動車組密接式車鉤虛擬仿真實驗系統設計

肖 乾 王丹紅 史開志

(1．華東交通大學 軌道交通技術創新中心，南昌 330013； 2．南昌工善科技有限公司，南昌 330013)

0 引 言

密接式車鉤作為高速動車組重要部件之一[1]，車鉤實驗是軌道相關專業學生必不可少的實驗環節，現有的車鉤實驗教學環節存在內部結構無法觀察、設備采購維護成本高、專業操作技術強、操作危險系數高等不足[2]。研發一套能實現不受時空限制且能保證學習質量的動車組密接式車鉤實驗系統很有必要。

目前，虛擬現實(Virtual Reality,VR)技術在軌道、教育領域的應用已取得一定成果[3]，楊顏志[4]通過結合虛擬樣機和VR技術，進行不同工況下鐵道車輛舒適性分析試驗；吳海超等[5]開發了動車虛擬駕駛仿真系統，實現了對CRH3動車組駕駛進行全三維虛擬化列車邏輯模型仿真；米小珍等[6]設計開發了面向檢修的CRH3動車組轉向架虛擬仿真系統。至今仍沒有針對密接式車鉤的虛擬仿真實驗教學方面的應用，本文基于VR技術設計研發一套動車組密接式車鉤虛擬仿真實驗系統，主要解決動車組密接式車鉤現場實驗教學中結構不可見，工作原理不可及，實驗過程不可控的問題[7]，使學生在虛擬場景完成現場車鉤實驗，且能夠滿足車鉤實驗教學及考核要求。

1 系統總體設計

1.1 需求分析

基于“以學生為主體，寓教于樂”的教學理念，結合現場實驗教學內容，設計的動車組密接式車鉤虛擬仿真實驗系統應能滿足以下教學需求：提供全面且系統的教學內容以及規范化的實驗操作步驟[8]；操作界面符合人性化及美學設計要求，能達到良好的交互效果；所有的操作均能夠自動根據輸入信息實時判斷且更新，正確輸出對應結果；不受時空限制，用戶線上完成實驗操作[9]。

1.2 系統總體架構設計

本文所設計的系統總體架構如圖1所示，包括用戶層級的交互設計、內容交互功能設計以及底層支撐技術開發。

圖1 系統總體架構

用戶層級的交互設計用于實現Unity 3D程序和網頁中元素的交互功能，并提供資源下載渠道。用戶可在網頁上操作由Unity 3D中發布的車鉤虛擬仿真實驗，也可登錄、注冊、查看實驗操作指南、編寫預習報告、信息查詢等。

內容及交互功能設計是整個實驗系統設計的核心，它不僅要滿足實驗內容的完整性，還要保證用戶能夠對車鉤實驗有深刻的理解，在達到教學效果的同時提高用戶的學習興趣[10]。其內容上總體劃分為拆裝實驗、連掛實驗、性能實驗3個模塊，且3個模塊知識的難度是依次遞增的。其中拆裝實驗的設計用于熟知其結構及裝配關系，具有內部結構可視、拆裝流程可控以及操作流程規范等特點[11]；連掛實驗用于分析不同影響因素下車鉤的連掛質量以及三態原理作用過程[12]，需完整展示三態運動過程以及連掛質量檢測操作，實現連掛過程的可控性；性能仿真實驗用于分析車鉤在不同速度等級下的車鉤性能，實現性能測試操作、多工況碰撞仿真和拉伸強度應力應變分析[13]。

底層支撐技術開發是完成系統功能設計的基礎，用于支撐內容交互功能的具體實現，開發人員根據系統用戶需求選擇合理的軟件進行設計，利用相應的軟件完成實體模型的創建與優化、拉伸強度分析、動力學仿真分析、界面設計和程序邏輯控制等。

2 關鍵技術

2.1 模型優化技術

綜合考慮系統對三維模型的精度要求以及性能的優化程度，將車鉤、試驗臺等關鍵模型采用Creo4.0進行參數化建模，實驗室墻體、安全標識、門窗等則以多邊形(Polygon)建模為主的3Ds Max軟件建模[14]。在模型優化過程中需將參數化建好的模型導入多邊形建模軟件中進行整合，由于3Ds Max具有其特有的實體功能，導入之后的模型不會自動生成三角面，在保證模型精度的條件下，需對轉變成可編輯多邊形后的模型進行減面處理、斷點焊接等優化操作，其中要求盡可能保證穩定型的四邊形。

為保證模型的逼真性，在導入虛擬場景前需要先對模型進行UV展開，使用專業貼圖繪制軟件Substance Painter完成貼圖制作。對不同要求的模型設置不同的貼圖和紋理，例如車鉤頭外表面，屬于鑄造件且材質為鑄鐵，其表面的漆面相對其他金屬而言比較粗糙，進行紋理貼圖時其凹凸感較強。最終達到的車鉤效果如圖2所示。

