CRH3 型动／拖转向架虚拟检修系统设计及关键技术研究

肖 乾， 彭俊江， 李 萍， 周生通， 杨文斌， 周 鹏

（1.华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室，南昌330013；2.株洲国创轨道科技有限公司，湖南株洲412001；3.中车株洲电力机车有限公司大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南株洲412001）

0 引 言

为有效解决运能不足，我国正大力发展高速铁路技术，建设高速铁路网。高速列车运行速度快，对车辆、轮轨、弓网等系统提出了极高的要求［1］。转向架是4 动4 拖动力分派动车组（China Railway High speed，CRH3）的重要组件，对转向架的检修检测是保证高速列车运行品质和安全的重要因素。传统模式下的CRH3 型动／拖转向架检修培训是通过实物样机，结合视频动画等方式进行。传统模式下的CRH3 型动／拖转向架检修培训因实物样机数量有限、操作过程枯燥、实际操作少、涉及内容片面等缺点，无法实现人员的高效岗位技能培训。

国内专家学者已将3D 虚拟现实技术引入轨道车辆转向架的检修检测研究，并已取得一些成果。米小珍等［2］使用Cult3D构建CRH3 转向架虚拟检修环境，应用三维建模软件（3D Studio Max，3Ds Max）、CAD完成虚拟场景3D模型工作，结合多媒体技术完成CRH3型转向架的虚拟检修模拟。金燕等［3］以CRH380BL型车转向架为研究对象，基于Cult3D 平台，结合Pro／E、Authorware完成了CRH380BL转向架虚拟检修仿真系统的开发。张嘉鹭等［4］研究了基于Cortona3D 虚拟引擎，在B／S架构基础上开发了CRH380AL动车转向架、轴向轮对、制动闸片的虚拟检修系统。杨岗等［5］研究了基于Virtools平台，结合SolidWorks、3Ds Max等三维软件实现了CRH1 型转向架虚拟检修与装配的仿真系统研究。谌亮等［6］研究了应用虚拟现实建模语言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）语言编辑CRH5 转向架虚拟检修、装配环境，并设置求解器，结合HyperMesh、ANSYS 进行转向架有限元分析的联合仿真系统。对关于转向架虚拟检修研究文献发现，研究成果主要集中在对转向架模型展示和多媒体技术基础上的模拟检修，而虚拟检修环境的交互性、沉浸性和真实感存在不足，缺乏对检修动作物理效果的模拟。

Unity3D是一款融合了高优化度渲染，高效物理特性的引擎，可实现多平台发布的层级式虚拟系统开发平台［7］。本文CRH3 型动／拖转向架虚拟检修系统（以下简称转向架虚拟检修系统）设计及关键技术研究，以Unity3D 引擎为基础，利用三维动画软件Autodesk Maya（Maya），3Ds Max，Photoshop 等三维软件，以某动车段检修车间为原型构建转向架虚拟检修环境。通过场景建模、图形处理，虚拟交互设计、系统优化调试，在Unity3D 可视化程度高、交互性、沉浸感强的基础上开发第一人称视角下综合互动型的转向架虚拟检修系统，实现用户对CRH3 型转向架的全面学习。

1 系统概述

1.1 系统结构设计

转向架虚拟检修系统是一款采用基于Unity 3D层级式技术，利用Maya，Photoshop 搭建模型与完成图形渲染处理，实时、分层地处理导入Unity3D 的FBX格式三维模型，通过其创造高质量、高视觉效果的三维仿真系统［8］。系统逻辑设计从检修需求分析入手，严格参照铁路检修部门检修作业指导手册思想，并结合一线教师经验，采用单线程分层编辑简化系统。系统初步完成后针对系统交互界面，系统场景交互控制与响应进行调试，针对CRH3 型转向架检修需求完善系统整体信息。生成操作界面友好，针对性、实用性强的高度虚拟再现的转向架虚拟检修系统。系统整体结构如图1 所示。

图1 系统总体结构图

1.2 系统功能设计

系统应用层分为登录、转向架虚拟拆解、构架检修、轮对检修和轴箱检修等模块。

（1）登录模块。系统根据输入的用户信息应用关系型数据库管理系统结构化查询语言（Struchured Query Language，SQL）编写的信息数据库进行比对，识别用户。

