基于Unity3D 的虚拟现实技术在转辙机三维仿真培训系统中的应用研究

张赢

（中国铁路呼和浩特局集团有限公司科学技术研究所 内蒙古呼和浩特 010052）

1 引言

随着我国高速铁路大量建设和快速发展，S700K 型电动转辙机已被广泛应用于全国高铁线路、客运专线车站。因此，该设备能否无故障安全运行直接关系着铁路运输生产安全，这就要求现场维护和检修职工必须对该类型转辙机专业知识掌握的非常熟练，必须具有很强的上手操作能力。然而，培训基地难以同时满足职工对上手操作演练的需求，教学中理论与现场实践对接不畅。基于上述原因，本文提出运用虚拟现实技术，利用Unity3D 引擎开发平台设计研发具有环境交互、机械原理动画演示、考核比赛等功能的S700K 电动转辙机三维仿真培训系统以解决培训教学和实验教学中理论与现场实践对接不畅，培训学习效果不佳等难题。

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。虚拟现实技术的快速发展使得三维仿真培训教学变成了现实，解决了培训学员未能理论与实践相结合，培训教学效果不明显的问题。本文通过对S700K 电动转辙机结构分析，运用3DsMax 软件制作三维模型及相关动画，利用Unity3D 引擎开发平台设计研发三维仿真培训教学系统。此类型系统能够为培训学员提供虚拟现实的培训场景以及操作说明，使得培训学员能够快速地掌握设备操作流程等标准化作业，避免了操作不当导致人员受伤或设备零件损坏，而且该系统可以反复学习使用、不受地域和时间限制、安全可靠、实际交互性强，受到越来越多的铁路企业和铁路高职院校的青睐。

2 S700K 型电动转辙机三维仿真培训系统整体框架

S700K 型电动转辙机三维仿真培训系统使用3DsMax 创建模型，利用Unity3D 引擎为开发平台，运用C#语言编写控制脚本实现转辙机整体顺序拆装演示，以及部分零部件的单独拆装演示等功能。运用数据库技术实现培训学员学习后的考核测评和学员之间的专业知识比赛功能。系统整体层次框架图，如图1 所示。

图1 系统整体层次框架图

3 S700K 型电动转辙机三维仿真培训系统开发流程

本三维仿真培训系统的开发是为了满足铁路培训职工熟练掌握S700K 型电动转辙机的机械结构，熟知该型号转辙机的动作原理以及实现交互式的按顺序拆卸和安装。特别是对培训电务系统新入路职工动手实践能力、提高工程意识、增强学习热情具有重要的意义。根据S700K 型电动转辙机三维仿真培训系统按照现场实际调研以及实际需求的不同，设计了不同的功能模块，从而实现该型号转辙机的培训教学任务。具体开发流程如下：

（1）参考营口东站S700K 型电动转辙机及道岔外锁闭装置以及相关现场场景，进行1:1 的三维场景的建立。将制作好的整体三维模型导入Unity3D 引擎开发平台，进行虚拟现实场景环境交互的建立；

（2）通过编写C#脚本实现系统界面交互、系统三维场景交互、系统与数据库的通信；

（3）通过Unity3D 引擎开发平台将系统发布到PC 桌面展示。该系统开发流程，如图2 所示。

图2 系统开发流程图

3.1 三维模型建立与导入

S700K 型电动转辙机三维仿真培训系统对模型的要求较高，而且也是本系统开发的重点和难点，通常采取依据CAD 图纸和物体实际图片进行建模。Unity3D 作为虚拟现实开发引擎软件，它的三维建模功能较弱只能构建基础三维模型体，对于用来制作转辙机设备之类的复杂精细模型并不合适。因此，本系统运用3DsMax 三维建模软件进行模型制作，该建模软件具有强大的建模工具和材质贴图调整功能，其制作出的三维模型逼真。3DsMax 中建立的道岔及转辙机联结模型如图3 所示。

图3 3DsMax 中道岔及转辙机联结模型图

下面以S700K 型电动转辙机为例，介绍建立三维模型导入过程。S700K 型电动转辙机其整体包含了多个形状复杂的零件，因此，在制作模型的过程中确保真实性的前提下，对所建立的模型进行合理优化设计，避免因模型数据量过大导致数据溢出影响整个系统环境的运行效率，导致体验效果不佳等问题。本文通过运用3DsMax 三维建模软件对该型转辙机三维模型的总面数进行优化，将模型中看不到的点、线、面进行删除优化等操作，精简模型量，同时利用PS 软件对模型所用到的贴图进行修正、美化等处理，使得该型号电动转辙机整体三维模型更加具有现实的真实感和逼真感。导出Unity3D 支持的FBX格式文件，导入成功的S700K 型电动转辙机三维模型，如图4 所示。