2.2 多媒體信息處理技術

為增強虛擬仿真實驗的沉浸感，系統需添加音效，圖片、動畫、視頻等多媒體信息資源，其資源占用內存較多，對硬件配置及網絡帶寬要求高。因此在發布之前對多媒體資源進行多級處理是保證正常開發的關鍵步驟之一，導入虛擬場景前對視頻、聲音、圖像等資源文件先采用格式工廠進行預處理，導入后的多媒體信息在Unity 3D中進行以下再處理操作：將圖片設為精靈(Spirit)格式以匹配對應的UI，音頻通過音頻源(AudioSource)進行處理，動畫進入動畫狀態機(Animation)中編輯，視頻則通過AVProVideo插件實現在虛擬環境的播放控制，同時生成的資源文件(StreamingAssets)可減少運行內存[15]。

圖2 優化后的車鉤模型

2.3 虛擬現實技術

VR技術是基于人機交互、網絡通信等技術發展的更高層次的仿真技術，具有的沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性等特點[16]，其常用來開發的引擎為Unity，強大的Unity引擎內置聲音、視頻、碰撞器等多種組件，配合使用可以大幅度減少內存的占用率，同時降低腳本程序的編寫難度，加快開發進程。在車鉤實驗中涉及的碰撞、變形、透明外殼等操作可以通過添加Unity引擎中不同性質的組件得以實現，而不同的界面間的切換、點擊事件的控制、操作方式的選擇、實驗進程的調整等邏輯判斷可在Unity自帶的腳本編輯器(MonoDevelop)或VS(Microsoft Visual Studio)中進行腳本程序的編寫。應用NGUI創建UI交互界面，配合導入的3D模型、多媒體資源搭建數字化的三維虛擬場景[14]。基于Unity兼容性強的特點，本實驗系統可發布于多種平臺，實現網絡化與資源共享[17]。

3 車鉤虛擬仿真實驗系統開發

3.1 虛擬仿真實驗系統開發流程

車鉤虛擬仿真系統的開發流程如圖3所示。

圖3 虛擬仿真實驗開發流程

通過參數化建模軟件創建和優化好的車鉤、試驗臺等三維模型再進行兩條不同路徑的處理，一條是將車鉤以IGES格式分別導入有限元軟件ANSYS和動力學仿真軟件(Universal Mechanism,UM)中完成車鉤碰撞性能和拉伸強度性能仿真分析，將分析的數據通過SQL Server數據庫與VS建立聯系，通過腳本程序實現虛擬場景中實驗數據的調用；另一條是將所有場景模型以IGES格式導入3Ds Max中重置UV并制作貼圖，再將其導入Unity 3D中完成虛擬場景的搭建。通過界面設計和程序控制實現內容交互功能，最后將完整的實驗系統以WebGL打包部署到IIS上，結合教學要求進行用戶層級的網頁設計，最終實現動車組密接式車鉤虛擬仿真實驗的在線操作。實驗總體操作流程如圖4所示。

3.2 交互功能具體實現

系統利用Unity引擎整合模型及多媒體信息資源，模擬真實場景中車鉤實驗的操作步驟、操作方式、實驗現象等[18]，真實的還原現場車鉤的虛擬拆裝過程、不同連掛速度下的車鉤連掛過程、連掛實驗的操作過程、性能實驗的操作步驟及檢測操作等。

3.2.1 內部結構可視化

實驗中用戶可根據需要隨時查看車鉤內部機械結構及其運動狀態，例如關閉球閥動作中，需要將遮擋球閥的蓋板進行透明，使球閥可見、可控，制作過程中采用透明度混合(AlphaBlend)方法控制模型在渲染時的透明通道，采用Unity 3d自己封裝的一個調用GG/HISL/GLSL的接口(ShaderLab)完成片段著色器(Fragment shaders)的編寫，實現模型半透明的效果，用程序設置零部件(添加了mesh collider控制器)半透明的觸發方式，通過射線檢測(physics linecast)實現鼠標單擊對應模型時該模型半透明顯示，當重復單擊同一個模型時對應模型材質還原。最終可實現如圖5所示的車鉤頭內部可視化的效果。

3.2.2 實驗操作規范化實現

實驗各流程嚴格按對應操作手冊中規定的步驟依次進行，主要是通過C#腳本程序實現，將創建的腳本程序分別綁定到不同的操作對象上，使其在各自的生命周期中運行，執行的順序由對應事件函數和觸發機制確定。如圖6所示為卡環聯接裝置拆卸的控制流程。

程序中邏輯判斷的對象主要是虛擬場景中交互操作的反饋結果。碰撞檢測的過程是射線與添加碰撞器Collider的物體發生碰撞后獲得反饋的過程，其中射線是一條由主相機(Main Camera)到鼠標的光標坐標發射的無終點直線。

