受电弓位于高速动车组车顶，在高速动车组运行时，受电弓升起与接触网接触，从接触网上获取电流，经过车辆上的变压设备处理，传递到车辆的电气系统^[1]。受电弓是高速动车组的核心部件，同时，也是高速动车组故障率较高的部件。因此，高速动车组受电弓的检修具有重要意义^[2]。目前，针对受电弓的安全检测主要有人工检测、传感器检测和图像检测3种途径。其中，人工检测需要在高速动车组入库断电后进行登顶操作，是常用的检测手段^[3]。

考虑到线路和高速动车组负载，受电弓上电压最低为20 kV，受多种因素制约，工人在实际检修过程中，如有操作不规范的情况，会显著增加检修的事故率。受电弓受电时的高电压使得检修人员面临触电危险。考虑到受电弓检修事故的危害性大、不可复制等问题，本文以高速动车组受电弓检修为背景，结合现实中的事故案例，利用虚拟现实技术的强交互性、强感知性^[4]，研发高速动车组受电弓检修事故虚拟演示系统，实现了事故展示、模拟演练等功能。

虚拟现实概念于1965年被提出，是一种利用计算机制作环境，对现实事物进行还原，使用户沉浸其中的技术^[5-6]。Unity3D是由Unity Technologies开发的，让用户轻松创建三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等互动内容的多平台、综合型游戏开发工具，是全面的、整合的专业游戏引擎。其具有可视化编程界面、高效脚本编辑、开发便捷等优点，支持Java Script、C#、Boo脚本语言，广泛应用于军事与航天工业、室内设计、铁路培训等领域。

1   系统设计

1.1   系统功能

高速动车组受电弓检修事故虚拟演示系统以减少检修事故为目的，通过检修事故的演示，结合虚拟现实技术的优点，让使用者具有身临其境的体验，从而起到警示作用^[7]。系统还可进行模拟演练，通过检修的模拟仿真训练，可使检修工人更加熟练完成检修工作，深入了解操作不规范所带来的危害。同时，在系统中嵌入考核模块，对检修知识进行考核。系统的功能架构如图1所示。

图  1  系统功能架构

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1.1.1   事故演示子系统

用户可在事故演示子系统中观看虚拟人物的检修操作，了解检修事故产生的原因及带来的危害。由于虚拟现实技术仿真性强的优势，高压电触电效果展示可给用户带来视觉冲击，使其能更加深刻地意识到操作不规范所带来的严重后果，从而提升培训效果。

1.1.2   模拟演练

模拟演练子系统为用户提供操作练习的机会，用户通过设备上的按键与模拟场景进行交互，以第一视角进行控制，模拟视角移动、视角旋转、检修等行为。为使用户能更加深刻地理解检修过程，系统会在检修的关键步骤上进行提示，当用户的操作步骤发生错误时，系统也会对操作步骤进行讲解，同时，演示可能发生的检修事故与带来的危害。系统可规范用户检修工作流程，提升用户的检修技能，降低实际检修事故的发生率。

1.1.3   视频讲解与知识考核

为提高检修知识储备，用户可在视频讲解子系统中观看检修事故案例视频，也可通过考核子系统对自身进行定期考核。知识考核子系统在数据库中进行题目的随机抽取，对用户的理解程度进行打分并做出是否合格的判断，可巩固用户的检修知识，使用户掌握操作要点及发生事故后的处理方法。

1.2   场景设计流程

进行场景设计时，需先对检修事故案例进行收集^[8]，确定导致事故发生的因素和场景的设计路线与功能，综合考虑机器性能及场景的还原度，完成对应场景的设计。由于Unity3D对FBX格式的文件适应性强，模型建立完成后需导出为FBX格式。场景的设计流程，如图2所示。

图  2  场景设计流程

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2   系统模型建立

2.1   模型的优化处理

根据系统需要，搜集所需高速动车组模型的尺寸，使用CAD绘制二维图纸，确保图纸与实际模型的尺寸、规格相同，将二维图纸导入到3Ds Max中，进行三维建模。由于高速动车组模型尺寸大、零件数量多，若建模后，将模型直接导入Unity3D中将会占用大量内存空间，造成系统卡顿、场景切换慢等^[9]。因此，需要对模型进行优化处理。具体操作步骤为：（1）对模型的顶点进行焊接处理；（2）减少曲面体的曲面分段数；（3）对不影响系统主体的部位进行贴图处理。

2.2   模型坐标轴变换

在建模过程中，合理运用模型的坐标轴可更快速地完成建模，同时，增加模型的真实性与准确性。

3Ds Max完成建模后，需将模型导入到Unity3D中。3Ds Max采用的是右手坐标系（Z轴向上），而Unity3D采用的是左手坐标系（Y轴向上），若直接导入，因坐标轴不匹配，将造成后期脚本编辑出现逻辑错误^[9]。由于Unity3D并不具备改变模型坐标轴方向的功能，因此，在导入模型前，需在3Ds Max中对模型进行坐标轴变换，使模型与Unity3D坐标轴相匹配。在3Ds Max中，点击层次面板下的轴选项卡，点选“仅影响轴”，对模型的X、Y、Z轴的方向进行更改，如图3所示。

