基于Unity3D 的軌道車輛虛擬設計系統研究

萬 平，彭俊江，肖 乾，周 鵬

（1. 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；2. 株洲國創軌道科技有限公司，湖南 株洲412001；3. 華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西 南昌330013）

軌道車輛設計為滿足差異化要求，設計時根據功能定義，設計特定的機械結構布局、內外布局、裝飾風格等，并對設計部件進行有限元分析，驗證部件的合規性。 過往的軌道車輛設計周期長，設計分散，設計效果無法實時動態顯示，需要在軌道車輛完成整裝后方可系統性瀏覽軌道車輛的設計效果，再根據其中不合理環節進行改進。 重復改進的過程中既浪費了時間，延長了設計周長，同時需要耗費更多的財力和物力，且在可視化、交互、展示效果等方面存在一定的不足。 有鑒于此，利用最新的信息技術，開發基于Unity3D 的軌道車輛虛擬設計系統，彌補其在數字可視化、交互、展示效果等方面存在一定的不足。

查閱文獻可知，已有部分專家學者深入研究虛擬現實技術在軌道車輛應用的可行性，并取得了一定的成果。 楊崗等[1]應用SolidWorks 編輯CRH1 型轉向架三維模型， 應用3D Max 渲染模型， 在Virtools 中編輯腳本實現了CRH1 轉向架的虛擬裝配系統。 崔林格[2]應用CAD 構建軌道車輛模型，通過VC++2005，OSG 與QT 結合， 應用模塊化思想設計了動車組虛擬裝配系統。 徐娟[3]應用Pro/e，UG，Mu Lti Gen Creator 完成虛擬現實建模，以VisualC++6.0為開發平臺設計開發了鐵道車輛虛擬運行仿真系統。 江渡等[4]在VRML/JAVA 環境下利用Delphi 開發GUI 界面，實現了動車組虛擬檢修的動態仿真系統。 萬隆君等[5]基于Unity3D 虛擬引擎，設計開發了HTML 版本的船舶管路裝配虛擬仿真系統。 金燕等[6]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。 肖乾[7]通過使用NGUI，DoTween 動畫、C# 等實現模擬單車試驗器和制動試驗仿真為核心的虛實結合的單車制動實驗培訓系統。 總結發現目前研究主要考慮應用虛擬現實技術實現軌道車輛的虛擬裝配、虛擬檢修，對虛擬設計方面應用少。

本文提出虛擬現實技術在軌道交通車輛設計中的應用研究， 基于Unity3D 虛擬引擎平臺的沉浸性、交互性、想象性特點，并結合ANSYS，UM 等有限元、動力學等分析軟件，完成對軌道車輛的總體設計、關鍵部件的設計、虛擬裝配和軌道車輛系統性能分析， 減少軌道車輛在設計過程中耗費的財力、物力、縮短設計周期，構建數據可視化程度高、交互性強、沉浸感強的軌道車輛虛擬現實設計平臺。

1 系統構架

1） 表現層。系統表現層是呈現給用戶體驗和操作的窗口， 軌道車輛虛擬設計系統是基于PC 端開發， 系統基于PC 端硬件設備可實現與系統的人機交互、系統的設計效果展示、設計參數的傳輸以及軌道車輛的在虛擬運行環境的動態模擬。

2） 應用層。 系統應用層是設計展示的載體，關于軌道車輛的虛擬設計功能全部在應用層完成，應用層包括車輛總體設計模塊、車輛關鍵部件設計模塊、車輛虛擬裝配設計模塊、車輛虛擬運行環境設計模塊。 其中車輛總體設計模塊中包括司乘界面和乘客界面2 個子模塊，司乘界面的設計對象是電力機車和城軌車輛的司機室，乘客界面的設計對象是城軌車輛和動車組的車廂。 車輛關鍵部件的選型設計對象有車輪、構架、齒輪、車廂地板等。 車輛虛擬裝配模塊中虛擬裝配對象包括轉向架、 受電弓、車鉤、機車裝配。 車輛虛擬運行環境設計模塊中包括駕駛設置、視角設置、運行環境、數據顯示3 個功能子模塊。

3） 基礎層。基礎層是支撐系統開發和運行的基礎。 基礎層包括基礎支撐環境和數據庫2 個部分，基礎支撐環境有PC 端，Unity3D，Maya，Ansys，數據庫包括內容數據庫和場景數據庫兩部分。 Unity3D平臺完成場景搭建、關聯驅動、模型場景渲染；Maya完成所有功能模型、場景模型的搭建；Ansys 完成關鍵部件的強度計算和疲勞計算。 內容數據庫保存設計信息和用戶信息， 場景數據庫管理設計信息、指導信息和模型信息。 系統架構如圖1 所示。