（2）转向架虚拟拆解模块。系统针对CRH3 型转向架不同构件的拆解需求，在虚拟检修场景中设置UI交互界面与拆解工具仿真声音源指导用户选择正确的拆解工具，在符合拆解工艺的要求下完成转向架的全部拆解工作。

（3）构架检修模块。用户进入此模块后，系统会激活预先建立的故障与检修数据库。根据构架检修工艺需求，用户可通过外部交互设备（鼠标、键盘）控制场景视角，确定检修位置，通过用户界面（User Interface，UI）的指导信息完成构架检修的全部流程。同时系统在此环节中设置条件判断，操作错误时系统虚拟对象不响应，并发出错误提示，此部分可考核用户对检修工艺的掌握程度。

（4）轮对检修模块。系统中轮对检修场景采用虚拟的自动化检修车间布置，由UI指导界面与动画引擎DoTween插件制作的动画模拟完成轮对检修。

（5）轴箱检修模块。针对轴箱检修工艺，结合Unity3D内置的Animation 控件与外部交互设备、高光High插件、UI交互界面完成轴箱检修工作。

系统各模块布局合理，符合转向架检修作业操作思路与工艺流程。

2 系统关键技术

2.1 场景建模

系统场景中模型功能复杂，表现形式多样，Unity3D系统内置的建模功能无法满足系统高质量的场景要求，Unity3D支持从Maya，3Ds Max 中导入FBX格式文件。转向架虚拟检修系统场景模型总体由Maya完成，转向架模型由Pro／E严格遵循实体尺寸建模。完成建模后检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况，具体建模结构如图2所示。

图2 建模结构图

为提高系统场景亮度及模型真实感，增强现实感，利用Photoshop 精绘贴图创建材质［9］。Maya贴图时根据模型特性选择相匹配的贴图格式，系统中不带通道的为JPG格式，带通道的32 bit的PNG格式。Maya中对场景模型添加材质后经Arnold 渲染，提高场景的真实效果。导出FBX 文件后导入Unity3D 引擎。Pro／e完成的转向架机械模型导出OBJ格式后经Maya 转换为FBX图形格式导入Unity3D。通过NGUI插件、粒子特效、DoTween动画、脚本控制等实现场景模型相关功能及特性。系统部分模型如图3 所示。

图3 系统模型

2.2 UI交互设计

UI是人机交互的开端，也是实现CRH3 型转向架检修作业指导系统功能多样化、完整化与增强现实的重要基础。友好、高效、简捷型用户界面能够有效地提升用户与系统良好的交互感，保证用户学习效率。

的系统交互主界面如图4 所示，交互界面设计采用NGUI开发。NGUI 是严格遵循KISS 原则并用C＃编写的Unity 插件。NGUI功能易于调节和扩展，其提供强大的UI系统和事件通知框架［10］。系统设计时将界面背景图和NGUI 相结合，通过AtlasMaker 添加新的UI控件样式，应用面向UI的编程思想，编程实现控件的交互功能。系统UI交互主界面由三维场景区、右侧UI指导栏、天车UI 控制手柄和左侧模块切换栏组成。系统交互功能的设计是基于面向对象的驱动原则，实现主要功能模型与UI应用界面高保真原型。系统交互前均设计有预信息提示，当系统功能的规则与用户习惯的规则具有一定的差异时，遵循差异化规则，通过UI界面给出提示。场景中转向架拆解工具交互功能的实现是系统交互功能实现的重要基础。

2.3 检修特效

系统场景中涉及众多检修环节，为最大限度模拟真实检修场景，增强现实感。系统在构架检修中的漆修环节与焊修环节使用Unity 3D 内置的粒子系统（Particle System），虚拟模仿检修过程中的物理效果。系统中的粒子会随着时间推移不断变形和运动（Size by speed等属性），会自动产生新的粒子，符合电焊火花的物理特性，可以提高系统场景内物体检修时的可观赏性和真实度［11］。具体实现时首先在系统Scence中加载粒子系统资源，然后在属性面板中根据特效需求设置粒子系统参数，主要在属性面板中设置Emission，Size over Lifetime Collision，Renderer 等参数，并利Photoshop 精绘贴图创建材质赋予Renderer 中Material，模拟焊修与漆修时物理特性，实现高度模拟效果。转向架构架焊修特效如图5 所示。

2.4 碰撞检测

CRH3 型转向架检修指导过程中，系统为顺利实现场景交互功能，必然会出现虚拟模型的交结与碰撞。虚拟检修工具在检修场景中实施相关检修操作，如转向架构架的拆解、检修、点击电焊枪模型会显示电焊枪UI控制界面等过程，均涉及碰撞检测与处理。

