CRH3 型動／拖轉向架虛擬檢修系統設計及關鍵技術研究

肖 乾， 彭俊江， 李 萍， 周生通， 楊文斌， 周 鵬

（1.華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室，南昌330013；2.株洲國創軌道科技有限公司，湖南株洲412001；3.中車株洲電力機車有限公司大功率交流傳動電力機車系統集成國家重點實驗室，湖南株洲412001）

0 引 言

為有效解決運能不足，我國正大力發展高速鐵路技術，建設高速鐵路網。高速列車運行速度快，對車輛、輪軌、弓網等系統提出了極高的要求［1］。轉向架是4 動4 拖動力分派動車組（China Railway High speed，CRH3）的重要組件，對轉向架的檢修檢測是保證高速列車運行品質和安全的重要因素。傳統模式下的CRH3 型動／拖轉向架檢修培訓是通過實物樣機，結合視頻動畫等方式進行。傳統模式下的CRH3 型動／拖轉向架檢修培訓因實物樣機數量有限、操作過程枯燥、實際操作少、涉及內容片面等缺點，無法實現人員的高效崗位技能培訓。

國內專家學者已將3D 虛擬現實技術引入軌道車輛轉向架的檢修檢測研究，并已取得一些成果。米小珍等［2］使用Cult3D構建CRH3 轉向架虛擬檢修環境，應用三維建模軟件（3D Studio Max，3Ds Max）、CAD完成虛擬場景3D模型工作，結合多媒體技術完成CRH3型轉向架的虛擬檢修模擬。金燕等［3］以CRH380BL型車轉向架為研究對象，基于Cult3D 平臺，結合Pro／E、Authorware完成了CRH380BL轉向架虛擬檢修仿真系統的開發。張嘉鷺等［4］研究了基于Cortona3D 虛擬引擎，在B／S架構基礎上開發了CRH380AL動車轉向架、軸向輪對、制動閘片的虛擬檢修系統。楊崗等［5］研究了基于Virtools平臺，結合SolidWorks、3Ds Max等三維軟件實現了CRH1 型轉向架虛擬檢修與裝配的仿真系統研究。諶亮等［6］研究了應用虛擬現實建模語言（Virtual Reality Modeling Language，VRML）語言編輯CRH5 轉向架虛擬檢修、裝配環境，并設置求解器，結合HyperMesh、ANSYS 進行轉向架有限元分析的聯合仿真系統。對關于轉向架虛擬檢修研究文獻發現，研究成果主要集中在對轉向架模型展示和多媒體技術基礎上的模擬檢修，而虛擬檢修環境的交互性、沉浸性和真實感存在不足，缺乏對檢修動作物理效果的模擬。

Unity3D是一款融合了高優化度渲染，高效物理特性的引擎，可實現多平臺發布的層級式虛擬系統開發平臺［7］。本文CRH3 型動／拖轉向架虛擬檢修系統（以下簡稱轉向架虛擬檢修系統）設計及關鍵技術研究，以Unity3D 引擎為基礎，利用三維動畫軟件Autodesk Maya（Maya），3Ds Max，Photoshop 等三維軟件，以某動車段檢修車間為原型構建轉向架虛擬檢修環境。通過場景建模、圖形處理，虛擬交互設計、系統優化調試，在Unity3D 可視化程度高、交互性、沉浸感強的基礎上開發第一人稱視角下綜合互動型的轉向架虛擬檢修系統，實現用戶對CRH3 型轉向架的全面學習。

1 系統概述

1.1 系統結構設計

轉向架虛擬檢修系統是一款采用基于Unity 3D層級式技術，利用Maya，Photoshop 搭建模型與完成圖形渲染處理，實時、分層地處理導入Unity3D 的FBX格式三維模型，通過其創造高質量、高視覺效果的三維仿真系統［8］。系統邏輯設計從檢修需求分析入手，嚴格參照鐵路檢修部門檢修作業指導手冊思想，并結合一線教師經驗，采用單線程分層編輯簡化系統。系統初步完成后針對系統交互界面，系統場景交互控制與響應進行調試，針對CRH3 型轉向架檢修需求完善系統整體信息。生成操作界面友好，針對性、實用性強的高度虛擬再現的轉向架虛擬檢修系統。系統整體結構如圖1 所示。

圖1 系統總體結構圖

1.2 系統功能設計

系統應用層分為登錄、轉向架虛擬拆解、構架檢修、輪對檢修和軸箱檢修等模塊。

（1）登錄模塊。系統根據輸入的用戶信息應用關系型數據庫管理系統結構化查詢語言（Struchured Query Language，SQL）編寫的信息數據庫進行比對，識別用戶。

