基于Unity3D的鋼軌折斷緊急處理虛擬仿真軟件開發(fā)及教學(xué)探索

武偉剛 董浩 王瑞龍 童川

［摘 ? ? ? ? ? 要］ ?無縫線路提高了線路的強度與穩(wěn)定性，但也造成低溫季節(jié)鋼軌折斷的病害發(fā)生。鋼軌折斷處理存在潛在危險性、突發(fā)性，對現(xiàn)場操作人員應(yīng)急處理水平要求較高，在教學(xué)過程中很難進(jìn)行現(xiàn)場實訓(xùn)操作。因此，基于3DMAX軟件和Unity3D平臺建立典型工機具三維仿真模型庫，將行業(yè)相關(guān)思政元素設(shè)置于搭建的鐵路線路設(shè)備及結(jié)構(gòu)場景中，開發(fā)了鋼軌折斷緊急處理虛擬仿真軟件。通過實訓(xùn)教學(xué)探索，學(xué)生能在安全的環(huán)境中進(jìn)行病害認(rèn)知和處理操作，實現(xiàn)課崗對接，降低學(xué)習(xí)難度，有助于鐵路線路相關(guān)專業(yè)課程的教學(xué)，有利于相關(guān)學(xué)習(xí)者的能力培養(yǎng)。

［關(guān) ? ?鍵 ? 詞］ ?鋼軌折斷緊急處理；虛擬仿真；教學(xué)探索

［中圖分類號］ ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］ ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ［文章編號］ ?2096-0603（2023）18-0177-04

2018年，教育部發(fā)布的《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》提出，國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目、拓展實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學(xué)時間和空間、提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。2020年，教育部發(fā)布的《關(guān)于職業(yè)教育示范性虛擬仿真實訓(xùn)基地建設(shè)工作的通知》提到，建設(shè)職業(yè)教育虛擬仿真實訓(xùn)基地是有效彌補教育實訓(xùn)中看不到、進(jìn)不去、成本高、危險性大等特殊困難的重要措施。實訓(xùn)教學(xué)的目的是為學(xué)生創(chuàng)造一種科學(xué)探索和實踐的真實環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識與鐵路現(xiàn)場實踐相結(jié)合，提升學(xué)生的動手操作能力，提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)與職業(yè)精神[1]。但傳統(tǒng)的實訓(xùn)教學(xué)由于自身特點及其存在的一些問題，限制了實訓(xùn)教學(xué)的實際效果。虛擬仿真技術(shù)能夠?qū)?shù)據(jù)實現(xiàn)可視化和多維度的表達(dá)，通過建立模型模擬真實環(huán)境，為學(xué)習(xí)者提供多種交互方式，目前技術(shù)已日臻完善，并在不同領(lǐng)域得到了不同程度的應(yīng)用[2]。

鐵路線路軌道具有延展長度長、承受上部列車荷載大、暴露在野外環(huán)境等不利因素，易使既有鐵路線路軌道空間幾何形位劣化，造成鐵路線路設(shè)備功能和耐久性降低，不利于列車運行的安全性、舒適性、穩(wěn)定性，鋼軌是鐵路軌道的組成部分，直接承受列車車輪荷載。我國鐵路廣泛應(yīng)用無縫線路，無縫線路是由多根標(biāo)準(zhǔn)長度的鋼軌焊接而成的不小于500米的長鋼軌線路，由于消滅了鋼軌接頭，鋼軌折斷是無縫線路在溫度低的季節(jié)的主要病害之一，直接危及行車安全。在教學(xué)過程中無縫線路部分知識和技能是鐵道工程技術(shù)專業(yè)鐵路線路檢修與管理、工務(wù)實訓(xùn)課程的重點內(nèi)容，也是鐵路線路工等相關(guān)人員培訓(xùn)學(xué)習(xí)的重點內(nèi)容，但軌道交通運輸部門出于安全生產(chǎn)和交通正常運行的考慮，通常能為職業(yè)院校提供實踐教學(xué)的機會較少，而鋼軌折斷處理實訓(xùn)學(xué)生操作難度較大且存在安全隱患，難以模擬真實復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。因此，眾多學(xué)校并未開展相應(yīng)的實訓(xùn)，授課教師采用圖片觀察、視頻展示的方式進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生理解較困難甚至?xí)霈F(xiàn)互相混淆。

