基于BIM模型的牵引变电所设备业务培训系统研究

常盛杰

（沈阳铁道勘察设计院有限公司 建筑及电气化设计所，辽宁沈阳 110012）

近年来，随着我国高速铁路运营里程的不断增加和技术标准的不断提升，对牵引供电系统运行的稳定性、可靠性提出了更高要求［1］。牵引变电所是牵引供电系统的心脏，对牵引供电系统运行的稳定性、可靠性起着举足轻重的作用［2］，需要牵引变电所运维人员掌握更扎实的业务知识和更熟练的操作技能。受牵引变电所设备价格昂贵、高压设备危险性高、一级负荷供电可靠性要求高等限制，运维人员通过实践操作进行业务能力提升的空间有限，培训成为提高其业务能力的主要手段。目前，各铁路局集团公司的相关培训以视频教学、资料学习、现场参观为主，其直观性、可操作性、系统性均较差，成本高，缺乏针对性，成为阻碍运维人员提升业务能力的重要因素。随着计算机技术和计算机图形学的快速发展，虚拟仿真培训系统的开发在很大程度上解决了上述培训形式的缺陷，使培训水平迈上一个新台阶。

2013年，铁路BIM联盟的成立推动BIM技术进入我国铁路建设项目，BIM技术在铁路行业全生命周期的应用成为未来发展趋势［3］。BIM模型集成了牵引变电所设备准确、完整的几何与非几何信息，为培训系统的实现提供了准确、可靠的信息支撑。因此，应用BIM模型实现虚拟仿真培训系统，可减少既有培训系统构建时所需完成的建模和信息采集等工作量，大大提高了效率。然而，BIM建模软件只能满足最基本的三维可视化表达功能，实现业务培训系统还需要在BIM模型基础上引入其他软件平台。

Unity3D是美国Unity Technologies公司开发的一款专业游戏引擎［4］，其内置NVIDIA PhysX物理引擎和优化的图形渲染管道可轻松构建逼真的牵引变电所现场环境，而强大的计算机程序编译能力将有力保障各人机交互功能的实现［5］。另外，Unity3D能够良好地支持各主流3D模型文件［6］，兼容由BIM模型导出的3D模型文件。因此，以牵引变电所全所Revit模型为基础，以Unity3D为系统实现平台，对基于BIM模型的牵引变电所设备业务培训系统（简称培训系统）进行设计与实现。

1 实现流程

在培训系统的实现中，Revit支持将BIM模型导出为FBX文件，以便对模型进一步处理并实现更逼真的可视化功能。但是，由Revit导出的BIM模型面数过多，如直接导入Unity会占用较多的系统资源；Revit应用矢量贴图对设备材质进行表达，存在贴图不够真实的问题。因此，需应用3ds MAX对导出的BIM模型进一步处理。

在完成模型优化及粗模构建后，将模型导出，再导入Unity3D进行场景构建，并对培训系统各功能进行实现。培训系统实现流程示意见图1。

图1 培训系统实现流程示意图

2 模型处理

根据培训系统实现流程，将由Revit导出的BIM模型导入3ds MAX进行模型优化、贴图和烘焙。

模型优化的主要内容为：删除模型中不可见的面、重合的面及无关联的线，使模型在保证不变形的前提下占用内存最少［7］。

完成模型优化后，对模型进行贴图与烘焙，并最终导出为Unity3D支持的FBX文件。需要说明的是，由于3ds MAX与Unity3D这2个软件的长度单位计量标准不一致，导致由3ds MAX导出的模型再导入Unity3D时发生模型“缩放”。因此，需将3ds MAX中系统单位设置为“厘米（cm）”。

在完成模型优化、贴图、烘焙并导出后，将模型导入Unity3D建立场景，为培训系统各功能的实现奠定基础。在导入过程中，将贴图文件与FBX文件放置于同一路径下，并整体导入Unity3D，避免导入后丢失材质信息。

3 关键技术实现

3.1 UI界面功能

Unity3D内置强大的GUI界面编辑功能，满足培训系统对UI界面的功能需求。培训系统拟采用GUI界面编辑功能完成界面设计，对系统各项功能进行触发实现。UI界面需提供界面显隐、视图切换、隐蔽工程查看、设备快速定位等功能的控制按键。对于界面显隐功能的控制与实现，可应用Toggle转换键进行控制，并触发相关代码进行实现。其关键代码如下：

