)行的時(shí)間間隔平均為 16.85 mm。系統(tǒng)虛擬仿真場(chǎng)景采用 Unity 3D 引擎，Unity 3D 建立虛擬的地鐵場(chǎng)景，利用三維建模軟件Solid Works實(shí)現(xiàn)地鐵車輛設(shè)備、車站環(huán)境及設(shè)施、地鐵的供電設(shè)備、通信設(shè)備等的建模，同時(shí)使用Pixyz Studio、Cinema 4D軟件進(jìn)行修正，最后完成虛擬場(chǎng)景整合，其可以滿足地鐵員工在線學(xué)習(xí)、在線考試的相關(guān)需求，通過(guò)模擬地鐵的調(diào)度和運(yùn)維等場(chǎng)景，可提升工作人員的職業(yè)技能。

參考文獻(xiàn)

[1]曲興衛(wèi). 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的兵馬俑復(fù)制品模型展示系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2019，42（19）：154-157.

[2]秦超龍，宋愛(ài)國(guó)，吳常鋮，等. 基于Unity 3D與Kinect的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人情景交互系統(tǒng)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2017，38（03）：530-536.

[3]楊艷芳，賀 煥，舒 亮，等. 基于時(shí)間Petri網(wǎng)的斷路器虛擬裝配系統(tǒng)研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2019，30（3）：62-69

[4]張冀川，徐家斌，童亦斌，等. 基于RT-LAB的MMC半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 電力電子技術(shù)，2016，50（03）：26-28.

[5]任福深，孫雅琪，胡 慶，等. 基于Unity 3D的水下機(jī)器人半實(shí)物仿真系統(tǒng)[J/OL]. 系 統(tǒng)仿真報(bào)：1-10[2020-08-06]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.3092.v.20200327.1718.006.html.

[6]邢瑞毅，馬世偉，鐘建鵬. 基于Simulink的水下無(wú)人機(jī)器人建模與仿真[J]. 系統(tǒng)仿真技術(shù)，2018，14（02）：109-112+135.

[7]P REZ J， SALES J，P E ALVER A，et al. Robotic Manipulation Within the Underwater Mission Planning Context[M]. Motion and Operation Planning of Robotic Systems. Springer International Publishing，2015：595-612.

[8]安葳鵬，孟衛(wèi)娟. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的煤礦設(shè)備裝配仿真系統(tǒng)研究[J]. 測(cè)控技術(shù)，2017，36（8）：114-117.

[9]李軍鋒，巫慶輝，劉 杰. 基于Unity 3D的《電機(jī)拖動(dòng)》虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J]. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2016，35（10）：87-90.

[10]張 衡，張澤宇. 基于MEMS傳感器和Unity3D的人體運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36（2）：274-281.

[11]王文潤(rùn)，王陽(yáng)萍，雍 玖. 基于Unity 3D的鐵路信號(hào)設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2016，60（8）：144-147.

[12]魏士松，周正東，章栩苓，等. 基于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的航天器虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)[J/OL]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)：1-7[2020-08-06]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.3092.V.20200803.1715.002.html.

[13]朱希安，徐宇翔. 基于射線的虛擬手動(dòng)態(tài)碰撞檢測(cè)算法[J]. 北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，30（2）：20-25.

[14]胡素蕓，邵斌澄，李 坤，等. 面向航天員虛擬訓(xùn)練的人機(jī)交互系統(tǒng)研制和測(cè)試[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2017，31（12）：1902-1911.

[15]王 瑞，薛慰慈. 基于Unity 3D的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫(huà)展示窗[J]. 電子測(cè)量技術(shù)，2019，42（12）：100-105.