（2）轉向架虛擬拆解模塊。系統針對CRH3 型轉向架不同構件的拆解需求，在虛擬檢修場景中設置UI交互界面與拆解工具仿真聲音源指導用戶選擇正確的拆解工具，在符合拆解工藝的要求下完成轉向架的全部拆解工作。

（3）構架檢修模塊。用戶進入此模塊后，系統會激活預先建立的故障與檢修數據庫。根據構架檢修工藝需求，用戶可通過外部交互設備（鼠標、鍵盤）控制場景視角，確定檢修位置，通過用戶界面（User Interface，UI）的指導信息完成構架檢修的全部流程。同時系統在此環節中設置條件判斷，操作錯誤時系統虛擬對象不響應，并發出錯誤提示，此部分可考核用戶對檢修工藝的掌握程度。

（4）輪對檢修模塊。系統中輪對檢修場景采用虛擬的自動化檢修車間布置，由UI指導界面與動畫引擎DoTween插件制作的動畫模擬完成輪對檢修。

（5）軸箱檢修模塊。針對軸箱檢修工藝，結合Unity3D內置的Animation 控件與外部交互設備、高光High插件、UI交互界面完成軸箱檢修工作。

系統各模塊布局合理，符合轉向架檢修作業操作思路與工藝流程。

2 系統關鍵技術

2.1 場景建模

系統場景中模型功能復雜，表現形式多樣，Unity3D系統內置的建模功能無法滿足系統高質量的場景要求，Unity3D支持從Maya，3Ds Max 中導入FBX格式文件。轉向架虛擬檢修系統場景模型總體由Maya完成，轉向架模型由Pro／E嚴格遵循實體尺寸建模。完成建模后檢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況，具體建模結構如圖2所示。

圖2 建模結構圖

為提高系統場景亮度及模型真實感，增強現實感，利用Photoshop 精繪貼圖創建材質［9］。Maya貼圖時根據模型特性選擇相匹配的貼圖格式，系統中不帶通道的為JPG格式，帶通道的32 bit的PNG格式。Maya中對場景模型添加材質后經Arnold 渲染，提高場景的真實效果。導出FBX 文件后導入Unity3D 引擎。Pro／e完成的轉向架機械模型導出OBJ格式后經Maya 轉換為FBX圖形格式導入Unity3D。通過NGUI插件、粒子特效、DoTween動畫、腳本控制等實現場景模型相關功能及特性。系統部分模型如圖3 所示。

圖3 系統模型

2.2 UI交互設計

UI是人機交互的開端，也是實現CRH3 型轉向架檢修作業指導系統功能多樣化、完整化與增強現實的重要基礎。友好、高效、簡捷型用戶界面能夠有效地提升用戶與系統良好的交互感，保證用戶學習效率。

的系統交互主界面如圖4 所示，交互界面設計采用NGUI開發。NGUI 是嚴格遵循KISS 原則并用C＃編寫的Unity 插件。NGUI功能易于調節和擴展，其提供強大的UI系統和事件通知框架［10］。系統設計時將界面背景圖和NGUI 相結合，通過AtlasMaker 添加新的UI控件樣式，應用面向UI的編程思想，編程實現控件的交互功能。系統UI交互主界面由三維場景區、右側UI指導欄、天車UI 控制手柄和左側模塊切換欄組成。系統交互功能的設計是基于面向對象的驅動原則，實現主要功能模型與UI應用界面高保真原型。系統交互前均設計有預信息提示，當系統功能的規則與用戶習慣的規則具有一定的差異時，遵循差異化規則，通過UI界面給出提示。場景中轉向架拆解工具交互功能的實現是系統交互功能實現的重要基礎。

2.3 檢修特效

系統場景中涉及眾多檢修環節，為最大限度模擬真實檢修場景，增強現實感。系統在構架檢修中的漆修環節與焊修環節使用Unity 3D 內置的粒子系統（Particle System），虛擬模仿檢修過程中的物理效果。系統中的粒子會隨著時間推移不斷變形和運動（Size by speed等屬性），會自動產生新的粒子，符合電焊火花的物理特性，可以提高系統場景內物體檢修時的可觀賞性和真實度［11］。具體實現時首先在系統Scence中加載粒子系統資源，然后在屬性面板中根據特效需求設置粒子系統參數，主要在屬性面板中設置Emission，Size over Lifetime Collision，Renderer 等參數，并利Photoshop 精繪貼圖創建材質賦予Renderer 中Material，模擬焊修與漆修時物理特性，實現高度模擬效果。轉向架構架焊修特效如圖5 所示。

