車站站場室外場景3D聯鎖仿真軟件設計

宋一鋒，楊 揚，王秀峰，劉 宇，鄧 川

（西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 611756）

伴隨我國鐵路事業的快速發展，大規模的新建線路被開通，更多的車站系統投入運行，現場需引入大批的新員工來保障車站運營安全，同時線路復雜程度及車站聯鎖控制難度明顯加大[1]，因此車務人員能力的培訓顯得更加重要。

在鐵路信號系統中，由于專業設備多，且體積大、結構復雜，傳統的培訓方式因其成本大、效率低等缺點在當前市場需求下顯得力不從心[2]。伴隨三維建模技術的發展，很多仿真系統得到應用。德國、西班牙等國家己經采用結合3D技術的計算機聯鎖仿真訓練[3]。我國目前相繼出現基于三維模型的信號綜合維護系統，將虛擬現實技術應用到鐵路信號設備，工作人員可通過該系統快速了解設備的布局、內部構件及組成[4]。但此類系統僅能進行三維虛擬場景的展示，信號設備的三維模型未實時地關聯設備動作時的聯鎖關系。

本文設計的車站站場室外場景3D聯鎖仿真軟件，不僅對信號設備的構件獨立建模，組裝成層次化顯示的三維模型，而且使其與計算機聯鎖仿真軟件實時信息交互，從而實現對長調車進路的模擬走車、排列進路等車站室外作業和3類故障情況的三維動態復示，實現了聯鎖處理與3D設備間的直接關聯。通過該軟件可實時了解鐵路信號設備的工作狀態及車站的線路運行情況，為聯鎖教學及相關培訓服務。

1 軟件設計基礎

1.1 軟件環境介紹

車站站場室外場景3D聯鎖仿真軟件的設計聯合使用3D MAX和Unity3D軟件。3D MAX適用單個物體的建模，而該軟件設計對象是整個車站站場室外場景，因此需要游戲引擎Unity3D來控制三維場景中各模型的動作邏輯。Unity3D具有簡單易用的腳本編輯器，支持C#和JavaScript語言，為用戶提供了豐富的插件和封裝好的程序模塊，且官方資源、教程豐富，便于個人或小團隊快速開發。

本文使用3D MAX對室外信號設備建模，包括ZD6型電動轉轍機、信號機、道岔和軌道電路。其中道岔分為單動道岔、雙動道岔和交叉渡線，上述模型以FBX文件格式導入至Unity3D場景中來搭建車站靜態場景。之后采用C#編程語言在Unity3D和Visual Studio平臺下制作各信號設備的三維動畫，并借助Socket通信原理使該軟件實時讀取計算機聯鎖仿真軟件的信息，從而依次調用動畫實現車站室外作業的動態復示。軟件設計流程圖，如圖1所示。

圖1 軟件設計流程圖

1.2 計算機聯鎖仿真軟件

計算機聯鎖控制系統是車站信號的基礎設備，它是以微型計算機為主要技術手段實現車站聯鎖的實時控制系統[5-6],其聯鎖控制功能的實現核心為計算機聯鎖仿真軟件，現場車務人員使用該軟件來實時控制站場室外信號設備動作。

計算機聯鎖仿真軟件包括上位機和聯鎖機，二者通過車站控制局域網進行通信。上位機具有人機交互功能，將道岔、信號機、鐵軌等站場設備以簡化的二維模型呈現，如圖2所示。聯鎖機具有聯鎖邏輯運算功能，負責接收上位機的操作命令進行運算處理。運算結果被上位機讀取后，可使二維界面實時變化顯示。

本文設計的車站站場室外場景3D聯鎖仿真軟件，通過實時接收計算機聯鎖仿真軟件的邏輯運算信息，經內部算法處理將信息轉化為動作命令，依次驅動車站站場室外3D設備動作。計算機聯鎖仿真軟件與車站站場室外場景3D聯鎖仿真軟件關系，如圖3所示。

圖2 信號機、道岔、鐵軌等站場設備的二維模型

圖3 計算機聯鎖仿真軟件與車站站場室外場景3D聯鎖仿真軟件關系圖

2 軟件設計流程

2.1 建模及場景搭建

對于室外信號設備的建模，以減小粒度為目標，選擇有教學實踐意義的構件獨立建模，再按照其工作機理組裝，形成層次化顯示的立體模型。例如：ZD6型電動轉轍機模型的構件包括電動機、電機罩、減速器、速動片、啟動片、自動開閉器、主軸、齒條塊、鎖閉齒輪、動作桿、表示桿及底殼。對于不規則零件的建模，主要采用3D MAX的布爾運算及放樣技術。布爾運算可對兩個相交的規則幾何模型進行差、并、交集運算。放樣是利用兩個平面圖形合成一個立體模型，本文設計的鐵軌模型是利用AutoCAD文件導入的標準截面圖形與直線合成的，因此放樣技術便于模型參數的規范化。另外建模時在確保真實性的前提下，通過減少不必要的線條來優化模型，避免軟件卡頓等問題[7]。

Unity3D軟件有功能強大的地形編輯器，它可以讓開發者制作出現實場景中復雜的地形，還可制作地形上的一些元素，比如山丘、樹木、草叢和石頭等[8]。利用其地形編輯功能，構建車站站場室外作業環境，并將優化的信號設備模型以FBX格式導入Unity3D場景來鋪設線路。該軟件的場景布局取自車站信號設備平面布置圖[9]的上行咽喉，如圖4所示。