針對上述問題，基于3DMAX軟件和Unity3D平臺，本文以鋼軌折斷病害處理為例，設(shè)計了一個能夠強化學(xué)生學(xué)習(xí)鋼軌折斷病害處理流程的交互操作的虛擬仿真教學(xué)軟件，模擬真實作業(yè)環(huán)境，并通過問卷調(diào)查法對應(yīng)用后學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗進(jìn)行了調(diào)查評價。

一、虛擬系統(tǒng)開發(fā)工具選取

3DMAX是Discreet公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的3D建模渲染和制作軟件，具有豐富的建模工具和UV貼圖調(diào)節(jié)功能，操作性強、制作模型逼真、質(zhì)感表現(xiàn)真實，且價格低廉，方便易學(xué)。Unity3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的一個多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，具有層級式綜合開發(fā)環(huán)境、可視化編輯、編輯器友好、兼容性好、入門簡單、用戶體驗好等特點。因此，本例選用Unity3D 作為虛擬系統(tǒng)開發(fā)工具，實現(xiàn)3DMAX實物模型在三維模擬環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)交互動作。

二、鋼軌折斷緊急處理虛擬仿真軟件開發(fā)過程

（一）虛擬仿真開發(fā)內(nèi)容選取

無縫線路維修作業(yè)主要有無縫線路應(yīng)力放散、鋼軌折斷處理、鋼軌脹軌跑道及其他病害維修，如圖1關(guān)系結(jié)構(gòu)圖。其中，鐵路運營維護(hù)部門實際在鋼軌折斷緊急處理的過程中往往時間緊迫且具有危險性，與專業(yè)課程中的簡化描述或教學(xué)視頻有偏差，在一定程度上造成職工實際現(xiàn)場病害處理與學(xué)生學(xué)校學(xué)習(xí)的情況相脫節(jié)，且學(xué)生對學(xué)習(xí)敘述形式的課堂教學(xué)內(nèi)容有排斥情緒，授課內(nèi)容不受重視，難以消化，因此選取鋼軌折斷緊急處理過程作為典型工作任務(wù)，開發(fā)虛擬仿真實訓(xùn)軟件，后續(xù)在此基礎(chǔ)上擴充鋼軌折斷臨時處理及永久處理工作任務(wù)。

（二）虛擬仿真腳本設(shè)計

腳本在虛擬仿真實驗設(shè)計中起到提綱挈領(lǐng)的作用，是虛擬仿真實驗的設(shè)計依據(jù)[3]。通過鐵路運營維護(hù)企業(yè)實際作業(yè)跟崗調(diào)研，依據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》（簡稱《技規(guī)》）、《普速鐵路線路修理規(guī)則》（簡稱《修規(guī)》）及《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》（簡稱《安規(guī)》）的要求，對鋼軌折斷緊急處理進(jìn)行理論知識梳理，歸納出實訓(xùn)教學(xué)讓學(xué)生掌握緊急處理過程中的發(fā)現(xiàn)病害、設(shè)置防護(hù)、病害處理、撤除防護(hù)、線路開通及后續(xù)等主要工作流程，學(xué)習(xí)各流程的相關(guān)原理及操作方法，熟悉鐵路線路的工作環(huán)境，為對接工作崗位奠定基礎(chǔ)。

在腳本設(shè)計時，考慮到在故事情景中進(jìn)行學(xué)習(xí)，情景設(shè)計要結(jié)合真實作業(yè)情景，將實訓(xùn)過程中可能面臨的問題完全展示出來，故事情景設(shè)計要符合學(xué)生的客觀認(rèn)知規(guī)律，故事情節(jié)要承載對應(yīng)知識，將知識還原到真實情景中供學(xué)生探索學(xué)習(xí)。因此，腳本中詳細(xì)要求了模型的種類數(shù)量、制作尺寸及精度、工作場景還原度、交互解說詞、交互動作等功能[4]。