其他功能控制按键与对应功能的挂接由Unity3D提供的On Click（）模块完成。当用户按下某功能控制按键时，系统将触发执行该按键On Click（）模块中所指定实体内的指定函数。用户只需于该模块中对所需控制的实体和所需执行的函数进行设置。按键触发命令界面见图2，最终的系统UI界面见图3。

图2 按键触发命令界面

图3 系统UI界面

3.2 三维场景漫游功能

三维场景漫游是培训系统的一项重要功能，用户可快速了解牵引变电设备和变电所全所空间布局（见图4）。该功能的实现共有3个关键步骤：

（1）建立完整、真实的三维场景，导入带有动画的角色模型，完成对角色的控制代码［8］；

（2）Unity3D内置ThirdPersonCharacter包，直接导入场景并完成相关设置，即可实现三维场景漫游功能［9］；

（3）通过键盘“↑”“↓”“←”“→”键控制角色移动，通过鼠标滚轮进行视角缩放，通过鼠标右键控制视角旋转。

图4 三维场景漫游

除三维场景漫游功能外，系统还可提供特定视角对牵引变电所进行查看（见图5），其实现方式为：在场景特定位置放置相机，当需要以某一特定视角进行查看时，用户可通过UI界面视图一栏对主相机进行切换。其关键代码如下：

3.3 设备定位功能

培训系统支持对设备进行快速查找与定位，用户可更加快捷、方便地定位到指定设备并执行相关操作。通过点击对应的设备按键，确定所需定位的设备，并调整角色与相机到被查找设备处。其关键代码如下：

培训系统采用以下2种方式对设备进行检索：

（1）分类查找。将设备分为一次设备、二次设备和其他设备，当用户勾选对应类别的Toggle转换键时，UI界面会显示该类别所对应的设备按键，点击对应的设备按键触发设备定位功能；

（2）按名称搜索。以设备名称为关键字对设备进行检索，当用户开始检索时，UI界面会显示含有该关键字的设备所对应的设备按键，点击对应的设备按键触发设备定位功能。

3.4 隐蔽工程查看功能

图5 特定视角查看

牵引变电所设备集中、隐蔽工程多，快速、直观、准确地了解牵引变电所内隐蔽工程的布置情况，对于运维人员了解牵引变电所整体布局、提升业务能力具有重要意义。牵引变电所内隐蔽工程分为接地网、电缆沟槽、回流、防雷、油池等5类，培训系统可提供查看功能，直观查看所内隐蔽工程的位置和结构。

对于隐蔽工程查看功能的实现，系统应用Toggle转换键控制隐蔽工程查看功能的开启与关闭，当勾选该按键时，系统对地面进行半透明化处理，并对所内各隐蔽工程构件的颜色进行适当修改，以实现隐蔽工程的突出显示，进而实现对所内隐蔽工程的直观、准确查看（见图6）。

图6 隐蔽工程查看

3.5 设备拆装功能

牵引变电设备内部结构复杂，对设备进行分解查看，用户可充分了解牵引变电设备的组成和结构。培训系统提供对牵引变电所一次设备进行分解查看的功能，用户可直观、准确地查看一次设备的拆解状态与装配状态，全面了解设备的组成和结构。

Unity3D提供以下2个动画系统实现场景交互功能［10］：

（1）animator。以图形化状态机的形式对动画状态的转换进行描述与控制；

（2）animation。对每个状态下的动画内容进行描述。

对于设备拆装功能的实现，系统首先在animation中构建设备拆装动画（见图7），然后在animator中定义设备的拆解、安装共2个状态，并定义变量condition以标记状态机的当前状态（见图8）。

图7 设备拆解动画

图8 设备拆装状态机

系统通过更改变量condition的数值完成状态切换，通过点击UI界面相应的按键触发程序运行。其关键代码如下：

设备拆装最终效果见图9。

图9 设备拆装最终效果

4 结束语

从牵引变电所运维人员培训业务出发，基于牵引变电所BIM模型搭建牵引变电所设备业务培训系统。利用3ds MAX对导出的BIM模型进行优化、贴图和烘焙，利用Unity3D完成培训系统场景搭建，并基于场景完成系统各功能的实现。培训系统基于BIM模型构建场景，数据准确可靠；通过3ds MAX进行模型优化，使场景更真实，易于现场操作人员接受；由Unity3D实现的各项功能为现场操作人员提供形式多样的展现方式，表达更加直观易懂。该培训系统数据准确、形式多样，可有效提升培训质量与效率，具有较好的推广价值。另外，本系统的设计与实现方式也为BIM技术的应用提供了新的思路。