徐笑瑩,馬思群,陶 然,李 健,段承鑫,史良宇(.大連交通大學(xué)機(jī)車(chē)車(chē)輛工程學(xué)院,遼寧 大連 608;.大連交通大學(xué)藝術(shù)學(xué)院,遼寧 大連 608;.中車(chē)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司,遼寧 大連 60;.北陸先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)知識(shí)科學(xué)系,能美市 日本)
輪對(duì)軸承作為高速動(dòng)車(chē)組重要的組成部件之一,其溫度的變化很大程度上影響著整個(gè)動(dòng)車(chē)組的安全運(yùn)行,因此鐵路行業(yè)以及高校紛紛針對(duì)相關(guān)工作人員和學(xué)生開(kāi)展軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理及檢修流程的培訓(xùn)。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality),是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心、結(jié)合人工智能等相關(guān)技術(shù),借助交互、運(yùn)算和顯示設(shè)備,生成逼真的虛擬環(huán)境[1]。自虛擬現(xiàn)實(shí)概念提出以來(lái),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì),其在高速動(dòng)車(chē)組方面已經(jīng)有所應(yīng)用,比如動(dòng)車(chē)組虛擬檢修培訓(xùn)系統(tǒng)及仿真[2]、動(dòng)車(chē)組受電弓虛擬拆裝培訓(xùn)系統(tǒng)[3]、設(shè)備吊裝虛擬仿真系統(tǒng)[4]等。
傳統(tǒng)方式下實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)僅能借助書(shū)本知識(shí)或者實(shí)物展示來(lái)進(jìn)行,存在不便捷、耗資大、效率低等問(wèn)題。開(kāi)發(fā)一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軸溫監(jiān)測(cè)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng),可將軸溫監(jiān)測(cè)原理及檢修過(guò)程完整地展現(xiàn)在一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)內(nèi),通過(guò)場(chǎng)景演示和人機(jī)交互達(dá)到便捷高效培訓(xùn)的目的,有效地解決了傳統(tǒng)方式的弊端。
動(dòng)車(chē)組軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由Pt100鉑電阻傳感器、MVB總線(xiàn)和中央控制單元等多個(gè)部分組成,是一個(gè)集溫度監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與傳輸于一身的復(fù)雜系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)輪對(duì)軸承溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),主要由測(cè)溫單元和主控單元兩部分構(gòu)成。目前國(guó)內(nèi)CRH型動(dòng)車(chē)組大多采用車(chē)載型接觸式測(cè)溫裝置,軸溫傳感器采用雙通道Pt100傳感器,對(duì)軸承溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)并將采集到的溫度信號(hào)反饋給兩個(gè)不同的溫度采集模塊CompactPt100[5],轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后由多功能車(chē)輛總線(xiàn)MVB每隔一段時(shí)間反饋至動(dòng)車(chē)組CCU中央控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。中央控制單元將采集到的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并處理后發(fā)布相應(yīng)指令,并在人機(jī)顯示界面HMI顯示對(duì)應(yīng)信息。