Unity3D物理组件配置有球碰撞体，盒碰撞体，胶囊碰撞体，网格碰撞体等，将它们加载至模型对象上实现相关碰撞信息的处理，其算法属于层级包围盒法［12-13］。针对系统实际情况，使用球碰撞体与盒碰撞体中的触发器（Is Trigger）模式，在碰撞体属性面板参数设置中勾选Is Trigger。盒碰撞与球碰撞采用的算法是层级包围盒法中的轴向包围盒（AABB）检测算法。包围盒法简单性好，但是紧密性差［14］。AABB 包围盒算法的基本算法是将2 个碰撞体的包围盒分别向X、Y、Z 3 个坐标轴投影，只有2 个包围盒在3 个坐标轴上的投影区间都相交时才能判断2 个包围盒相碰撞［15］。如图6 所示。

设A、B分别为两碰撞体的检测包围盒，OA、OB分别为A、B 的中心点，其在X 轴上的投影点为XA与XB，AA′与BB′分别为A 和B 的X 正方向半轴在X 轴方向上的投影。若AA′＋BB′≥XAXB，则在X轴上A与B是相交的，反之则A与B是不相交的。若A与B 在X、Y、Z方向的投影均相交，则可以得到A与B 在三维空间是相碰撞的，即AA′、BB′间的碰撞测试只需进行6次比较运算则可进行判断。

图6 AABB碰撞检测示意图

3 系统实现

3.1 系统优化

要顺利、完美地展现系统场景内各部分内容，必须对系统项目进行性能优化。对于转向架虚拟检修系统，优化方面主要考虑图形渲染、渲染管线和虚拟场景图形性能优化。如系统中模型顶点数目、面数、批处理数量等。要保持系统运行平稳流畅，不影响视图效果，需要严格控制CPU在每帧需要计算的布料模拟、粒子检修动画、顶点网格。系统在开发完成后通过以下方法进行CPU、GPU等进行优化：

（1）渲染定级，场景中图形分级别渲染；

（2）材质共用，同时利用Mesh Baker 组件将部分模型合并；

（3）减少UV 贴图中的硬边，用Normal 贴图和Ambient Occlusion map实现凹凸效果；

（4）编写高效Shader，应用占用内存小、计算耗时少的操作符代替nversesqart、exp、normalize等。

通过以上方法对CPU、GPU 等优化后，虚拟检修系统性能得到明显的改善，不存在卡顿或图形畸变现象。优化后的检修系统性能参数如图7 所示。项目总内存1.40 GB，Camera.Render及其调用子函数所占用的时间比由78.3%下降到了66%。

3.2 系统调试与发布

转向架虚拟检修系统由开发人员对场景、代码与逻辑关系进行系统性优化后发布打包文件进行调试。系统一次完整的测试时间为6 min，为使测试界面流畅，系统场景传输速率为30 F／s［16］。系统调试主要针对以下4 个方面展开：

（1）场景模型是否符合实体形状和功能要求；

（2）检修流程工艺是否准确；

（3）NGUI控件激活的动作和响应信息是否准确；

（4）系统运行的流畅性、实用性是否符合要求。

系统优化调试完成后，将转向架虚拟检修系统通过unity3D 菜单栏File-BuildSetting-Add Open Scens-Build流程导出，如图8 所示，生成最终的虚拟检修作业指导系统。

图7 性能分析窗口

图8 系统发布平台选择

4 结 语

本文针对现代工业中CRH3 的检修指导、学习与科学实验，利用基于Unity3D的转向架虚拟检修系统，应用虚拟现实技术在工业领域的尝试与应用，实现了转向架的在线交互3D展示技术。依靠Unity 3D友好的UI、强大的物理引擎，支持多脚本语言等特性开发了在线交互、视觉效果优化与数据驱动的可视化技术。结果表明，利用在线交互、数据驱动的可视化技术使得转向架虚拟检修的指导与学习更加直观，科学，高效。实现了理论学习与操作实践并用，提高了用户的学习效率，以及对转向架检修作业的全面教学、指导、培训以及科学实验等功能。由于系统复杂，本文仅展示了系统关键部分，同时，系统也需要进一步完善图形图像处理与数据分析处理技术，提高系统的智能处理能力。