基于Unity3D的钢轨折断紧急处理虚拟仿真软件开发及教学探索

武伟刚 董浩 王瑞龙 童川

［摘           要］  无缝线路提高了线路的强度与稳定性，但也造成低温季节钢轨折断的病害发生。钢轨折断处理存在潜在危险性、突发性，对现场操作人员应急处理水平要求较高，在教学过程中很难进行现场实训操作。因此，基于3DMAX软件和Unity3D平台建立典型工机具三维仿真模型库，将行业相关思政元素设置于搭建的铁路线路设备及结构场景中，开发了钢轨折断紧急处理虚拟仿真软件。通过实训教学探索，学生能在安全的环境中进行病害认知和处理操作，实现课岗对接，降低学习难度，有助于铁路线路相关专业课程的教学，有利于相关学习者的能力培养。

［关    键   词］  钢轨折断紧急处理；虚拟仿真；教学探索

［中图分类号］  G712                   ［文献标志码］  A                 ［文章编号］  2096-0603（2023）18-0177-04

2018年，教育部发布的《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》提出，国家虚拟仿真实验教学项目是推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。2020年，教育部发布的《关于职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设工作的通知》提到，建设职业教育虚拟仿真实训基地是有效弥补教育实训中看不到、进不去、成本高、危险性大等特殊困难的重要措施。实训教学的目的是为学生创造一种科学探索和实践的真实环境，引导学生将理论知识与铁路现场实践相结合，提升学生的动手操作能力，提高学生的专业素养与职业精神[1]。但传统的实训教学由于自身特点及其存在的一些问题，限制了实训教学的实际效果。虚拟仿真技术能够对数据实现可视化和多维度的表达，通过建立模型模拟真实环境，为学习者提供多种交互方式，目前技术已日臻完善，并在不同领域得到了不同程度的应用[2]。

铁路线路轨道具有延展长度长、承受上部列车荷载大、暴露在野外环境等不利因素，易使既有铁路线路轨道空间几何形位劣化，造成铁路线路设备功能和耐久性降低，不利于列车运行的安全性、舒适性、稳定性，钢轨是铁路轨道的组成部分，直接承受列车车轮荷载。我国铁路广泛应用无缝线路，无缝线路是由多根标准长度的钢轨焊接而成的不小于500米的长钢轨线路，由于消灭了钢轨接头，钢轨折断是无缝线路在温度低的季节的主要病害之一，直接危及行车安全。在教学过程中无缝线路部分知识和技能是铁道工程技术专业铁路线路检修与管理、工务实训课程的重点内容，也是铁路线路工等相关人员培训学习的重点内容，但轨道交通运输部门出于安全生产和交通正常运行的考虑，通常能为职业院校提供实践教学的机会较少，而钢轨折断处理实训学生操作难度较大且存在安全隐患，难以模拟真实复杂的作业环境。因此，众多学校并未开展相应的实训，授课教师采用图片观察、视频展示的方式进行教学，学生理解较困难甚至会出现互相混淆。

针对上述问题，基于3DMAX软件和Unity3D平台，本文以钢轨折断病害处理为例，设计了一个能够强化学生学习钢轨折断病害处理流程的交互操作的虚拟仿真教學软件，模拟真实作业环境，并通过问卷调查法对应用后学生的学习体验进行了调查评价。

一、虚拟系统开发工具选取

3DMAX是Discreet公司开发的基于PC系统的3D建模渲染和制作软件，具有丰富的建模工具和UV贴图调节功能，操作性强、制作模型逼真、质感表现真实，且价格低廉，方便易学。Unity3D是由Unity Technologies公司开发的一个多平台的综合型游戏开发工具，具有层级式综合开发环境、可视化编辑、编辑器友好、兼容性好、入门简单、用户体验好等特点。因此，本例选用Unity3D 作为虚拟系统开发工具，实现3DMAX实物模型在三维模拟环境下进行相关交互动作。

二、钢轨折断紧急处理虚拟仿真软件开发过程

（一）虚拟仿真开发内容选取

无缝线路维修作业主要有无缝线路应力放散、钢轨折断处理、钢轨胀轨跑道及其他病害维修，如图1关系结构图。其中，铁路运营维护部门实际在钢轨折断紧急处理的过程中往往时间紧迫且具有危险性，与专业课程中的简化描述或教学视频有偏差，在一定程度上造成职工实际现场病害处理与学生学校学习的情况相脱节，且学生对学习叙述形式的课堂教学内容有排斥情绪，授课内容不受重视，难以消化，因此选取钢轨折断紧急处理过程作为典型工作任务，开发虚拟仿真实训软件，后续在此基础上扩充钢轨折断临时处理及永久处理工作任务。

（二）虚拟仿真脚本设计

脚本在虚拟仿真实验设计中起到提纲挈领的作用，是虚拟仿真实验的设计依据[3]。通过铁路运营维护企业实际作业跟岗调研，依据《铁路技术管理规程》（简称《技规》）、《普速铁路线路修理规则》（简称《修规》）及《普速铁路工务安全规则》（简称《安规》）的要求，对钢轨折断紧急处理进行理论知识梳理，归纳出实训教学让学生掌握紧急处理过程中的发现病害、设置防护、病害处理、撤除防护、线路开通及后续等主要工作流程，学习各流程的相关原理及操作方法，熟悉铁路线路的工作环境，为对接工作岗位奠定基础。