（三）虛擬仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2為結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，考慮到部分學(xué)生學(xué)習(xí)時對于線路工機具不熟悉的情況，因此增加病害認(rèn)知和工機具的認(rèn)知模塊，利用程序設(shè)計觸碰或拿起工具后語音講解該工具的功能和用途。學(xué)習(xí)時為了真實感受現(xiàn)場作業(yè)的緊急性和危險性，通過企業(yè)實地調(diào)研，虛擬真實線路工區(qū)現(xiàn)場站房及值班室，模擬戶外線路環(huán)境，同時融入“人民鐵路為人民”的企業(yè)文化和線路工作業(yè)規(guī)范等課程思政元素，構(gòu)建沉浸式的教學(xué)環(huán)境，再將鋼軌折斷緊急處理作業(yè)包括的施工防護(hù)設(shè)置及軌道電路的恢復(fù)，斷縫的量取及標(biāo)記，鼓包夾板及無孔夾具安裝病害處理等復(fù)雜作業(yè)流程真實呈現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)課崗對接，降低學(xué)生認(rèn)知和學(xué)習(xí)難度。

（四）虛擬仿真開發(fā)路線及過程

虛擬仿真開發(fā)設(shè)計的關(guān)鍵是搭建整個系統(tǒng)的框架，明確開發(fā)路線，最后根據(jù)腳本內(nèi)容的設(shè)計對每個模塊功能進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。虛擬仿真技術(shù)開發(fā)路線，如圖3，可分解為：腳本及結(jié)構(gòu)設(shè)計—三維建?！獔鼍按罱ā獎幼髦谱鳌换ピO(shè)計[3]，其中腳本內(nèi)容設(shè)計貫穿于整個虛擬仿真技術(shù)開發(fā)過程。

1.三維建模及場景搭建

鐵路線路維修工務(wù)機具設(shè)備比較笨重，有些更新迭代較快，如電動扳手等，相關(guān)課程在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，教師普遍采用教學(xué)實物模型進(jìn)行教學(xué)，起到了很好的效果，但是大部分工機具設(shè)備笨重不便攜帶，如內(nèi)燃機扳手、鋼軌矯直器、軌縫調(diào)節(jié)器等，且操作有危險性等，且學(xué)校工機具室工機具設(shè)備不齊全。為了確保各3DMAX三維模型的尺寸、比例與實際效果相符，通過企業(yè)調(diào)研、使用鋼軌及軌枕等規(guī)范的設(shè)計圖紙及拍照等方式采集工機具設(shè)備尺寸，建立滿足虛擬仿真實訓(xùn)需要的模型。采用3DMAX建模過程中，模型面越多越精細(xì)，數(shù)據(jù)量就越大，軟件運行速度就會越慢[5]。因此，經(jīng)過建模優(yōu)化，減少模型線條及面的數(shù)量、長度分段數(shù)和寬度分段數(shù)，使模型分布均勻[6]。模型外觀圖片采用 Photoshop制作或網(wǎng)絡(luò)資源下載，經(jīng)過處理后，對三維模型進(jìn)行UV貼圖后保存為FBX格式文件，再將該文件導(dǎo)入Unity3D虛擬仿真開發(fā)平臺中，得到工機具、房屋及場景虛擬仿真模型，如圖4工機具室部分設(shè)備場景、圖5線路維修工區(qū)場景、圖6值班室場景。

2.鋼軌折斷緊急處理交互動作實現(xiàn)

鋼軌折斷緊急處理虛擬仿真引擎的交互場景分為HUD交互場景和實物交互場景，在Unity3D引擎中，通過對幀畫面更新（Update，F(xiàn)ixedUpdate，LateUpdate）函數(shù)的實現(xiàn)來控制畫面中各個動態(tài)交互場景和物體動畫場景展示。

Update函數(shù)固定會在幀的更新之前完成執(zhí)行，在渲染幀之前以及計算動畫之前都會調(diào)用Update函數(shù)。如下面這段代碼對物體（Game Object）的位置進(jìn)行動態(tài)改變：

void Update（） {

float distance = speed * Time.deltaTime * Input.GetAxis（"Horizontal"）；

transform.Translate（Vector3.right * distance）；

}

FixedUpdate函數(shù)的執(zhí)行是基于畫面渲染幀的，每秒執(zhí)行的次數(shù)=幀數(shù)。在每一幀畫面到來時對物體進(jìn)行操作即可達(dá)到物體動起來的效果，當(dāng)物體的運動狀態(tài)保持連貫后就形成了動畫，這對某些低幀率下的函數(shù)是有影響的。如下面這段代碼對物體的重力進(jìn)行改變：

void FixedUpdate（） {

Vector3 force = transform.forward * driveForce * Input.GetAxis（"Vertical"）；

rigidbody.AddForce（force）；

}

FixedUpdate和Update最大差別是，Update的執(zhí)行基于畫面的渲染幀率，每次渲染都會執(zhí)行。而FixedUpdate是基于一個離散的內(nèi)部時鐘以固定的時間執(zhí)行，它是無關(guān)于畫面幀率的，不會受到幀率影響的。