3.2.3 三態原理動態展示

車鉤三態原理的動作過程以動畫形式展示，通過3Ds Max中IK解算器(IK Solver)和HD解算器(HD Solver)分別定義車鉤內部不同零部件間運動關系，給對應末端效應器制作動畫，同時配合幀動畫做細微調整，達到最佳動態效果。以閉鎖過程為例，先確定鉤板、連桿等構件間運動關系，鏈接構件間的父子關系，在設置面板中定義約束關系及拉簧的剛度，在軌跡視圖-曲線編輯器(Track View-Curve Editor)面板中制作動畫，將導入Unity 3D后的連續動畫幀根據需求分解成多個片段，由可視化的Animator編輯器管理多個動畫狀態的切換，實現閉鎖過程的可控性。

圖4 實驗總體操作流程

圖5 車鉤頭內部結構

圖6 卡環聯接裝置拆卸控制流程

3.2.4 連掛質量測試效果實現

在密接式車鉤綜合性能試驗臺上對車鉤進行連掛測試，主要從機、電、氣三方面進行車鉤連掛質量檢測，需要表現出電流以及氣流連接后的路徑情況，操作過程由程序邏輯控制，表現形式主要利用粒子系統(Particle System)實現。通過粒子特效(Particle Effect)窗口編輯仿真過程，在Particle System組件屬性面板下的發射(Emission)、形狀(Shape)、渲染(Renderer)等控制類模塊中設置粒子顏色、密度、形狀、生命周期等狀態參數，配合粒子系統曲線編輯器(Particle System Curves Fditor)模擬出電路中電流的流向。如圖7所示為MRP的風管接頭接通后的氣路特效。

圖7 MRP的風管氣路特效

3.2.5 性能仿真操作的實現

在虛擬場景中主要模擬性能實驗的操作流程，其仿真計算主要在專業的數值仿真軟件UM、和Ansys中，本系統主要通過SQL Server數據庫存儲仿真分析結果，在Visual Studio中利用程序調用仿真結果，將其用于虛擬場景中的結果顯示及分析，實現虛擬場景中的操作步驟與數值仿真軟件分析結果的一一對應。性能仿真操作界面如圖8所示，其中①為步驟提示面板，②為參數輸入及結果顯示面板，目前顯示的是在5 km/h連掛速度下的碰撞力隨時間變化曲線(F-t曲線)，③為虛擬實驗場景。

圖8 性能仿真操作界面(虛擬場景)

3.2.6 實驗操作計分功能的實現

實驗操作分值采用累加制計算。需先對需要計分的操作步驟按順序定義序列號以及相應的分值，將其存儲于數據庫中。系統會自動記錄用戶的每個操作情況，但在計分程序中只會記錄對應序列號所對應的操作步驟，并根據操作中檢測到的結果與數據庫中序號和分值進行對比，相同則累加相應分值，反之不計分，最終系統在用戶點擊提交按鈕之后將總操作分自動記錄在實驗報告中。

4 系統調試與發布

系統調試可分為發布前的引擎調試和發布后的平臺直接運行功能調試兩個階段，前者在系統運行中通過控制臺(Console)面板檢測腳本出現的邏輯錯誤，系統將執行的每條程序的輸出結果、耗費時間、警告和錯誤原因和數量等信息顯示在Console面板中；后者在運行發布的系統，與預估結果進行對比，檢測不同平臺間的兼容性問題和發布過程中參數設置產生的影響。調試中Unity的性能分析面板(Profiler)提供了在編輯器外部運行時系統的運行性能參數，設計人員可根據其運行測試結果優化所開發的系統，減少資源占用。

基于B/S架構，用戶可通過瀏覽器運行發布后的軟件系統，實現資源共享且不受時空限制[19]。系統以Web GL發布，導出后的Release、TemplateData 文件夾和一個index.html文件打包部署到IIS上，建立服務器后通過服務器地址進行訪問，用戶可根據得到的網址鏈接進入對系統進行在線操做。通過SendMessage()和Application.External- Call()兩種方式實現WebGL和ASP.NET的交互。經設計過后的系統網頁如圖9所示。

圖9 系統網頁平臺發布

5 結 語

動車組密接式車鉤虛擬仿真實驗系統利用VR技術和仿真分析軟件真實還原了車鉤試驗的操作步驟及方法，使學生能在不受時空限制的虛擬環境中完成車鉤的拆裝、連掛、性能仿真實驗，由淺至深逐步引導學生學習動車組密接式車鉤結構組成、三態原理、連掛力學特性等專業知識。相對傳統觀摩式的實訓而言，系統全面涵蓋了密接式車鉤的重點和難點，有效的培養了學生的動手實踐能力，在實驗教學領域有較高的應用價值。