在脚本设计时，考虑到在故事情景中进行学习，情景设计要结合真实作业情景，将实训过程中可能面临的问题完全展示出来，故事情景设计要符合学生的客观认知规律，故事情节要承载对应知识，将知识还原到真实情景中供学生探索学习。因此，脚本中详细要求了模型的种类数量、制作尺寸及精度、工作场景还原度、交互解说词、交互动作等功能[4]。

（三）虚拟仿真结构设计

图2为结构设计图，考虑到部分学生学习时对于线路工机具不熟悉的情况，因此增加病害认知和工机具的认知模块，利用程序设计触碰或拿起工具后语音讲解该工具的功能和用途。学习时为了真实感受现场作业的紧急性和危险性，通过企业实地调研，虚拟真实线路工区现场站房及值班室，模拟户外线路环境，同时融入“人民铁路为人民”的企业文化和线路工作业规范等课程思政元素，构建沉浸式的教学环境，再将钢轨折断紧急处理作业包括的施工防护设置及轨道电路的恢复，断缝的量取及标记，鼓包夹板及无孔夹具安装病害处理等复杂作业流程真实呈现，能够实现课岗对接，降低学生认知和学习难度。

（四）虚拟仿真开发路线及过程

虚拟仿真开发设计的关键是搭建整个系统的框架，明确开发路线，最后根据脚本內容的设计对每个模块功能进行详细设计。虚拟仿真技术开发路线，如图3，可分解为：脚本及结构设计—三维建模—场景搭建—动作制作—交互设计[3]，其中脚本内容设计贯穿于整个虚拟仿真技术开发过程。

1.三维建模及场景搭建

铁路线路维修工务机具设备比较笨重，有些更新迭代较快，如电动扳手等，相关课程在传统的教学过程中，教师普遍采用教学实物模型进行教学，起到了很好的效果，但是大部分工机具设备笨重不便携带，如内燃机扳手、钢轨矫直器、轨缝调节器等，且操作有危险性等，且学校工机具室工机具设备不齐全。为了确保各3DMAX三维模型的尺寸、比例与实际效果相符，通过企业调研、使用钢轨及轨枕等规范的设计图纸及拍照等方式采集工机具设备尺寸，建立满足虚拟仿真实训需要的模型。采用3DMAX建模过程中，模型面越多越精细，数据量就越大，软件运行速度就会越慢[5]。因此，经过建模优化，减少模型线条及面的数量、长度分段数和宽度分段数，使模型分布均匀[6]。模型外观图片采用 Photoshop制作或网络资源下载，经过处理后，对三维模型进行UV贴图后保存为FBX格式文件，再将该文件导入Unity3D虚拟仿真开发平台中，得到工机具、房屋及场景虚拟仿真模型，如图4工机具室部分设备场景、图5线路维修工区场景、图6值班室场景。

2.钢轨折断紧急处理交互动作实现

钢轨折断紧急处理虚拟仿真引擎的交互场景分为HUD交互场景和实物交互场景，在Unity3D引擎中，通过对帧画面更新（Update，FixedUpdate，LateUpdate）函数的实现来控制画面中各个动态交互场景和物体动画场景展示。

Update函数固定会在帧的更新之前完成执行，在渲染帧之前以及计算动画之前都会调用Update函数。如下面这段代码对物体（Game Object）的位置进行动态改变：

void Update（） {

float distance = speed * Time.deltaTime * Input.GetAxis（"Horizontal"）；

transform.Translate（Vector3.right * distance）；

}

FixedUpdate函数的执行是基于画面渲染帧的，每秒执行的次数=帧数。在每一帧画面到来时对物体进行操作即可达到物体动起来的效果，当物体的运动状态保持连贯后就形成了动画，这对某些低帧率下的函数是有影响的。如下面这段代码对物体的重力进行改变：

void FixedUpdate（） {

Vector3 force = transform.forward * driveForce * Input.GetAxis（"Vertical"）；

rigidbody.AddForce（force）；

}

FixedUpdate和Update最大差别是，Update的执行基于画面的渲染帧率，每次渲染都会执行。而FixedUpdate是基于一个离散的内部时钟以固定的时间执行，它是无关于画面帧率的，不会受到帧率影响的。

LateUpdate总是在Update执行完成之后执行，可以用Update计算完成后的数据进行操作。

如下面这段代码对相机的改变：

void LateUpdate（） {

Camera.main.transform.LookAt（target.transform）；

}

以上三种Update函数控制着渲染之前方方面面的操作，总的来说，FixedUpdate管理物理系统、Update管理帧渲染前的游戏对象属性变化、LateUpdate函数大多用在摄像机的位置变化上。