LateUpdate總是在Update執(zhí)行完成之后執(zhí)行，可以用Update計算完成后的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

如下面這段代碼對相機的改變：

void LateUpdate（） {

Camera.main.transform.LookAt（target.transform）；

}

以上三種Update函數(shù)控制著渲染之前方方面面的操作，總的來說，F(xiàn)ixedUpdate管理物理系統(tǒng)、Update管理幀渲染前的游戲?qū)ο髮傩宰兓?、LateUpdate函數(shù)大多用在攝像機的位置變化上。

3.鋼軌折斷緊急處理漫游實現(xiàn)

頭盔具有定位功能且?guī)в?D主動立體眼鏡和耳機，運用左右兩只交互手柄移動和操作實現(xiàn)漫游功能，即可單手實現(xiàn)笨重的工具機具360°翻轉(zhuǎn)認(rèn)知學(xué)習(xí)，各個角度進(jìn)行病害認(rèn)知，并用鋼直尺量取斷縫值并標(biāo)記在軌面，選擇正確工具完成施工防護(hù)牌的插設(shè)和撤除、三齒耙扒道砟、安裝銅短接線、安裝鼓包夾板及無孔夾具等工序，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。嵌入現(xiàn)場圖片，結(jié)合語言提示操作完成鐵路線路恢復(fù)后的后續(xù)工作。

三、鋼軌折斷緊急處理虛擬仿真軟件的應(yīng)用情況

本虛擬仿真軟件利用Unity 3D完成鋼軌折斷緊急處理程序，完成項目編程、交互建設(shè)。2022年，成功申請《鋼軌折斷緊急處理虛擬仿真教學(xué)軟件V1.0》軟件著作權(quán)（登記號為2022SR0847405），并進(jìn)行教學(xué)應(yīng)用，為我校鐵道工務(wù)類師生提供了教學(xué)服務(wù)，經(jīng)過我校鐵道工程技術(shù)19T1與鐵道施工與養(yǎng)護(hù)17A1兩個班一個學(xué)期的《鐵路工務(wù)實訓(xùn)》教學(xué)實訓(xùn)應(yīng)用，通過將游戲化學(xué)習(xí)與任務(wù)驅(qū)動教學(xué)相結(jié)合，學(xué)生以角色扮演完成教學(xué)任務(wù)[7]，有效解決了專業(yè)課程無縫線路斷軌緊急處理實訓(xùn)危險大、成本高、耗時長，以及實驗資源匱乏等問題，使學(xué)習(xí)者在校內(nèi)實訓(xùn)能夠緊密接軌企業(yè)線路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)。

通過設(shè)計的用戶體驗反饋表，從軟件易用性、穩(wěn)定性、內(nèi)容正確性、學(xué)習(xí)效果、體驗感受及使用建議等方面組織了問卷調(diào)查。調(diào)查結(jié)果總體上，學(xué)生反映自身體驗效果良好，利用手柄操作容易上手，能夠通過軟件的操作，置身于線路工區(qū)，直觀地掌握了鋼軌折斷緊急處理方法，感受到了線路工崗位作業(yè)的艱苦，得到了同學(xué)們的認(rèn)可，同時也建議再擴充供電和電務(wù)類專業(yè)日常維修工機具的認(rèn)知。

四、結(jié)束語

虛擬仿真教學(xué)軟件為學(xué)生提供真實體驗的場景和平臺，促進(jìn)了理論知識和實訓(xùn)的相互結(jié)合，虛擬仿真教學(xué)通過沉浸式的體驗與學(xué)習(xí)，增加了課堂環(huán)境的真實感，提升了學(xué)生的課堂參與度，本案例通過虛擬仿真技術(shù)開發(fā)教學(xué)資源，并應(yīng)用于鋼軌折斷緊急處理實訓(xùn)教學(xué)探索，有以下收獲：