2.4 碰撞檢測

CRH3 型轉向架檢修指導過程中，系統為順利實現場景交互功能，必然會出現虛擬模型的交結與碰撞。虛擬檢修工具在檢修場景中實施相關檢修操作，如轉向架構架的拆解、檢修、點擊電焊槍模型會顯示電焊槍UI控制界面等過程，均涉及碰撞檢測與處理。

Unity3D物理組件配置有球碰撞體，盒碰撞體，膠囊碰撞體，網格碰撞體等，將它們加載至模型對象上實現相關碰撞信息的處理，其算法屬于層級包圍盒法［12-13］。針對系統實際情況，使用球碰撞體與盒碰撞體中的觸發器（Is Trigger）模式，在碰撞體屬性面板參數設置中勾選Is Trigger。盒碰撞與球碰撞采用的算法是層級包圍盒法中的軸向包圍盒（AABB）檢測算法。包圍盒法簡單性好，但是緊密性差［14］。AABB 包圍盒算法的基本算法是將2 個碰撞體的包圍盒分別向X、Y、Z 3 個坐標軸投影，只有2 個包圍盒在3 個坐標軸上的投影區間都相交時才能判斷2 個包圍盒相碰撞［15］。如圖6 所示。

設A、B分別為兩碰撞體的檢測包圍盒，OA、OB分別為A、B 的中心點，其在X 軸上的投影點為XA與XB，AA′與BB′分別為A 和B 的X 正方向半軸在X 軸方向上的投影。若AA′＋BB′≥XAXB，則在X軸上A與B是相交的，反之則A與B是不相交的。若A與B 在X、Y、Z方向的投影均相交，則可以得到A與B 在三維空間是相碰撞的，即AA′、BB′間的碰撞測試只需進行6次比較運算則可進行判斷。

圖6 AABB碰撞檢測示意圖

3 系統實現

3.1 系統優化

要順利、完美地展現系統場景內各部分內容，必須對系統項目進行性能優化。對于轉向架虛擬檢修系統，優化方面主要考慮圖形渲染、渲染管線和虛擬場景圖形性能優化。如系統中模型頂點數目、面數、批處理數量等。要保持系統運行平穩流暢，不影響視圖效果，需要嚴格控制CPU在每幀需要計算的布料模擬、粒子檢修動畫、頂點網格。系統在開發完成后通過以下方法進行CPU、GPU等進行優化：

（1）渲染定級，場景中圖形分級別渲染；

（2）材質共用，同時利用Mesh Baker 組件將部分模型合并；

（3）減少UV 貼圖中的硬邊，用Normal 貼圖和Ambient Occlusion map實現凹凸效果；

（4）編寫高效Shader，應用占用內存小、計算耗時少的操作符代替nversesqart、exp、normalize等。

通過以上方法對CPU、GPU 等優化后，虛擬檢修系統性能得到明顯的改善，不存在卡頓或圖形畸變現象。優化后的檢修系統性能參數如圖7 所示。項目總內存1.40 GB，Camera.Render及其調用子函數所占用的時間比由78.3%下降到了66%。

3.2 系統調試與發布

轉向架虛擬檢修系統由開發人員對場景、代碼與邏輯關系進行系統性優化后發布打包文件進行調試。系統一次完整的測試時間為6 min，為使測試界面流暢，系統場景傳輸速率為30 F／s［16］。系統調試主要針對以下4 個方面展開：

（1）場景模型是否符合實體形狀和功能要求；

（2）檢修流程工藝是否準確；

（3）NGUI控件激活的動作和響應信息是否準確；

（4）系統運行的流暢性、實用性是否符合要求。

系統優化調試完成后，將轉向架虛擬檢修系統通過unity3D 菜單欄File-BuildSetting-Add Open Scens-Build流程導出，如圖8 所示，生成最終的虛擬檢修作業指導系統。

圖7 性能分析窗口

圖8 系統發布平臺選擇

4 結 語

本文針對現代工業中CRH3 的檢修指導、學習與科學實驗，利用基于Unity3D的轉向架虛擬檢修系統，應用虛擬現實技術在工業領域的嘗試與應用，實現了轉向架的在線交互3D展示技術。依靠Unity 3D友好的UI、強大的物理引擎，支持多腳本語言等特性開發了在線交互、視覺效果優化與數據驅動的可視化技術。結果表明，利用在線交互、數據驅動的可視化技術使得轉向架虛擬檢修的指導與學習更加直觀，科學，高效。實現了理論學習與操作實踐并用，提高了用戶的學習效率，以及對轉向架檢修作業的全面教學、指導、培訓以及科學實驗等功能。由于系統復雜，本文僅展示了系統關鍵部分，同時，系統也需要進一步完善圖形圖像處理與數據分析處理技術，提高系統的智能處理能力。