Switch machine simulation operating platform based on 3D technology
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摘要: 为解决当前高等院校在铁路信号专业教学中缺乏信号设备进行实物展示的问题，以3D MAX和Unity 3D为开发平台，借助TCP/IP （Transmission Control Protocol/Internet Protocol）协议，设计转辙机仿真操作平台，实现车站现实环境仿真及转辙机动作的3D展示，从不同视角展现转辙机状态转换过程，达到模拟现实的效果。该平台已在西南交通大学实验室投入使用，满足教学实践需求。Abstract: In order to solve the problem of lack of physical display of signal equipments in the teaching of railway signal specialty in colleges and universities, taking 3D Max and Unity 3D as the development platform, and with the help of TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet), this paper designed a switch machine simulation operating platform to implement the station real environment simulation and 3D display of the switch machine action. The process of the switch machine state transition was displayed from different perspectives to achieve the effect reality of simulation. The platform has been put into use in the laboratory of Southwest Jiaotong University, which can meet the needs of teaching practice.
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Keywords:
- switch machine modeling /
- simulation platform /
- TCP/IP /
- 3D Max /
- Unity 3D
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随着我国铁路的快速发展，对铁路信号相关专业的人才需求越来越大，目前，国内很多高校均开设了铁路信号专业。由于高等院校往往缺乏实际的信号设备[1]，在教学过程中通常采用2D图纸展示，而2D图纸展示的信号设备不够立体直观，且受其结构复杂、布设分散、联动复杂等条件限制[2]，使得学生对相关理论难以深入理解和掌握。3D技术的应用，为教学过程中信号设备的展示提供了新的途径。
目前，3D技术主要应用在地图仿真、驾驶系统仿真、船舶海洋仿真、场景展示、游戏开发、建筑、航天及外科手术等领域[3-5]，在铁路信号专业的应用相对较少，本文利用3D MAX的建模功能和 Unity 3D的动画仿真功能，结合模型与场景，设计基于3D技术的转辙机仿真操作平台。
1 平台架构及设计流程
1.1 平台架构
转辙机仿真操作平台架构，按功能划分为设备与环境模型、用户体验交互界面、3D动画展示、通信，共4个模块，如图1所示。
1.1.1 设备与环境模型模块
本模块是平台的基础，主要制作操作平台中所用的模型。转辙机与环境的3D模型决定了场景的真实度与还原度，该模块主要遵循还原度和美观度2个原则。还原度描述的是转辙机在3D制作中要尽可能接近真实情况，美观度是在还原度的基础上给予视觉上的享受[6-8]。
如图1所示，模块分为2个部分：3D转辙机模型和3D环境模型。3D转辙机模型可以进一步分为转辙机外部模型和转辙机内部模型；3D环境模型主要由山、树、道岔等多个模型组合而成。
1.1.2 用户体验交互界面模块
用户体验交互界面模块用于还原真实车站场景，并增添了在场景中用鼠标模拟行走、动画展示转辙机等功能，进一步提高用户体验满意度。
如图1所示，该模块由转辙机展示界面、全局界面和漫游界面组成[9]。
漫游界面用鼠标或者键盘作为媒介，实现对整体场景的观察和控制，类似人在真实环境中进行巡游，主要包括场景的放大缩小，视觉的四周移动，以及视觉的旋转；全局界面可以对场景进行俯瞰；转辙机展示界面可实现结构观察、动画展示，以及3D显示。
该模块有2个输入端：（1）接收用户输入交互需求，界面响应对应需求，展示相关内容；（2）接收转辙机转向信息，切换展示界面。交互界面是实现人与软件实时信息交换的重要界面。
1.1.3 3D动画展示模块
3D动画展示基于转辙机的动作原理和现实情况。根据转辙机不同的状态信息将转辙机状态分为定位、反位及四开。根据转辙机状态在界面展示相关动画，包含解锁、转换、锁闭整个动作过程。动画制作时，对不同结构进行动画制作，最后进行动画组合。3D动画展示模块以设备与环境模型模块提供的实体作为动画制作基础，接收站内道岔解析后的信息和转辙机动画驱动信息，向用户体验与交互界面模块输出转辙机转向信息。
3D动画主要依据转辙机的动作原理和转动锁闭逻辑。Unity 3D中的动画模块一般切割成2个动画，形成控制动画逻辑。
1.1.4 通信模块
通信模块主要实现联锁软件和上位机软件之间的通信。该模块分为采集端和驱动端：采集端采集并解析站内道岔状态信息，驱动端输出转辙机动画驱动信息。
通信采用TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）协议，实现通信的关键点在于对转辙机状态的采集与驱动。定义Socket通信函数来实例化客户端的对象，响应Socket通信函数，对采集的数据进行分析和判断，收到服务器的响应，实现3D显示。
1.2 平台设计流程
平台设计流程如图2所示：（1）建立设备3D模型；（2）建立整体3D环境和用户交互界面；（3）完成通信模块的数据采集和动画驱动。
