基于VR的城市軌道交通車輛基地檢修模擬仿真及應用

收稿日期：2023-07-07

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.04.026

摘? 要：基于車輛基地Bentley BIM數據，采取虛幻4引擎（UE4）進行開發，構建了車輛基地建筑、結構、城軌車輛、管線以及相關設備的VR仿真場景，實現了VR場景中的沉浸式交互、設備操作模擬及設備信息可視化查詢等功能。該系統使用頭戴式顯示設備及zSpace作為交互外設，實現了沉浸式可交互的可視化仿真。結合武漢軌道交通野芷湖車輛基地，開發了沉浸式VR交互展示及檢修系統，對VR技術在車輛基地檢修模擬仿真及應用有著重要的促進作用與參考意義。

關鍵詞：VR系統；城市軌道交通；車輛檢修基地；傾斜攝影；沉浸式交互仿真

中圖分類號：TP315；TP391.9；U239.5? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）04-0121-07

Maintenance Simulation and Application of Urban Rail Transit Vehicle Base Based on VR

XIE Qin

（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan? 430063， China）

Abstract： Based on Bentley BIM data from the vehicle base， the Unreal Engine 4 （UE4） is used for development， and a VR simulation scene of the vehicle base building， structure， urban rail vehicles， pipelines and related equipment is constructed. The immersive interaction， equipment operation simulation， and equipment information visualization query and other functions in the VR scene are achieved. The system uses head mounted display devices and zSpace as interactive peripherals to achieve immersive and interactive visualization simulation. An immersive VR interactive display and maintenance system has been developed in conjunction with Wuhan Rail Transit Yezhihu vehicle base， which has important promoting effect and reference significance for the simulation and application of VR technology in vehicle base maintenance.

Keywords： VR system; urban rail transit; vehicle maintenance base; oblique photography; immersive and interactive simulation

0? 引? 言

自20世紀60年代北京開始修建地鐵以來，經過近半個世紀的努力，我國城市軌道交通的建設成就斐然[1，2]。城市軌道交通配套系統，指的是包括運行車輛段、培訓中心、物資總庫及綜合維修中心四大基本部分，以及必要的辦公設施和生活設施，是當前保障列車安全行駛、提升列車品質及其系統維護與保養的重要基地[3]。

虛擬現實，即VR（Virtual Reality），通過計算機技術為核心，并輔之以計算機圖形學技術（Computer

graphics technology）、仿真技術（Emulation technique）、

人機交互技術（Human-Computer Interaction Techniques）等多學科交叉的新興技術[4，5]。它是伴隨人類探索、認知自然的過程中創造性產生并逐漸形成，以此來更好地學習、利用、適應自然的方法和科技[6]。

在軌道交通領域，叢叢等人基于Unity3D游戲開發引擎、虛擬現實技術和數據庫資源管理技術開發了城市軌道交通行車作業虛擬仿真實訓系統，搭建了集教學、多崗位協同訓練、全場景漫游和自動考評為一體的教學實訓平臺[7]。孔德龍等人建立了基于虛擬現實技術的實驗教學綜合仿真平臺，通過Unity3D實現地鐵信號基礎設備機械結構、動作原理以及裝配順序的三維建模，并模擬地鐵列車運行駕駛模式[8]。倪晨杰等人基于3Ds Max和Unity3D建立三維虛擬列車故障訓練平臺，實現列車運行狀況的故障模擬演練[9]。

可以發現，虛擬現實技術在軌道交通領域已形成了初步的應用和發展，在軌道交通車輛基地仿真模擬和培訓中尚未進行系統性的應用。

本文通過虛擬現實平臺建立一個高逼真度的檢修工藝虛擬仿真環境，利用人機交互及動作捕捉技術來演示車輛設備檢測修理過程中的主要步驟及內容，通過將檢修的語音、標注、文檔、圖片等信息集成以實現對于檢修內容更加直觀全面的展示，使檢修人員可以直觀地了解和確定檢修工序，熟悉檢修操作方法，并能對人員操作進行監控評價。