1.鋼軌折斷緊急處理作業(yè)包括施工防護(hù)設(shè)置及軌道電路的恢復(fù)，鼓包夾板及無孔夾具安裝等作業(yè)操作，處理程序復(fù)雜且安全注意事項多，實訓(xùn)時模擬復(fù)雜作業(yè)環(huán)境難度大等問題，同時減少實訓(xùn)設(shè)備投入及實訓(xùn)材料與能源消耗，實現(xiàn)了實訓(xùn)過程重復(fù)與可逆。

2.準(zhǔn)確還原工機具設(shè)備結(jié)構(gòu)及病害處理流程，實現(xiàn)了循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)過程，豐富了教學(xué)內(nèi)容，擴充實訓(xùn)模塊，同時專業(yè)教師通過開發(fā)鋼軌折斷應(yīng)急處理教學(xué)資源建設(shè)，探索虛擬仿真現(xiàn)實交互式教學(xué)資源開發(fā)路徑與方法，為后續(xù)增加工電供一體化維修工機具，開發(fā)鋼軌折斷臨時處理、永久處理及膠結(jié)絕緣接頭作業(yè)項目奠定基礎(chǔ)。

3.應(yīng)用于教師的課堂教學(xué)，能夠?qū)F(xiàn)場實際工作機具及設(shè)備以生動形象的動畫來演示，并且在教師的操作下進(jìn)行安裝演練，做到將各個部件都可以三維旋轉(zhuǎn)的在立體空間中進(jìn)行展示，從而終止單一的圖片及視頻展示，降低勞動強度的同時也增強了課堂渲染力，提高了教學(xué)效果。

4.應(yīng)用于學(xué)生的課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，不受時間和地點的約束。在不限次數(shù)的參與下，各個知識內(nèi)容可以動態(tài)呈現(xiàn)，讓學(xué)生在虛擬仿真實訓(xùn)操作和學(xué)習(xí)過程中實現(xiàn)鋼軌折斷處理相關(guān)理論知識的傳遞、內(nèi)化及知識的鞏固拓展，調(diào)動學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性和主動性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)潛能，彌補了傳統(tǒng)鋼軌折斷應(yīng)急處理實訓(xùn)教學(xué)的缺陷和不足。

5.通過企業(yè)調(diào)研設(shè)計腳本，緊跟鐵路線路軌道維護(hù)行業(yè)一線需求，保證了課程內(nèi)容的時效性，可以幫助相關(guān)企業(yè)員工不脫產(chǎn)學(xué)習(xí)，同時為同類院校同類專業(yè)實訓(xùn)課程中帶有安全隱患及學(xué)校實訓(xùn)場地?zé)o法開展實訓(xùn)的作業(yè)項目提供教學(xué)資源。

參考文獻(xiàn)：

［1］張建武，孔紅菊.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實踐實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.電化教育研究，2010（4）：109-112.

［2］周丹.中國VR技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用前景與對策研究［J］.電腦知識與技術(shù)，2018，14（20）：254-256.

［3］閆莎莎，秦忠誠，劉進(jìn)曉，等.基于Unity3D的綜采工藝虛擬仿真實驗教學(xué)探索［J］.實驗技術(shù)與管理，2020，37（8）：137-140.

［4］王娟，陳瑤.資源建設(shè)新形態(tài)：虛擬仿真資源的內(nèi)涵與設(shè)計框架［J］.中國電化教育，2016（12）：91-96.

［5］張養(yǎng)安，李俊鋒，楊愛玲，等.基于3DMAX的虛擬現(xiàn)實三維建筑模型建模技術(shù)初探［J］.測繪與空間地理信息，2015，38（10）：151-153，157.

［6］王文潤，王陽萍，雍玖.基于Unity3d的鐵路信號設(shè)備虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2016，60（8）：144-147.

［7］張?zhí)鞁?，乜勇，萬文靜.虛擬仿真教學(xué)資源的開發(fā)及其在職業(yè)教育中的應(yīng)用研究［J］.中國教育信息化，2021（22）：49-53.

◎編輯 魯翠紅