3.钢轨折断紧急处理漫游实现

头盔具有定位功能且带有3D主动立体眼镜和耳机，运用左右两只交互手柄移动和操作实现漫游功能，即可单手实现笨重的工具机具360°翻转认知学习，各个角度进行病害认知，并用钢直尺量取断缝值并标记在轨面，选择正确工具完成施工防护牌的插设和撤除、三齿耙扒道砟、安装铜短接线、安装鼓包夹板及无孔夹具等工序，提高了学生的学习效率。嵌入现场图片，结合语言提示操作完成铁路线路恢复后的后续工作。

三、钢轨折断紧急处理虚拟仿真软件的应用情况

本虚拟仿真软件利用Unity 3D完成钢轨折断紧急处理程序，完成项目编程、交互建设。2022年，成功申请《钢轨折断紧急处理虚拟仿真教学软件V1.0》软件著作权（登记号为2022SR0847405），并进行教学应用，为我校铁道工务类师生提供了教学服务，经过我校铁道工程技术19T1与铁道施工与养护17A1两个班一个学期的《铁路工务实训》教学实训应用，通过将游戏化学习与任务驱动教学相结合，学生以角色扮演完成教学任务[7]，有效解决了专业课程无缝线路断轨紧急处理实训危险大、成本高、耗时长，以及实验资源匮乏等问题，使学习者在校内实训能够紧密接轨企业线路养护维修作业。

通过设计的用户体验反馈表，从软件易用性、稳定性、内容正确性、学习效果、体验感受及使用建议等方面组织了问卷调查。调查结果总体上，学生反映自身体验效果良好，利用手柄操作容易上手，能够通过软件的操作，置身于线路工区，直观地掌握了钢轨折断紧急处理方法，感受到了线路工岗位作业的艰苦，得到了同学们的认可，同时也建议再扩充供电和电务类专业日常维修工机具的认知。

四、结束语

虚拟仿真教学软件为学生提供真实体验的场景和平台，促进了理论知识和实训的相互结合，虚拟仿真教学通过沉浸式的体验与学习，增加了课堂环境的真实感，提升了学生的课堂参与度，本案例通过虚拟仿真技术开发教学资源，并应用于钢轨折断紧急处理实训教学探索，有以下收获：

1.钢轨折断紧急处理作业包括施工防护设置及轨道电路的恢复，鼓包夹板及无孔夹具安装等作业操作，处理程序复杂且安全注意事项多，实训时模拟复杂作业环境难度大等问题，同时减少实训设备投入及实训材料与能源消耗，实现了实训过程重复与可逆。

2.准确还原工机具设备结构及病害处理流程，实现了循序渐进的学习过程，丰富了教学内容，扩充实训模块，同时专业教师通过开发钢轨折断应急处理教学资源建设，探索虚拟仿真现实交互式教学资源开发路径与方法，为后续增加工电供一体化维修工机具，开发钢轨折断临时处理、永久处理及胶结绝缘接头作业项目奠定基础。

3.应用于教师的课堂教学，能够将现场实际工作机具及设备以生动形象的动画来演示，并且在教师的操作下进行安装演练，做到将各个部件都可以三维旋转的在立体空间中进行展示，从而终止单一的图片及视频展示，降低劳动强度的同时也增强了课堂渲染力，提高了教学效果。

4.应用于学生的课前预习、课堂学习和课后复习，不受时间和地点的约束。在不限次数的参与下，各个知识内容可以动态呈现，让学生在虚拟仿真实训操作和学习过程中实现钢轨折断处理相关理论知识的传递、內化及知识的巩固拓展，调动学生参与学习的积极性和主动性，激发了学生的学习热情和学习潜能，弥补了传统钢轨折断应急处理实训教学的缺陷和不足。

5.通过企业调研设计脚本，紧跟铁路线路轨道维护行业一线需求，保证了课程内容的时效性，可以帮助相关企业员工不脱产学习，同时为同类院校同类专业实训课程中带有安全隐患及学校实训场地无法开展实训的作业项目提供教学资源。

参考文献：

［1］张建武，孔红菊.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用［J］.电化教育研究，2010（4）：109-112.

［2］周丹.中国VR技术发展现状、应用前景与对策研究［J］.电脑知识与技术，2018，14（20）：254-256.

［3］闫莎莎，秦忠诚，刘进晓，等.基于Unity3D的综采工艺虚拟仿真实验教学探索［J］.实验技术与管理，2020，37（8）：137-140.

［4］王娟，陈瑶.资源建设新形态：虚拟仿真资源的内涵与设计框架［J］.中国电化教育，2016（12）：91-96.

［5］张养安，李俊锋，杨爱玲，等.基于3DMAX的虚拟现实三维建筑模型建模技术初探［J］.测绘与空间地理信息，2015，38（10）：151-153，157.

［6］王文润，王阳萍，雍玖.基于Unity3d的铁路信号设备虚拟现实系统研究［J］.铁道标准设计，2016，60（8）：144-147.

［7］张天娇，乜勇，万文静.虚拟仿真教学资源的开发及其在职业教育中的应用研究［J］.中国教育信息化，2021（22）：49-53.

◎编辑 鲁翠红