1? 車輛基地模擬仿真設備及軟件

1.1? 虛擬現實關鍵設備

隨著對車輛基地虛擬現實技術的深入研究，多層次、多功能的虛擬現實仿真培訓關鍵設備，為車輛基地的檢修、培訓等提供硬件基礎，對城市軌道交通的安全運營、培訓具有極其重要的作用。本系統中，針對場景展示需求，選取攜帶方便、對場地要求低的頭戴式顯示設備。針對認知培訓，選取開發難度較低、交互效果好的zSpace桌面式VR顯示一體機。

頭戴式顯示器，即頭顯。通過各種頭顯，向眼睛發送光學信號。其原理在于采用精密光學透鏡及相應光學系統放大微小顯示屏上的內容，并將其投射到觀察者的視網膜，使其眼中可觀察到大屏幕的顯示內容，其過程類似與于拿放大鏡來放大物體使其呈現出虛擬的放大物像。與之對比，zSpace平臺是一款基于3D虛擬呈現和交互的桌面式產品，由包括可追蹤位置的3D顯示屏、圖像工作站、光筆及可佩戴的立體眼鏡等組成。該平臺通過跟蹤監視使用者的頭部及手部動作，并及時調整其能看到的3D圖像，在此過程中用戶可使用光筆對數字化的模型進行操作和維護等過程的模擬、訓練及學習。

1.2? 引擎開發平臺

UE4引擎具有的強大圖像能力以及真實的交互效果，在開發PC端的具備較大的優勢。本虛擬現實系統采用圖像渲染能力較為突出的UE4引擎。在虛擬顯示系統開發的過程中，UE4引擎作為渲染及功能開發工具主要涉及藍圖、材質、粒子系統、UMG等相關技術。

1.2.1? 藍圖與C++

UE4引擎平臺中的藍圖（Blueprint），其本質是一種可視化的腳本系統，通過連線把藍圖中的變量、節點、函數及事件等按一定的邏輯關系集合在一起即可實現預設的功能。當前藍圖類型主要有兩種：Class Blueprints（類藍圖）和Level Blueprints（關卡藍圖）。此外，還可采用C++來實現系統功能，其中藍圖與C++的關系如圖1所示。藍圖的優勢在于快速迭代，該功能對于快速原型設計及簡單事件驅動設計的開發較為方便，相較之下，C++優勢在于玩法復雜且耗費CPU性能較多的算法。

圖1? 藍圖與C++之間的關系

1.2.2? 材質系統

UE4引擎中的材質均基于物理渲染（Physically Based Rendering， PBR），通過將生動的光照/陰影模型與相應的材質參數值相結合來準確地展示當前真實世界的材料。材質系統主要有五部分組成，即材質表達式、材質屬性、材質輸入、網格及紋理貼圖，如圖2所示。

圖2? 基于物理渲染的材質系統

1.2.3? 粒子系統

UE4引擎粒子系統采用的是模塊化設計，其中單一模塊展示粒子行為的一個特定方面，并為其提供相關的屬性參數，如生成的顏色、位置、移動及縮放行為等。在粒子系統中，通過添加或者刪除相應的模塊可更細致全面定義粒子的整體行為。當前UE4引擎共支持5種粒子生成器，其分別對應不同的特效，比如火花狀粒子常用來表示火焰效果，精靈粒子則用來表示雨雪效果，波狀粒子可用于展示閃電效果，尾跡粒子則可用來呈現流星劃過效果。

1.2.4? UMG

UMG，即核心部件為控件的虛幻動態圖形UI設計器，用于創作想要呈現給用戶的UI元素，通過一系列提前制作的功能來定義界面（如進度條、按鈕、滑塊及復選框等功能）。通過在特定的控件藍圖中調整其核心控件，并采用圖形選項卡和設計器選項卡來進行構建。其中圖形選項卡用于調用控件時展示的功能，設計器選項卡則用于實現界面的整體視覺布局。