图  3  3Ds Max与Unity3D坐标轴对比

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3   关键技术

3.1   碰撞器检测技术

Unity3D有多种物理引擎，包括刚体、碰撞器、触发器等，可模仿实际物体的受力、碰撞等，使场景更加逼真。

本文对受电弓添加碰撞器及刚体组件，实现对受电弓物理属性的模拟，通过对刚体组件施加作用力的方式，实现受电弓的升起与降落，同时，在模拟检修过程中可利用Unity3D中碰撞器提供的OnCollisionEnter、OnCollisionExit等方法，通过对碰撞器的监测，实现对物体碰撞的检测。从而对检修人员是否触碰受电弓进行实时监测，作为判断是否发生事故的评价标准。若检修人员在检修信号灯未亮起时触碰到受电弓，将触发触电特效；若检修工人在检修信号灯亮起后触碰受电弓，则不会发生检修事故。利用碰撞器的特性，可实现物体状态监测和触发条件判断，增加系统的可操作性，降低程序的复杂性。

3.2   视角移动技术

（1）视角交互

在模拟演练过程中，用户需要与场景中的视角进行交互，从而控制视角进行移动、旋转等操作，Unity3D中提供了Input类，实现对用户的键盘、鼠标点击事件的获取，Input类提供了多种方法来获取用户键盘与鼠标的按下、抬起等事件。在Update中调用Input类，可实现对用户输入的实时获取，利用C#语言进行脚本编辑，实现用户与场景视角的交互。在模拟演练场景中，用户通过键盘上的W、A、S、D键分别进行视角前、后、左、右的移动，并通过鼠标的左右滑动对视角的转向进行控制。

（2）摄像机跟随

在视角的移动过程中，摄像机要跟随视角进行同步运动，使用户拥有更加真实的体验。实现摄像机跟随的方法较多，可直接将摄像机设置为视角的子物体，但该方法会导致摄像机跟随较生硬，用户体验效果不佳。

本文采取逐帧跟随的设计方法，在视角运动过程中，利用代码进行跟随设计，从而实现逐帧跟随，使用户能够拥有更真实的体验。具体步骤为：利用视角当前位置减去原点的世界坐标，获取当前位置的世界坐标；利用摄像机的位置减去视角的位置，获取一个固定的坐标偏移值；在Update中逐帧进行视角的位置检测，用视角的世界坐标加上偏移值，即可确定摄像机的实时位置；将摄像机的转动方向设置为视角行走的方向，即可完成摄像机的跟随。

4   系统实现

4.1   场景导入

场景的导入关系到虚拟仿真的真实性，若导入时出现问题，导致贴图、动画等物体的缺失，用户的体验感下降，无法达到预期效果。

在3Ds Max软件中完成建模后，将模型导出为FBX格式文件，嵌入贴图、动画等关键物体，随后导入到Unity3D软件中进行场景的搭建。由于FBX格式只支持基本贴图格式，导入Unity3D中会有贴图丢失，导致检修场景失去真实性。所以，模型导入后，需要进行Unity3D的材质创建，将缺失的贴图重新贴入，从而完成场景的导入^[10]。系统的部分场景如图4所示。

图  4  系统部分场景示意

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4.2   模拟检修的实现

进行受电弓检修前，先升起受电弓，对其进行供电测试，确保其可以正常工作；在完成供电测试后，受电弓降落，同时，将供电设备断电。断电后，检修信号灯亮起，检修人员进行登顶检修。如果检修人员在受电弓未与接触网脱开、未落稳在其底架的两个橡胶止挡上等情况下进行登顶作业，将面临触电风险。

用户在进入系统后，将以第一视角进行登顶作业，完成登顶操作后，拾取车顶的检修工具，随后进行受电弓检修，若进行检修时受电弓不带电，则完成受电弓检修；若进行检修时受电弓未完成断电，且检修工具与受电弓的距离小于安全距离时，显示界面将给出相关提示，并模拟检修者伤亡情况。

Unity3D提供Animation与Animator两种动画机，本文采用Animation动画机进行伤亡动画的播放，通过对动画机进行程序编写，控制播放判定、播放顺序。利用Animation动画机，可使检修操作的模拟更加自然，节省编程时间，增加系统的操作性。模拟检修效果如图5所示。

图  5  检修场景模拟示意

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5   结束语

本文基于Unity3D开发了高速动车组受电弓检修事故虚拟演示系统，具有事故演示、模拟演练、视频讲解及知识考核等功能，实现了受电弓检修过程的模拟，满足铁路工人的知识培训、模拟训练等需求。系统利用虚拟现实技术，为铁路专业人才的培养提供思路，打破传统的培训方式，同时，有效减少铁路检修事故的发生。