2 系統實現

2.1 模型建立

軌道車輛虛擬設計系統中包括大量模型，如車輛模型、場景模型、輔助模型等，不同模型的功能要求、精度要求存在差異，建模過程中根據不同需求及功能定義，對模型進行分級處理，不同級別的模型選用不同的3D 建模軟件。 模型機械結構精度要求高，用于系統結構設計和虛擬拆裝模塊的模型選用Pro/e 完成；對僅存在外觀要求，內部結構不參與功能展示的場景模型、輔助模型，建模時選用Maya完成。 為實現模型對實物的真實還原，建模完成后對模型進行貼圖紋理處理，進行模型UV 處理時，為保證模型的虛擬真實度， 減少貼圖接口區域誤差，制作UV 貼圖時選擇貼圖的純色區域做無縫處理。貼圖時為突顯模型物理效果， 考慮Bump Map 和Normal Map 兩種貼圖，Bump Map 包含凹凸信息，通過改變高度值實現模型表面的凹凸感，Noramal Map 通過RGB 烘焙曲線實現貼圖的顏色調整。 建模完成后通過Maya 轉化為FBX 格式即可導入到Unity 虛擬場景中，實現系統功能的開發。 系統部分模型見圖2。

圖1 系統架構圖Fig.1 System architecture diagram

圖2 系統模型圖Fig.2 System model diagram

2.2 功能實現

2.2.1 車輛總體方案設計實現

為實現對軌道車輛內飾、 座椅等風格設計，需要通過Shader 更改模型貼圖。 Shader 是Unity3D 引擎平臺中的著色器，Shader 專門運行在CPU 圖形處理單元上，Shader 主要有3 種：固定管線著色器、表面著色器、頂點片元著色器。 固定管線著色器在運行時占用的渲染資源極大，一般情況不會不選擇固定管線著色器， 頂點片元著色器是干預模型形狀，表面著色器干預模型表面像素點，見圖3。

動車組和城軌車輛乘客界面設計時， 為實現動態更換車輛內壁和座椅貼圖， 需要設置Sherder屬性中的_MetallicGlossMap，_MainTex，_BumpMap 3 個貼圖屬性， 獲取貼圖屬性后通過c# 腳本程序驅動動態更換貼圖，動態貼圖更換實現腳本如下：

ChetiMaterial.SetTexture ("_MetallicGlossMap",XKYSM);//XKYSM 為需要更改主貼圖圖片名稱

ChetiMaterial.SetTexture ("_MainTex",?XKYSA);//XKYSA為需要更改的紋理貼圖圖片名稱

ChetiMaterial.SetTexture("_BumpMap",XKYSN); //XKYSN為需要更改的法線貼圖圖片名稱

圖3 總體設計圖Fig.3 Overall design drawing

乘界面與乘客界面設計中為實現按鈕顏色和貼圖顏色的靈活搭配，多樣化的設計效果，在場景功能中編輯顏色控制器，實現司機室操縱按鈕和貼圖顏色的實時選擇。 Unity3D 中顏色編輯器界面使用UGUI 開發，界面顯示面板和功能按鈕全部使用UGUI 中的Image 設置，顏色編輯器分為3 個模塊：七色漸變圖、RGB 數值顯示、最終選色。 RGB 數值顯示可以實現顏色的快速定位， 選擇理想顏色，最終選色是展示用戶在選色時最終選取的顏色。 顏色編輯器功能的實現主要是在ShaderForge 中創建2D Shader， 控制Shader 中UV 的U 點和V 點區域節點圖， 實現選色面板， 通過C# 腳本將選取色的Value 值通過設置的比例關系轉換成RGB 值。

2.2.2 關鍵部件結構設計實現

用戶在了解軌道車輛關鍵部件的材料、裝配事項、設計準則等基礎屬性后，需要對關鍵部件進行仿真分析，通過仿真數值結構驗證關鍵部件結構是否符合強度性能、力學性能等要求，本文中選擇的有限元分析軟件為Ansys。在關鍵部件結構設計模塊中設計Ansys 激活軟件UI 按鈕，通過程序驅動計算機后臺程序啟動Ansys， 并自動導入需要計算的相關模型， 實現軌道車輛虛擬設計系統與Ansys 軟件的動態鏈接。實現動態鏈接Ansys 的主要代碼如下：

Process.S"C:Program FilesAnsysIncv150Ansysinwinx 64AnsysX.exe"-Pane3fl-dir"C:UsersAdministrator"-j"file"-sread -len -us -b -i"C:UsersAdministratorfile.dat" -o "C:UsersAdministratorfile.out"

通過UI 按鈕實現Ansys 軟件激活和模型傳導后，用戶可根據關鍵部件的使用范圍選擇不同的計算標準，在Ansys 中設置關鍵部件的仿真計算參數，完成對關鍵部件的仿真分析。Unity 與Ansys 聯動見圖4。