2? 車輛基地虛擬場景構建

2.1? 三維模型構建及優化技術

系統的三維模型基于表面模型構建，即采用面片拼接的方法來表示模型，具有完全不含有模型內部的信息的特點，如圖3所示。同時，相較于體素模型、點云模型，表面模型的數據量最小，數據結構相對簡單，內存占用小，在后期渲染時較為方便。同時，在保證模型有較高仿真度的前提下，采用三角形網格簡化算法，基于頂點刪除法、三角形刪除法、邊折疊法、頂點聚類等以實現對所建模型的優化。

（a）體素模型? ? ? ? （b）點云模型? ? （c）表面模型

圖3? 三維幾何模型表示方式的比較

2.2? 基于BIM軟件的快速化模型構建

通過調用BIM模型庫中的各類模型至VR系統中，可實現車輛基地全專業的快速化模型構建，有效解決車輛基地建模數量大、周期長的問題。

2.2.1? 基于BIM軟件的VR模型庫系統

BIM模型庫包含了眾多專業的模型，支持模型的生成、存儲、查詢、調用和維護。通過VR系統可以直接調用模型，減小建模工作量，提高建模效率。通過對國內各城市軌道交通車輛基地進行考察，收集相關資料，參照《建筑工程設計信息模型分類和編碼標準》等標準對各個設備進行編碼分類，以便后續調用相應模型，如表1所示。

此外，系統還開發六個標準模型庫，分別為建筑結構模型庫、城軌車輛模型庫、檢修庫房模型庫、管線綜合模型庫、場景設計模型庫以及檢修設備模型庫，如圖4所示。整個模型庫中的模型總數多達上萬種，足以滿足車輛基地的設計需求。此外，模型庫支持模型的動態變更和擴充，方便工作人員對模型進行修改和完善。

2.2.2? 基于BIM軟件的VR模型構建

在模型庫建成的基礎上，將模型加入至自定義用戶對象，通過對模型的格式轉換及復合單元封裝將模型添加至模型庫中，即可用命令方式直接調用模型。為方便使用，通過二次開發對操作工具欄和調用窗口進行定制，并且將調用命令全部進行圖形化，如圖所示5所示。同時，選取模型后可直接放置，并可顯示模型編號等信息。

將BIM軟件的數據模型進行處理轉成VR數據引擎識別的內容，通過調用BIM模型庫中的模型即可快速搭建所需模型。搭建出的模型不僅數據完備、精確度高，并且有強大的直觀性和體驗性。BIM系統和VR應用的集成關系如圖6所示。

（a）模型庫造作工具欄? ? （b）模型調用窗口

（c）模型庫圖形化窗口

圖5? 模型調用示意圖

圖6? BIM軟件與VR模型庫系統

2.3? 基于傾斜攝影的快速化場景創建

2.3.1? 車輛基地傾斜攝影概述

基于傾斜攝影技術快速建模，可以生成與車輛基地現場環境中的相匹配的三維場景模型，相比傳統建模顯著地縮短了建模周期，同時增強了車輛基地周邊大環境的三維模型還原能力。通過利用無人機對車輛基地場景進行遍歷掃描，獲得帶有地形信息的車輛基地傾斜攝影圖像，對多視角影像進行融合優化處理，最后生成具有精細結構的三維模型。同時，采用傾斜攝影技術對車輛基地大場景掃描，可彌補單獨通過航空或者地面方式獲取數據進行建模造成的模型細節缺失問題。

圖7為利用無人機傾斜攝影技術對武漢市某車輛基地進行三維實景建模的步驟圖，傾斜攝影實景建模可以進行車輛基地數字化場景建模，在有效還原車輛基地場景地面地貌的同時，大幅縮短建模周期，極大提高建模效率，并且能夠實時更新現狀，對工程全生命周期管理提供直觀概覽。

圖7? 基于傾斜技術的三維實景建模的步驟圖

2.3.2? 傾斜攝影關鍵技術研究

2.3.2.1? 基于傾斜攝影的快速化場景創建

基于傾斜攝影與3Ds Max插件開發技術的快速建模技術路線如圖8所示。首先將獲取的影像進行空中三角量測并獲得高精度的外方位元素；其次3Ds Max插件根據提供的外方位元素和共線方程實現基于傾斜影像的建筑物多片立體量測并將測得的數據輸入3Ds Max平臺生成三維模型；然后根據三維信息提取模型每個而在影像上相應的最佳紋理信息，并實現紋理自動映射；最后輸出三維模型。