圖4 Unity3D室外場景

2.2 動畫制作

Unity3D主要以Animation和Animator兩大組件制作動畫，Animation 控制一個動畫的播放，Animator控制多個動畫之間的切換。例如，“轉轍機內部動作及帶動道岔轉換”的動畫制作分為2步驟：

（1）在Animation面板上設置模型動作參數來制作3個獨立動畫，分別是轉轍機帶動岔尖由定位到反位、由反位到定位和處于四開狀態（既未在定位，又未在反位）；

（2）使用Animator組件控制3個動畫之間的切換，3個動畫作為3種狀態，通過建立有向線段來設定狀態間是否連通及走向，且狀態間的切換由條件控制，可應用在界面按鈕的功能設置。

本文通過紅光帶顯示來表明列車占用軌道電路。每一段軌道電路為一個對象，包含ID號、名稱及狀態等信息，狀態信息用以區分軌道電路空閑、占用或故障占用這2種狀態。紅光帶顯示的動畫通過C#腳本實現，腳本中設置Faultstate變量存儲狀態信息，置1時調用高亮顯示插件使紅光帶顯示，置0時移除插件使紅光帶消失。

信號機點亮的動畫通過對模型添加Mesh-Renderer組件實現，使用其中的material參數來設置信號機上、下燈位的顏色變化。

2.3 界面設計

遵循直觀性及操作的便捷性，該軟件設計3個界面，可點擊按鈕自由切換。

（1）轉轍機界面，可展示轉轍機內部動作及帶動道岔轉換的具體過程；

（2）站場俯視圖界面，可直觀地演示線路運行狀態，左側文本框用于實時顯示軌道電路的狀態；

（3）漫游界面，用戶可以第一人稱的視角在場景中自由觀察。如圖5所示。

圖5 軟件界面設計

各界面的顯示內容由攝像機的視角范圍決定，本文創建3個camera分別與3個界面對應。對于漫游界面，通過編寫SceneMove.cs類文件使鼠標的左鍵拖動、右鍵拖動、滾輪滑動分別與攝像機的上下平移、角度旋轉、x-y平面移動相關聯，實現用戶手控個人視角。

界面的按鈕功能設置分為2種方式：

（1）條件判斷下設置攝像機true或false狀態，true代表啟用攝像機，false代表隱藏攝像機，各界面的獨立顯示通過設置另外兩個攝像機為false實現；

（2）在Button組件的OnClick選項設置“點擊事件”，可關聯點擊按鈕后的動作，所謂事件指編寫的動作函數，例如：D2信號機點白燈LightWhite()函數：

void LightWhite(){

SignalD2.transform.Find(“Light_Down2”). Get-Component().material.color=white; //下燈位為白色

SignalD2.transform.Find(“Light_Up2”).Ge-Component().material.color=black;//上燈位為黑色

}

該軟件以第1種方式設置界面的切換按鈕；以第2種方式設置每個界面內的按鈕功能。各界面加入了按鈕、文本框、彈窗等功能，使軟件的交互操作性和導覽性更強。

2.4 動態復示

該軟件所實現的動態復示功能建立在與計算機聯鎖仿真軟件實時通信的基礎上。計算機聯鎖仿真軟件作為服務器，該軟件作為客戶端，通信雙方用IP地址加端口號標識各自的進程，建立連接后，用字節流ReceiveBuffer[] 數組來寫入或讀取信息。

聯鎖機經邏輯運算的信息本質為二進制數組，每個數組元素存儲1字節（byte）的數據，字節的每一位（bit）對應一個繼電器，0表示繼電器落下，1表示繼電器吸起。實際車站中信號設備的動作由多個繼電器的落下或吸起控制，該軟件仍沿用繼電器控制信號設備動作的方式，通過讀取數組元素中不同位的狀態信息進行條件判斷，進而調用不同動作函數來控制三維動畫的演示。信號設備的繼電器狀態信息與三維動畫的對應關系,如表1所示。

表1 信號設備的繼電器狀態信息與三維動畫的關系

例如，模擬走車過程是由多個動作按時序組成的：位于進路始端的軌道電路紅光帶顯示，同時始端信號機由點白燈變為點藍燈，隨后下一個軌道區段的紅光帶顯示，始端紅光帶消失，并按照此規律紅光帶依次顯示和消失，直至進路終端。此過程中，聯鎖機將每個動作均編碼為繼電器的狀態信息，由于計算機聯鎖仿真軟件與該軟件通信的實時性，因此模擬走車中串聯的動作被轉化為具有時序的狀態信息。該軟件在腳本中通過對實時接收的狀態信息條件判斷來控制三維動畫依次播放，實現模擬走車的動態復示。該軟件的排列進路及故障判定功能的實現原理和上述相同。

3 結束語

車站站場室外場景3D聯鎖仿真軟件通過關聯設備動作時的聯鎖關系，實現車站聯鎖控制的三維實時動態復示，包括排列進路、長調車進路的模擬走車等列車作業及3類故障模擬。該軟件可為聯鎖教學和相關培訓服務，便于鐵路新入職人員及院校學生快速熟悉車站聯鎖控制系統的原理。后期的軟件開發中，可結合現場的維修維護系統，軟件通過讀取實時傳送的維修維護信息，直觀地在三維場景中演示現場故障情況，便于維修人員快速了解車站室外的故障信息。