圖4 Unity3D 與Ansys 聯動圖Fig.4 Unity3D and Ansys linkage diagram

2.2.3 虛擬裝配設計實現

軌道車輛虛擬裝配需要考慮部件的裝配順序、裝配路徑、部件定位等。 部件裝配順序按照軌道車輛關鍵裝配工藝文件設置，編輯部件裝配順序數據庫，序列化激活UI 控制按鈕，用戶點擊正確安裝順序下的部件UI 按鈕后激活下一步安裝部件控制程序，并通過實例化技術生成相匹配的模型文件。 虛擬裝配中裝配路徑一般由系統腳本編輯的路徑規劃自動生成。 軌道車輛虛擬裝配設計系統中不考慮使用推理機生成關鍵部件虛擬裝配路徑，考慮系統的交互性、用戶參與度，模型部件虛擬裝配移動路徑由用戶通過鼠標控制，實現模型隨鼠標運動的控制代碼主要代碼如下：

模型部件完成路徑生成并移動到安裝位置時，需要對模型安裝位置定位，完成最終的裝配。 用戶點擊安裝部件UI 控制按鈕后，模型安裝位置會在部件中高光虛化顯示，提示用戶初步的安裝范圍，用戶移動模型部件進入到安裝位置后，實體模型與虛化模型設置的碰撞器會進行碰撞的觸發檢測，檢測碰撞體標簽是否一致。 Unity3D 中觸發器模式是將Collider 中的Is Trigger 勾選，實體運動的模型添加Rigidbody 組件，通過OnTriggerEnter 和OnTrigger Exit 檢測進入到觸發器區域和離開觸發器區域調用。

檢測正確后激活實體模型中的DoTween 插件，并將虛化模型的比例、位置、旋轉等數據信息傳輸到DoTween 插件中，DoTween 插件通過內部算法控制實體模型動態完成部件裝配，見圖5。

圖5 關鍵部件虛擬裝配Fig.5 Virtual assembly of key components

2.2.4 虛擬運行環境設計實現

軌道車輛行駛工況多樣，涉及因素眾多，軌道車輛虛擬設計系統中為實現最大程度對行駛工況環境因素的模擬， 在虛擬運行環境中模擬雨雪天氣、側風等天氣特效。

模擬下雪特效時， 通過GameObject->ParticleSystem 在系統中添加粒子，基本屬性設置根據可根據常規認識設置。 為提高模擬的真實度，對粒子系統做貼圖處理，挑選符合雪天氣效果的圓形圖片設置為貼圖，設置圖片為PNG 格式，將粒子系統Shader 設置成Transparent。 考慮雪是向下且受風力影響會產生繞y 旋轉，x 軸與z 軸方向的速度，設置粒子生命周期的y 軸速度，粒子旋轉為0，45，0，繞世界坐標系下的y 軸旋轉，在Force Lifetime 屬性欄中設置x，z 軸方向的受力大小，產生雪粒子的偏移效果。 不同雪的粒子下落速度、雪的粒子大小等存在差異， 需將粒子運行速度、粒子起始大小等設置成區間范圍內的隨機數。 軌道車輛虛擬運行場景地形大， 為實現全場景的模擬效果覆蓋，將粒子發射器Shape 覆蓋全地圖，并設置UI 控制條，實現降雪強度的改變。 降雪天氣特效模擬基本屬性設置完成后根據運行效果微調參數， 實現最大程度對實際降雪效果的模擬。 虛擬運行工況中降雨、 側風、 雨夾雪等特效更換合適貼圖后依照相應步驟即可完成，見圖6。

圖6 虛擬運行環境效果圖Fig.6 Effect diagram of virtual operating environment

3 調試與發布

系統進行必要的運行測試是考核產品優劣性最直接、最有效的手段[8]，軌道車輛虛擬設計系統由開發人員完成后點擊Unity3D 編輯窗口“File”的子菜單“Bulid Settings”，根據場景操作邏輯和交互流程設計場景序號加載系統場景，點擊“Platform”并在發布平臺中設置系統參數，完成系統測試版本的發布。 系統發布后隨機選擇PC 端從運行效果、功能需求、功能邏輯3 個方面進行測試，對測試結果統計規整作為系統優化依據，系統優化從以下幾個方面進行：①模型優化：模型優化主要考慮Mesh 合并、控制多邊形數量；②內存優化：內存優化考慮Assert 優化、引擎Native 優化、臨時調用資源優化；優化完成后確定系統最終版本的發布，生成最終的軌道車輛虛擬設計系統。

4 結論

針對軌道車輛設計過程中存在的問題， 依托Unity3D 引擎平臺，從需求分析，模型建立、接口設計、虛擬場景搭建到功能實現，設計并開發了軌道車輛虛擬設計系統。

1） 通過Pro/e，Maya 等3D 建模軟件完成了軌道車輛模型、場景模型、虛擬3D 地形等模型的建模工作，為提高模擬真實度，繪制了模型紋理貼圖。

2） 應用基于爬山法的AABB 包圍盒算法解決了虛擬設計系統中人機交互的碰撞檢測問題，通過接口設計實現Unity3D 與ANSYS 的動態鏈接。

3） 根據系統需求分析， 應用Particle system 實現了對軌道車輛運行環境中風雪等特效的模擬、應用DoTween 實現了關鍵部件的虛擬裝配路徑規劃，通過c# 編程實現了功能完備， 可擴展性和可維護性強的軌道車輛虛擬設計系統。