2.3.2.2? 傾斜攝影優化

對于部分區域的模型存在畸變，可對基于傾斜攝影測量技術所生成的初始三維模型進行優化，具體包括：

1）幾何修復優化，通過對修補模型中的破洞，包括凸包抹平并還原、刪除飛面等碎部。

2）細部整飾優化，對重要的標志物采取三維模型整飾或替換。

3）紋理修補優化，采用替換和修補等操作對于不均勻和清晰度不足的紋理優化。其中無人機傾斜攝影測量模型的二次處理技術路線如圖9所示。

2.4? 虛擬現實模型輕量化與精細化結合技術

鑒于當前列車及其關鍵部件模型可能存在空洞，模型數據量大以及相關計算量大等問題，車輛基地虛擬現實模型基于不同細節層次技術（LOD技術），采用“二次誤差度量”算法（Quadric Error Metrics， QEM），也就是基于“二次誤差度量”的簡化算法并以邊折疊為基礎，將點到三角網格平面距離的平方引為誤差度量，且系統采取雙向鏈表來記錄該過程中的簡化序列，即可獲取實時的相應連續細節層次模型。其方案整體流程為模型讀取——模型修復——模型簡化，該方案在模型簡化之前加入模型修復程序作為簡化的前置程序。表2為優化前后數據對比。

圖9? 采用無人機傾斜攝影測量模型的二次處理步驟

表2? 轉向架模型優化前后數據對比

簡化率/ % 三角形邊數 頂點數 頂點保留

百分比/ % 模型大小/KB

未簡化 74 118 36 900 0 2 807

20 60 088 29 889 81.00 2 262

420 43 810 21 790 59.05 1 630

50 35 230 17 650 49.23 1 304

60 28 496 14 297 39.52 1 043

3? 車輛基地沉浸式VR系統開發

3.1? 沉浸式VR展示系統

3.1.1? 仿真場景構建

1）構建三維模型。車輛基地VR仿真模型的構建主要包括：首先在Bentley軟件中創建三維模型并將其導入到3Ds Max；其次采用3Ds Max軟件優化BIM模型，主要包括減面及重構等；再次為保證后續材質系統及光照系統的正常運行，展開模型UVW并創建2套UVW；最后將上述模型導入UE4，完成車輛基地三維模型的構建。

2）基于物理渲染。基于物理渲染即基于物體的基本屬性和光照信息來進行著色計算，實現物體對環境光線的準確實時反應。其中關鍵點——物體的光照模型采用微表面的雙向反射分布函數所得，光照模型可模擬環境光線在其表面的漫反射和高光反射，并遵守能量守恒定律即Helmholtz倒易率，從而保證了車輛基地VR仿真場景的沉浸感與真實度。

3）碰撞檢測。當前碰撞檢測的方法很多，本系統采用的碰撞檢測是基于空間碰撞檢測算法構建[10，11]，其核心技術為層次包圍盒技術以及射線檢測技術[12]。在VR系統中，碰撞檢測技術可及時有效地克服交互過程中穿入設備及建筑物等模型的問題，從而保證VR仿真模型的真實性、合理性及自然性等。

3.1.2? 基于VR的BIM數據查詢

1）BIM信息數據結構的構造。基于Bentley BIM平臺，通過將工程各個生命周期階段中對應的關鍵信息提取至Excel，中，在此基礎上于一定的數據結構構造系統設備的關鍵信息，其中信息的存儲格式如表3所示。

表3? 設備的關鍵屬性數據格式

屬性 屬性名稱 數據類型 備注

1 設備名稱 String 儲存設計參數

2 設備編號 String

3 幾何尺寸

4 設計廠商 String

5 供貨廠家 String

6 狀態信息 Int[] 存儲BIM階段信息

2）數據讀取與顯示。基于上述BIM平臺提取的Excel數據，即可得到對應的逗號分隔符數據（.csv數據）。在UE4引擎系統中，為了在系統中存儲相應的BIM信息，可結合表中的數據結構構造相應的結構體，最后通過DataTable將逗號分隔符數據加載至系統中。