图4 导入后S700K 型电动转辙机的三维模型

3.2 相关动画的添加

将已经制作好的三维模型导出.FBX 文件，然后将此类型文件导入Unity3D 软件中，通过Unity3D引擎自带的动画编辑器，运用C#语言编写脚本程序文件实现S700K 型电动转辙机的“爆炸”动画效果、转辙机各零件单独展示与拆卸、道岔与转辙机联结动作、转辙机内部传动动作等相关动画的演示。

3.2.1 S700K 型电动转辙机零件查看与结构分析

零件的查看与机械结构分析主要是使培训职工对S700K 型电动转辙机的零件及其结构有更加直观的认识和具体的了解。对于刚接触转辙机受训学员而言，增加单独零件的机械结构进行了解和分析，有助于提高受训职工对整体设备结构的认识和理解，从而提高学习兴趣和工程实践意识。通过添加“爆炸”图并控制转辙机各个零件的Transform.renderer.enabled 属性，可以实现零件隐藏和显示机械结构。S700K型电动转辙机“爆炸”图，如图5 所示。

图5 S700K 型电动转辙机“爆炸”图

3.2.2 系统交互脚本的设计

三维仿真系统中实现S700K 型电动转辙机的拆卸与安装以及机械动作原理等功能，必须要符合现场实际的逻辑顺序。因此，要在交互式操作过程中添加逻辑顺序判断功能，使得整个交互过程具有动态性和逻辑控制性，因此使用C# 进行交互脚本进行相关开发和设计，实现对转辙机模型的多角度展示，编写C#的MouseView.cs 脚本实现鼠标滚轮缩放、旋转、拖动等功能。S700K 型电动转辙机三维仿真系统中转辙机拆装流程图如图6 所示。

图6 系统中转辙机拆装流程图

3.2.3 系统环境的交互设置

为了增加培训教学的趣味性，使虚拟场景更加生动，该三维仿真系统设计了对虚拟环境的交互设置，其中包括模块中的背景音乐、背景颜色及三维模型贴图等。系统中的背景颜色的变化是通过改变相机的背景颜色属性实现的，而背景贴图是通过改变天空盒贴图来实现的，在虚拟场景中提前添加音乐播放组件，实现了背景音效的播放与关闭。在整个程序中通过控制音乐播放组件的播放、停止或暂停，从而控制背景音效。

3.3 系统信息数据库的设计

S700K 型电动转辙机三维仿真培训系统中，设计了培训学员考核和参加比赛的功能。因此数据库存储参加考核和比赛人员信息、管理人员信息以及比赛结果等数据。本文利用SQL Serves 5.5 为数据的管理和开发基础，以C# 脚本实现与Unity3D 中数据通信。例如：Unity3D 引擎中的参加比赛考核人员的基本信息在数据库中都有对应的ID，并按照一定的分组形式在数据库中以数组的形式存储与读取，方便系统快速读取并将参加考核或者比赛人员的信息通过数据通信在Unity3D 交互界面实时显示。

3.4 三维仿真系统的建构

本三维模拟仿真培训系统以Unity3D 自带工具制作系统界面，其中理论教学模块主要包括系统概述、结构分解、电路原理、机械原理四个模块构成。以系统概述为例，该模块主要为S700K 型电动转辙机基本结构介绍、技术参数介绍等。结构分解模板块为S700K 型电动转辙机零部件设计对每个零部件单独结构介绍和结构分解、组合功能，保持联结器的单独结构介绍和分解，如图7 所示。

图7 保持联结器的单独介绍和分解效果图

4 结语

S700K 型电动转辙机仿真培训系统，解决了传统培训教学过程中教学手法单一、现场实验成本较高、部分设备不易拆卸等问题，而且为传统培训教学方式提供了新思路。本系统已经完成了成果转化过程，形成了产品。该培训系统已经应用到广铁集团衡阳电务段、包头电务段、呼和职工培训基地以及各铁路局均有试用和应用，它提升了培训人员业务素质，切实解决教学中理论与现场实践、实操对接不畅问题。它开启了新的培训教学模式，为改革现有培训教学与实验教学模式提供新思路，不仅为推动铁路科技创新、技术培训、安全培训提供了强有力的技术支撑，更为铁路运输安全和发展做出贡献，创造巨大的经济和社会效益。