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架分為三個(gè)層次,如圖1所示。通過(guò)用戶(hù)層、邏輯層和數(shù)據(jù)層整體的功能實(shí)現(xiàn)建立動(dòng)車(chē)組輪對(duì)軸溫監(jiān)測(cè)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
1)用戶(hù)層通過(guò)硬件和軟件之間的交互實(shí)現(xiàn)Unity 3D系統(tǒng)的交互表現(xiàn),系統(tǒng)可發(fā)布為沉浸式VR和桌面式VR,用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需求,使用不同的輸入輸出設(shè)備,達(dá)到不同的培訓(xùn)效果。
2)邏輯層通過(guò)路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求,是用戶(hù)層和數(shù)據(jù)層的橋梁。登錄系統(tǒng)后,主頁(yè)內(nèi)包含虛擬檢修車(chē)間和動(dòng)車(chē)組場(chǎng)景、軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程展示、動(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)時(shí)軸溫監(jiān)測(cè)和教學(xué)資源庫(kù)四個(gè)部分。
3)數(shù)據(jù)層是整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的支撐,是用戶(hù)層與邏輯層運(yùn)行的基礎(chǔ),包含系統(tǒng)內(nèi)的文件資源,例如動(dòng)車(chē)組、維修車(chē)間、溫度傳感器等3D模型的數(shù)據(jù)信息,各零件、物體之間的邏輯約束關(guān)系數(shù)據(jù),Unity 3D系統(tǒng)場(chǎng)景內(nèi)光照、聲音、相機(jī)位置和角度等環(huán)境資源數(shù)據(jù)。
1)明確系統(tǒng)結(jié)構(gòu),規(guī)劃系統(tǒng)功能:首先,明確系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)表達(dá)、人員培訓(xùn)和信息查詢(xún)的需求,使用Axure RP快速創(chuàng)建系統(tǒng)原型,展示系統(tǒng)頁(yè)面信息架構(gòu)和頁(yè)面之間交互流程與形式,預(yù)產(chǎn)出交互設(shè)計(jì)的靜態(tài)原型與動(dòng)態(tài)原型。
2)模型構(gòu)建及優(yōu)化:根據(jù)照片、數(shù)據(jù)等信息利用CAD繪制維修車(chē)間和列車(chē)結(jié)構(gòu)的平面圖紙,導(dǎo)入至3ds Max中作為三維建模的平面底圖基準(zhǔn)。依據(jù)底圖和系統(tǒng)規(guī)劃構(gòu)建三維模型,在完整表達(dá)模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)量。對(duì)于有交互需求的模型部分,著重構(gòu)建其模型結(jié)構(gòu),保證交互過(guò)程的真實(shí)性。
3)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn):構(gòu)建完成后的三維模型導(dǎo)出FBX文件至Unity 3D中進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā),通過(guò)C#腳本撰寫(xiě),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能,并添加圖像效果工具,烘托整體系統(tǒng)氛圍。
本系統(tǒng)通過(guò)多細(xì)節(jié)層次技術(shù)(Levels ofDetial,LOD)提高系統(tǒng)畫(huà)面的渲染速度。LOD技術(shù)是一種以物體模型的節(jié)點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度決定物體渲染的資源分配,降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)度,從而獲得高效率渲染運(yùn)算的場(chǎng)景優(yōu)化技術(shù)[6]。
圖2 視角劃分示意圖
本文在傳統(tǒng)LOD技術(shù)中,添加視角范圍的約束條件。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中,用戶(hù)的視角范圍一般為90°,視點(diǎn)中心線(xiàn)45°范圍內(nèi)為主要視角V0,兩側(cè)范圍為次要視角V1,處于主要視角范圍內(nèi)的模型則視為重要物體,視角范圍劃分如圖2所示。