2 关键技术
2.1 3D MAX建模技术
3D模型制作的关键在于利用3D MAX软件建模。
3D模型分为基本物体和复合物体，基本物体采用基本模型结构，如球、多面体、线等。复合物体需要将物体分为不同基本物体，采取布尔等操作实现。
对于复杂的模型无法使用基本物体进行模型搭建时，需要采用样条线编辑。每个不规则3D物体都可以看作是由不规则2D图形增加厚度形成，而不规则2D图形可以看作是由不同样条线组合而成，利用不同样条线组合，挤出相应样条线，可形成不规则复合图形。除此之外，对齐阵列调整操作，用于批量处理规律分布的多个相同模型[8]。
除了相关操作上的技术难度，由于转辙机模型存在一定的结构特殊性，在模型建立与组合的过程中需要对不同的模型进行结构组合，最后进行视觉上的渲染工作。
转辙机建模的技术路线如图3所示。
以动静接点模型建立为例。动静接点的模型由3部分组成：（1）几何体实现动接点圆柱体；（2）样条线编辑实现螺旋线；（3）复杂几何体实现基本框架。第1动接点结构大小需要与接点缺口的结构大小契合，第2动接点下方模型需要与表示杆的缺口吻合。整体的高度既要做到贴近现实，又要做到整个表示部分相对协调。
2.2 Unity 3D场景控制及界面交互技术
实现交互界面的关键是摄像机的设置、脚本函数的编写及鼠标键盘的控制。
摄像机的操作是该部分的主要难点和关键点，对摄像机的基础设置是界面完成的重要基础。摄像机的初始位置控制界面进入的初始视角，确定整个界面不同坐标轴方向的灵敏度和移动速度，需要对不同视角进行一定的范围界定。
鼠标、键盘控制：确定鼠标基本位置，确定鼠标滚轮的缩放灵敏度。完成鼠标和摄像机操作需要设定更新函数，更新函数中，需要对每一帧操作，定义3个主要脚本函数，分别是 cameraRotate，cameraMove和 scaleChange，3个函数分别实现旋转、移动和场景切换功能，其中，实现旋转和移动功能的2个函数的编写比较复杂。
（1）cameraRotate函数：旋转函数执行流程如图4所示。判断鼠标右键是否按下，获取x轴、y轴的旋转角度，处理获得的值并控制在一定范围内，最后给x、y赋值。
（2）cameraMove函数：移动函数执行流程如图5所示。以鼠标中右键的状态作为判断依据，需要获取鼠标前后位置的更新值，最后移动摄像机。
2.3 动画制作
对转辙机来说，动画表现转辙机的整个动作过程，包括解锁、转换、锁闭。在实现动画制作时，不同结构需要制作不同动画，最后进行动画拼接。
动画制作的关键在于平移动画制作及旋转动画制作。关键帧是控制和实现动画的重要工具[8-9]，关键帧指的是动画展示的关键时间点，在动画前后插入关键帧和变化的关键位置点，两个关键帧之间自动填充相应平移或旋转动画。动画制作技术路线如图6所示。
3 仿真实现
在实验室内，采用Window 8作为运行环境，在Visual Studio 2017、3D MAX和Unity 3D开发环境下，基于面向对象程序设计方法、TCP/IP通信技术，使用C#、C++语言编程，实现转辙机仿真操作平台。本文从3个方面展示平台仿真结果。
3.1 ZYJ7型、ZD6型转辙机3D模型
ZYJ7型转辙机的整体结构（包含转辙机外壳、电动机、动静接点等），如图7所示；外锁闭装置（包含锁闭杆），如图8所示。ZD6型转辙机的整体结构（包含转辙机外壳及内部基本结构），如图9所示。
3.2 Unity 3D场景展示
主要展示各子界面，包含俯瞰整个场景的地形轮廓图、转辙机结构图、转辙机视角图，以及可以实现场景漫游的场景仿真图。地形场景轮廓图展现了整个场景的大致形态，场景中包含的山体、轨道、地面等，如图10所示。转辙机视角图展示了ZYJ7型转辙机主机3D模型静态基本结构，如图11所示。全局界面场景图展示了当用鼠标、键盘在场景中操作时用户看到的界面，如图12所示。
3.3 实时通信
初始状态下，2D站场图中的道岔处在定位状态，观察3D场景中转辙机从定位到反位的动作过程，最后保持在反位状态。转辙机处于定位状态，如图13所示；转辙机经转换，状态变至反位，红色圆圈部分位置发生了改变，如图14所示。
4 结束语
本文设计并实现了转辙机操作平台中对转辙机内部结构仿真、场景漫游等多个功能，达到预期设计目的，满足教学实践需求。目前，该平台已在西南交通大学实验室投入使用，获得较好效果。此外，平台预留了设备接口，后期可以添加更多信号设备，也可以根据CAD图纸自动生成站场，将工程设计与3D场景结合，实现具有设计、预览、故障检修及培训功能的一体化平台。
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[1] 张思杨,杨 扬,窦 磊. CTCS-3级列控仿真实验系统—轨旁仿真子系统的设计与实现 [J]. 铁路计算机应用,2020,29(3):55-59. [2] 黄 龙. 通用性城轨计算机联锁仿真平台的设计与开发 [J]. 铁路计算机应用,2018,27(9):57-62. DOI: 10.3969/j.issn.1005-8451.2018.09.013 [3] UnityTechnologies. Unity 5. X 从入门到精通[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2016. [4] 陈凡栋. 基于VRML的虚拟校园的设计与实现[D]. 苏州: 苏州大学, 2008. [5] 张立亭,周世健,陈竹安,等. 基于3DS MAX 的城市小区3维图的制作 [J]. 测绘学院学报,2004,21(2):124-127. [6] 方小峰. 基于虚拟现实的城市规划3D仿真设计系统 [J]. 计算机仿真,2007,24(3):230-234. DOI: 10.3969/j.issn.1006-9348.2007.03.061 [7] 李 杨,郁 宇. 虚拟现实在学校建设中的应用 [J]. 黑龙江工程学院学报,2007,21(2):24-27. DOI: 10.3969/j.issn.1671-4679.2007.02.008 [8] 张 卫,向 遥. 虚拟全景在建筑教学中的应用研究与实现 [J]. 高等建筑教育,2005,14(2):96-98. [9] 杨 刚. 3D场景虚拟漫游系统的设计与实现 [J]. 重庆理工大学学报,2012,26(4):99-103. -
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