基于虚拟现实的列车电气仿真系统设计与开发

高家涛 方宇 胡定玉 宋小广 丁亚琦

摘 要：地铁列车电气系统的维保工作日益显要，亟需开发出高效、实用性强的列车电气仿真系统。针对列车电气仿真的难题，设计一套基于虚拟现实技术的列车电气仿真系统。首先利用Creo软件，建立地铁列车模型;然后，利用3DMAX软件制作动画，演示列车电气系统的工作原理和动作过程;最后，利用unity 3D软件，建立人机交互机制，实现现场感和真实感。此系统实现了对地铁列车电气系统的知识学习、学员考核、原理展示以及故障检修等功能，弥补了现有列车电气系统的不足。

关键词：虚拟现实;地铁列车;电气系统;模拟仿真

文章编号：2095-2163（2019）04-0154-05 中图分类号：TP391.9 文献标志码：A

0 引 言

轨道交通以承载客流量大、速度快、安全性高等优势，成为各大城市缓解交通出行压力问题的良好方案，而且其发展正逐渐由建设期过渡为运维期，检修与维护的重要性日趋凸显。同时，列车电气系统相关的检修以及维护也显得尤为重要，因其能否安全稳定运行将直接关系到整个地铁列车系统的运行质量与水平。现代化多媒体高端技术的不断涌现给电路系统仿真提供了便利。

现有地铁列车电气系统的学习和展示方式有2种。对此可做探讨表述如下。

（1）是电气系统二维电路图，这样的电路图，无论是基于纸质版、还是基于电子版，都是一种死板复杂的方式，仅能看到密密麻麻的直线和各种元器件的电路符号，是一种较为原始的电气系统表现方式，无法直观地表现出电路布线和元器件在列车上的具体位置，对电气系统电路展示和列车维保人员电气系统检修的培训都十分不便。

（2）是基于计算机的二维电气系统仿真软件，这是一种较为先进的电气系统展示方式，可以灵活地展示电流走向，但是这种二维电气系统仿真软件，没有空间即视感，在二维观念下无法与现实地铁列车电气系统相匹配。现有电气系统展示形式存在诸多弊端，也已然难以满足地铁公司的员工培训和电气故障检修的配合工作。

目前，国内外对列车电气系统的虚拟现实仿真的研究较少，大多都是对其运行特性进行数据形式的仿真，例如，中国中车中央研究院的王晗教授，针对高速列车的电气系统的运行特性，搭建了一套综合仿真平台[1]，但未涉及电气系统电气线路排布和电流走向等仿真。本文将运用虚拟现实技术，以电气系统在真实地铁列车的排布以及工作原理和动作过程为依据，进行模拟仿真，设计一套基于虚拟现实的列车电气仿真系统。本系统真实模拟地铁列车，将电气系统排布在列车车体内，增强立体感，方便学员学习和观察，了解电路在车体内的排布位置，也方便电气系统排故参考和指导。

1 虚拟现实

1.1 虚拟现实技术简介

虚拟现实技术（Virtual Reality），简称VR 技术，主要是借助于计算机生成三维虚拟空间，对现实环境进行模拟，通过多种信息的融合与交互，达到对听觉、视觉以及触觉等多方面感官的模拟，产生一种身临其境之感[2]。借助于数字头盔、数字手套等多种数字化设备，使模拟环境更为逼真地贴近现实，从而获得更好的人机交互体验[3]。

1.2 虚拟现实技术特性及优势

虚拟现实技术有三大特性，对其阐述如下。

（1）沉浸感。利用场景和情节设定等，结合人类的感官特点，构造一个逼真的虚拟环境，使人沉浸其中，获得身临其境的感觉。

（2）交互性。虚拟环境里物体会与用户的肢体活动产生互动，使用户和虚拟世界之间建立起有趣的联系，实现更为直接有效的人机交互作用。

（3）构想性。在有限的空间内营造丰富的真实化场景，筹建一个充满想象的空间，用户能够在系统配置的定性和定量的环境下进行合理性的发掘，提升科学认识，拓展思维想象[4]。

虚拟现实技术最大的优势就是逼真地模拟真实场景，突破时空限制，以沉浸感增强信息的传播效率，以交互性调动用户的积极性，以构想性增加用户的趣味性[3]。虚拟现实技术有效地解决了很多不便于现场实施的难题，广泛应用于航空航天、医学研究、珍贵文物展示等领域。

2 列车电气仿真系统架构

列车电气仿真系统主要目的是供客户、学员等人群来浏览和考察列车的电气系统，以及学习和研究列車电气系统的工作原理和动作过程，另外，还将涉及对列车电器系统的故障模拟和检修等。基于此，研究得到的本电气系统功能架构如图1所示。由图1可知，对该系统功能架构可做阐释解析如下。

（1）展示功能：可以向观众展示列车电气系统的工作原理和动作过程，可以自由选择展示的分支系统，灵活切换全景展示和部分展示，方便观众察看细节。

（2）学习功能：学员可以自由学习电路工作原理和结构构造等相关知识，进行虚拟演示。根据自身学习情况切换成自己在理解和掌握上仍显薄弱的分支系统，不受无关电路系统的干扰。

（3）培训功能：可以借助该系统对新增学员进行培训，打破时空的限制，远离检修现场，通过模拟现实故障检测与维修训练等，在虚拟训练中使学员轻松掌握基础的检修技术。

（4）考核功能：在虚拟电气系统中，随意设置故障点、故障模式等，要求找出故障点和故障原因，并排除故障，进行故障检修考核。学员可以随时开启自我考察，检验自己的学习效果，对学习内容进行巩固和消化。

（5）检修功能：可以对现场的检修方案和检修计划进行推演验证，配合现场的故障检修。

为实现这些功能，该系统中进一步设置了控制命令，详见如下。

（1）系统分支选择（系统全示）命令：选择目标分支系统，将目标分支独立出来（全景显示整体列车/电气系统）。

（2）消隐（显示）命令：把目标以外的东西消隐（显示），方便看清楚存有疑惑目标的结构、动态关系等信息。

（3）冻结（解冻）命令：表示所选部位故障（正常），无法正常工作（能够正常工作）。