系統(tǒng)中視點(diǎn)與模型之間的距離為D,當(dāng)近距離接觸模型時(shí),視點(diǎn)處于D0范圍內(nèi),用戶(hù)可以清晰看到模型結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié),視覺(jué)效果逼真;處于D0與D1范圍之間時(shí),可看到模型結(jié)構(gòu),但缺少細(xì)節(jié);當(dāng)視點(diǎn)處于D1范圍之外時(shí),只能看到模型大致輪廓。按照用戶(hù)處于不同范圍,系統(tǒng)分別調(diào)用不同層次的模型,三個(gè)模型按照復(fù)雜程度從高到低分別命名為:Mod0、Mod1、Mod2。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中調(diào)用的Mod與視點(diǎn)到模型之間的距離D和視點(diǎn)所處視角位置V之間的關(guān)系如式(1):
(1)
通常構(gòu)建LOD模型的方法主要有:細(xì)分法、采樣法和刪減法[7],以本系統(tǒng)中的動(dòng)車(chē)組輪對(duì)軸承部分模型為例,采用刪減法通過(guò)3ds Max軟件進(jìn)行仿真構(gòu)建,構(gòu)建三種不同層級(jí)LOD模型,如圖3所示。
圖3 不同LOD層級(jí)模型對(duì)比
不同LOD層級(jí)對(duì)比如表1所示。將構(gòu)建完成的三個(gè)LOD模型導(dǎo)入至Unity 3D中,即可通過(guò)在復(fù)雜場(chǎng)景下調(diào)用不同層次的模型進(jìn)行場(chǎng)景性能優(yōu)化的效果。
表1 不同LOD層級(jí)對(duì)比
續(xù)表1
圖4 改進(jìn)的碰撞檢測(cè)算法流程圖
在現(xiàn)有的碰撞檢測(cè)方法中,層次包圍盒法僅對(duì)包圍盒進(jìn)行相交測(cè)試且包圍盒幾何特性簡(jiǎn)單,與被檢測(cè)物體存在偏差,因此檢測(cè)精度相對(duì)較低;空間分解法把被測(cè)對(duì)象所在空間分割成若干個(gè)體積相等的小單元空間,只對(duì)占據(jù)同一單元空間或相鄰單元空間的對(duì)象進(jìn)行相交檢測(cè)[8],適用于對(duì)象較少且分布相對(duì)均勻的場(chǎng)景中,因此本系統(tǒng)采用一種二者混合的改進(jìn)碰撞檢測(cè)方法,具體算法流程如圖4。
首先利用空間分解法劃分邊長(zhǎng)為d的等體積正方體單元空間,快速確定與被測(cè)對(duì)象互為相鄰的對(duì)象,減少包圍盒的構(gòu)建數(shù)量。具體實(shí)現(xiàn)方式為:以AABB包圍盒為例,假設(shè)其主對(duì)角線(xiàn)的線(xiàn)段端點(diǎn)分別為Q1(X1,Y1,Z1)、Q2(X2,Y2,Z2),以一個(gè)三維坐標(biāo)q1(x1,y1,z1)表示端點(diǎn)Q1所在的單元空間,該坐標(biāo)可由式(2)得出:
x1=X1/d,y1=Y1/d,z1=Z1/d
(2)
則該對(duì)象所在空間可用q1和q2之間所有小單元空間的集合表示,占有集合中相同單元空間的其他對(duì)象與之互為相鄰對(duì)象。
確定存在相鄰對(duì)象后,采用優(yōu)化后的混合層次包圍盒算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的碰撞檢測(cè)。該算法的核心為構(gòu)造上層是AABB,下層是OBB的混合層次包圍盒樹(shù)結(jié)構(gòu),并實(shí)現(xiàn)其遍歷。包圍盒之間運(yùn)算復(fù)雜度和碰撞檢測(cè)的速度取決于樹(shù)結(jié)構(gòu)的遍歷方式,本文算法的遍歷方式為由上層至下層的深度遍歷,配合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的AABB上層結(jié)構(gòu)和緊湊的OBB下層結(jié)構(gòu),既可以減少算法的運(yùn)算量,迅速排除不相交的相鄰單元空間對(duì)象,又可以保障測(cè)試精度。算法中的部分代碼及功能如下:
void BVHCollide(CollisionResult *result,BTree a,BTree b)
{
if(!BVOverlap(a,b))return;//對(duì)兩根節(jié)點(diǎn)是否相交進(jìn)行檢測(cè)
if(IsLeaf(a)&&IsLeaf(b))//檢測(cè)兩節(jié)點(diǎn)是否為葉子節(jié)點(diǎn),
{
CollidePrimitives(result,a,b);//判斷葉子節(jié)點(diǎn)是否碰撞
}
else
{
if(DescendA(a,b))//調(diào)用下降,由上至下
{
BVHCollide(a→left,b);//相交測(cè)試子任務(wù)
BVHCollide(a→right,b);
}
else
{
BVHCollide(a,b→left);