3.2? 沉浸式VR交互系統

本VR系統的總體框架可分為真實場景和虛擬場景兩部分，其中虛擬場景主要由幾何模型構建、運動控制、虛擬場景顯示及碰撞檢測技術等模塊組成。系統的功能模塊如圖10所示，在真實場景和虛擬場景間存在進行數據傳輸的通信模塊和數據采集模塊。

圖10? 沉浸式VR交互系統功能模塊圖

在虛實交互系統中，通過實時采集貼有標記點的人物的關鍵關節數據，并將此數據與虛擬人物的骨骼進行匹配，即可對虛擬人物模型的運動實現控制。同時，為了讓使用者有更好的體驗感，還需對人與純虛模型進行實時檢測以檢查是否發生碰撞，當系統檢測到碰撞時，虛擬的人物模型可根據人體數據進行相應的響應。其中虛擬交互系統的整體工作流程如圖11所示。

圖11? 沉浸式VR交互系統流程圖

4? 應用實例

利用前述方法，以武漢軌道交通7號線一期工程野芷湖車輛基地為基礎，建立了沉浸式VR展示系統，通過系統可以直接查看車輛基地室內及室外場景，對各專業的設計內容進行直觀查看，如圖12所示。

圖12? 室內外場景查看

檢修工藝的仿真是檢修基地全方案設計中非常重要的一個環節。本系統的檢修工藝模擬仿真技術可根據預先設定的檢修工藝路線、布局規劃、工藝節拍等條件，全方位仿真工藝檢修過程。系統對檢修效率進行數字化評估的同時，通過檢修過程的分毫畢現，展示每一個檢修工位的生產情況，能夠實現整個檢修線的漫游、瀏覽。當出現檢修工藝不合理時，視圖中立即高亮顯示。在城市軌道交通列車架車檢修工藝仿真中，用戶從庫房端門進入車輛基地檢修庫，模擬工人實際行走路線如圖12所示。地上的連續箭頭引導體驗用戶到達操作工位，庫內牽引車、叉車等設備僅作機械模擬，用以輔助理解工藝布局。

5? 結? 論

本文描述了一種基于VR虛擬現實技術的車輛基地可視化交互仿真系統，該系統采用Bentley BIM和UE4引擎及PBR、碰撞檢測技術、沉浸式交互、三維場景建模等關鍵技術，實現了VR仿真模擬場景中的沉浸式交互、可視化設計、檢修模擬、操作培訓及設備信息可視化查詢等功能，并通過工程實例進行了驗證。其研究成果如下：

1）研究了基于BIM軟件的快速化模型構建技術，建立了基于BIM軟件的模型庫，通過直接調用和參數化生成標準模型；利用無人機傾斜攝影實現車輛基地場景模型快速構建。通過“三維建模+傾斜攝影”的方式建立車輛基地虛擬場景模型，并通過連續細節層次技術實現模型的修復和優化；最后通過對數字化工業模型進行網格優化和輕量化轉換，成功得到車輛基地可視化模型。

2）通過綜合比選，結合軌道交通車輛基地特點，合理確定了車輛基地虛擬仿真模擬仿真硬件設備—zSpace桌面式一體化顯示平臺與頭戴式虛擬顯示設備，以及系統開發平臺—UE4引擎，為車輛基地沉浸式VR系統開發提供軟、硬件基礎。

與此同時，基于VR技術在的車輛基地檢修模擬應用中尚處于初步階段，對未來VR仿真的進一步應用作兩個展望：

1）進一步擴大虛擬現實技術的應用面，將虛擬現實技術應用于車輛檢修過程以及配合施工方面。

2）隨著虛擬現實技術的快速發展，將MR（混合現實）/AR（增強現實）等技術推廣并應用于城市軌道交通車輛基地運營和檢修中。

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作者簡介：謝欽（1993—），男，漢族，四川南充人，工程師，碩士研究生，主要研究方向：軌道交通機車車輛研究。