基于Unity3D的列车调试学习系统设计与实现

邢月华

中车唐山机车车辆有限公司

摘要：针对传统情景性，交互性不强的问题，提出列车调试学习系统。论文以Unity3D为开发平台，Creo、3Dsmax为辅助工具，结合公司结构化文件，搭建列车调试工作三维场景。系统搭建过程中实现了碰撞测试、曲线路径、粒子系统、射线检测、timeline、基于UGUI的UI制作等技术，采用C#语言实现各模块间的交互，创建了一个集专业性、沉浸感、趣味性于一体的列车调试学习系统。实践结果表明，该学习系统极大的提高了学习人员的积极主动性。

关键字：Unity3D；列车调试；三维建模，运动仿真

1. 引言

列车调试工作往往具有车辆部件复杂性和故障触发随机性等特点。常用的二维表达式所表达的轨道车辆形态可视性差，缺乏立体感，难以向非专业技术人员展示，在企业宣传和汇报方面存在一定的弊端。

三维建模软件Creo 是基于特征的实体模型化系统，用户可根据特征生成或修改模型，对三维实体造型的建模与设计带来便利。但Creo软件的运动仿真分析能力较弱，而且其材质渲染功能较弱。3Dsmax是一款大型的三维动画制作软件，具有建模、灯光、材质渲染、动画等功能，被广泛应用于影视特效、室内展示、机械动画制作等领域。但3Dsmax在场景动画的复杂逻辑处理上较难实现^[1]。

针对以上两点不足，本设计基于Unity3D三维制作引擎平台，以Creo、3Dsmax和Photoshop等软件为辅助工具，搭建城轨车调试培训教学场景。该系统实现了包括碰撞测试、曲线路径、粒子系统、射线检测、timeline、基于UGUI的UI制作等技术，采用C#语言实现各模块之间的功能交互，创建了一个集专业性、沉浸感、交互性和趣味性等特点的虚拟学习系统。

2. 系统总体架构模型

根据列车电气调试需求，通过三维数字化技术，实现对电气关键系统的工作原理、调试流程的展示。该系统开发主要分为四个阶段：第一阶段是结构化文件解析形成需求文件；第二阶段是根据需求文件从creo导出相关模型，并在3Dsmax轻量化、贴图、渲染、制作部件间的动画；第三阶段是在Unity3D中搭建场景和模块之间交互功能的实现^[3]。其流程图如图1所示。

图1 系统搭建流程图

3. 需求文件解析

根据系统的实际需求解析电气动作试验、火灾报警试验、安全环试验和主电路试验文件，确定需要的模型和素材，梳理控制链路文件。

4. 三维建模

车辆所有部件的几何建模在Creo中完成，主要建模部件包括整车模型，以及关键部件模型，如火警探头、主机、控制器、显示屏、受电弓、主断路器、司机台手柄和按钮、客室司机室电气柜等。

5. Unity仿真

为了完成三维模型的立体展示，需将上述模型转成第三方插件认可的FBX格式，避免转换过程中可能丢失某些信息。

1. 1. 静态仿真模型

静态仿真模型指无需动画的模型，包括车间场景、城轨车内饰外饰模型，车间工人等。

1. 2. 动态仿真模型

动态仿真模型指通过控制链路或者逻辑驱动带有动画的模型，如火警控制器、火警主机、人机交互显示屏、受电弓、车门等。

通过编写多个C#脚本与摄像机和车辆关键部件建立连接，当使用人员点击UGUI的相关按钮后，即运行该学习系统。

以火警系统为例，其执行逻辑流程图如图5所示。

图5 火警系统执行逻辑流程图

}

1. 3. UGUI用户界面

用户界面是任何系统都必不可少的一部分，好的 UI 设计应该能贯穿整个产品开发流程，而非单纯的图形界面设计，并且可以将系统功能逻辑分散化，不用关注跳转和显示关闭等细节问题，更好地展示系统本身的功能效果^[2] 。 轨道列车调试工作学习系统的界面设计采用的UGUI提 供 的 界 面 工 具 来 完 成 UI 界 面 的 制 作 。它将各个功能都封装成了脚本，并且将常用的一些组 件做成了预设物，可以在编辑状态下来任意调整位置及大小，还可以添加一些 UI 特效。在本系统中，利用UGUI插件制作了系统菜单栏、按钮、工具箱、答题面板等界面。同时 UGUI 的 Anchor 能够使各个 UI 元素具有屏幕自适应功能，使系统能够适应不同分辨率的屏幕。

6. 结束语

本文对基于Unity3D的列车调试学习系统进行了详细研究，文中重点讨论了虚拟学习系统的设计过程，包括结构化文件解析、三维建模和Unity3D仿真，并以火警系统为例，展示了其控制逻辑的执行流程。该学习系统不仅全方位展示了轨道列车的三维模型，还为学习人员提供了良好的交互操作环境，为实车调试提供了必要的技术支撑^[4]。本系统的开发将会为其他领域的虚拟培训以及虚拟现实项目的开发提供一定的参考价值，同时具备推广应用价值。

参考文献

[1] 黄青青，杨天鸿，于庆磊，张鹏海，刘洪磊．基于Unity3D平台的露天铁矿三维可视化及云端数据传输研究[J]．金属矿山，2019，(4)：138-141．

[2] 林海燕，廖一鹏．基于Unity3D的体感游戏设计与视角互补滤波优化[J]．宁夏大学学报， 2021(6)：122-127．

[3] 闫兴亚，魏梦婕，王馨梅．基于Unity3D的丝绸之路虚拟学习系统设计与实现[J].计算机与数字工程， 2020(2)：317-320．

[4] 夏磊凯，高华，汪成成，缪 晗．基于 3Dmax 和 Skyline 三维数字校园

精建模技术研究[J]．测绘与空间地理信息，2020，6)：138-140．

作者简介：邢月华，女，1987年，硕士研究生，工程师，主要从事列车智能化技术的研究。联系电话：[phone]。