BVHCollide(a,b→right);
}
}
}
本文系統(tǒng)利用LOD場(chǎng)景優(yōu)化方法和改進(jìn)的碰撞檢測(cè)算法,通過(guò)Unity 3D進(jìn)行場(chǎng)景制作和交互設(shè)計(jì)。包含列車(chē)總線(xiàn)控制基礎(chǔ)和列車(chē)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等相關(guān)理論內(nèi)容,通過(guò)仿真模擬檢修車(chē)間和動(dòng)車(chē)組場(chǎng)景,以沉浸式、多感知性和交互性的方式展示了動(dòng)車(chē)組軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理。系統(tǒng)的主要功能如下:
1)漫游瀏覽:系統(tǒng)場(chǎng)景直觀(guān)地展示檢修車(chē)間和動(dòng)車(chē)組內(nèi)布局,用戶(hù)可選擇系統(tǒng)預(yù)設(shè)定路線(xiàn)自動(dòng)漫游或自主瀏覽。漫游過(guò)程中,可選擇分層單獨(dú)展示檢修車(chē)間、車(chē)頭、車(chē)廂及內(nèi)部軸溫監(jiān)測(cè)設(shè)備等場(chǎng)景,方便高效了解檢修車(chē)間及動(dòng)車(chē)組的構(gòu)造,提升理論認(rèn)知。
2)動(dòng)車(chē)組軸溫監(jiān)測(cè)流程:直觀(guān)地展示軸溫監(jiān)測(cè)所需的硬件設(shè)施和列車(chē)總線(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)牧鞒?,通過(guò)顏色、材質(zhì)、邊緣發(fā)光等效果突出結(jié)構(gòu)特征,使復(fù)雜的信號(hào)傳輸過(guò)程表達(dá)的更加清晰。用戶(hù)通過(guò)點(diǎn)擊、縮放、拖曳、旋轉(zhuǎn)等交互方式,了解零部件等信息,如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)軸溫監(jiān)測(cè)原理界面
3)模擬動(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)時(shí)軸溫監(jiān)測(cè):模擬動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中不同軸溫狀態(tài)下的實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸過(guò)程,在司機(jī)駕駛室的HMI屏內(nèi),實(shí)時(shí)顯示不同車(chē)號(hào)的軸溫?cái)?shù)值和溫度傳感器的狀態(tài)。
4)學(xué)習(xí)與訓(xùn)練相結(jié)合:系統(tǒng)搭載的數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存視頻、文獻(xiàn)、題庫(kù)等教學(xué)資源,為課堂培訓(xùn)提供更多的呈現(xiàn)模式。其中包含仿真實(shí)操練習(xí)和測(cè)試模塊,理論與實(shí)訓(xùn)相結(jié)合,有效地鍛煉了用戶(hù)動(dòng)手能力。
針對(duì)現(xiàn)有軌道交通行業(yè)虛擬仿真培訓(xùn)資源較為匱乏的現(xiàn)狀,本文提出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的動(dòng)車(chē)組輪對(duì)軸溫監(jiān)測(cè)培訓(xùn)系統(tǒng),并得到以下結(jié)論:
1)在傳統(tǒng)LOD算法的基礎(chǔ)上,提出了基于視點(diǎn)距離和視角范圍的LOD場(chǎng)景優(yōu)化方法,通過(guò)Unity 3D內(nèi)參數(shù)調(diào)節(jié),證明了該方法具有較好的優(yōu)化效果,并提升了系統(tǒng)的真實(shí)性和流暢性。
2)現(xiàn)有的基本碰撞檢測(cè)算法難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的碰撞檢測(cè),本系統(tǒng)中碰撞檢測(cè)采用空間分解法和混合層次包圍盒法相結(jié)合的改進(jìn)碰撞檢測(cè)算法,通過(guò)實(shí)際應(yīng)用于系統(tǒng)對(duì)象的碰撞檢測(cè)中可發(fā)現(xiàn),該算法不僅保證了檢測(cè)精度,而且加快了檢測(cè)速度。
3)用戶(hù)可在不受時(shí)間和空間的限制下,快速理解并掌握軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程,彌補(bǔ)了培訓(xùn)方式的匱乏,為企業(yè)和學(xué)校降低培訓(xùn)成本。