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轨道交通电气系统虚拟仿真实训平台建设方案-地铁列车电气虚拟仿真系统开发

发布时间:2023-08-29

编辑人:灵图互动

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轨道交通列车电气虚拟仿真实训平台充分利用三维建模技术与虚拟仿真技术,对真实轨道交通的电气系统进行模拟仿真,让学员在高度仿真的虚拟环境中高效、无风险地完成对地铁列车电气系统的知识学习、原理展示、故障检修以及学员考核等教学任务。从而在不影响实际列车运行的情况下学习和实践操作技能,弥补了现有列车电气系统教学的不足。

轨道交通列车电气虚拟仿真实训平台

1. 轨道交通列车电气系统虚拟仿真实训平台功能

1.1 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。

1.2 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。

1.3 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。

1.4 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。

1.5 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。

轨道交通列车电气系统虚拟仿真实训平台功能

2. 轨道交通列车电气虚拟仿真实训平台建设内容

轨道交通列车电气系统主要由受电弓升降系统、牵引制动系统、车门系统等15个系统分支组成,且单个分支系统独立显示,使学习者能够专注于单个系统的学习和理解。

轨道交通列车电气虚拟仿真实训平台主要由基础学习和检修考核两大模块组成。其中,基础学习模块主要是对列车电气系统的基础知识学习和电路工作原理以及动作过程的操控演示。在操控演示中,学习者既可以全景整体浏览,也可以局部系统展示,既可以静态宏观了解,也可以动态演示体会。这种方式可以帮助学习者更好地理解和掌握各个系统的功能和工作原理。检修考核模块就是对电路故障检修和学员能力的考核。这个模块能够模拟电路故障,训练员工故障检修的能力,以及配合现场的检修工作,进行排故演练。此外,这个模块可以指导检修人员快速找出故障点排除故障,并能考核学员的专业技能。这种方式可以帮助学习者在虚拟环境中实践和磨练他们的技能,然后再应用到实际的工作环境中。

2.1 知识学习

2.1.1 基础学习

在列车电气仿真系统场景内设置了一块显示屏,将列车电气系统相关的基础知识保存在系统后台的数据库里,经过程序控制,使场景内的显示器与数据库的这部分内容相关联,通过显示基础知识内容,学员就可以根据显示器上的内容以及辅助的列车模型来学习并掌握电气系统的基础知识。

2.1.2 操控仿真

进入操控仿真平台之后,即可以操作展示列车电气系统,可以选择车体消隐或者显示,也可以使车体变成透明。同时还可以根据个人需要选择电气系统全示或者选择分支系统、静态电路或者动态电路,点击动作触点,进行动画演示。

2.2 检修考核

2.2.1 故障检修

故障检修模块设有排故训练模式、检修方案验证模式两种。进入这一模块之后可以先设置操作模式。排故训练模式是学员自我训练的模式,学员自由设置故障模式、故障点、故障分支系统,对自己所学技能进行巩固训练和自我检测;检修方案验证模式是列车电气系统故障检修单位用来对自己的检修方案进行推理验证的模式,在正式投入实际检修之前用此对检修方案予以推理演示,找出不足和隐患,完善检修方案,消除隐藏意外的可能。

2.2.2 能力考核

能力考核模块是管理员对学员检修技能的考核模式,可以由考官自由设置故障模式、故障点、故障分支系统(学员所用系统无此权限),考核学员对故障检修技术的掌握情况;面对不同学习阶段的学员,考官可以有针对性地设置考核的难易程度。

轨道交通列车电气虚拟仿真实训平台建设内容

3. 轨道交通列车电气虚拟仿真系统开发

轨道交通列车电气虚拟仿真系统开发首先涉及前期的三维建模和动画制作,通过软件如Creo和3DMAX精细构建列车模型并展示电气系统工作过程。然后,在后期,通过Unity3D实现场景交互,并配合后台数据库进行数据管理和操作反馈。最后,形成了一套完整的轨道交通列车电气虚拟仿真系统,实现了知识学习、操作模拟和技能考核等功能。

3.1 三维建模

三维建模是虚拟现实技术的基础,要想构建场景,必须要在三维模型的基础上渲染优化。首先测量一些关键的真实数据,然后采用建模软件,建立地铁列车三维模型。根据研究内容的主次顺序,对不同的部位建模采取不同建模精度的处理方法,本课题主要针对列车电气系统,所以对列车电气系统和有关的动作元素建模精确度较高,而对一些非必要元素建模精度较低,例如,对受电弓、电气柜、电磁阀、继电器等部位精细建模,对转向架、车门等部位粗略建模。为了方便导入3DMAX软件中制作动画,将模型保存成stp格式。

3.2 动画制作

为了配合虚拟场景交互,系统中包含了受电弓升起、降落,列车停车、启动等大量的动画。以列车受电弓的升降为例,司机按下控制按钮后电路开始流通,从蓄电池流出的电流经过导线、各种元器件流到受电弓升降电机,最后受电弓升起、降落。在3DMAX软件中,将这整个过程中的零部件动作动画开发出来,导出成Unity软件使用的FBX格式,应用到场景交互。

3.3 数据库以及系统界面开发

列车电气仿真系统的正常运行离不开后台数据库的支撑。利用SQLServer软件,建立后台数据库,将列车电气系统的有关知识、列车电气系统基础题等资料保存于数据库。

系统界面开发过程是通过Unity3D软件NGUI插件的开发环境将系统的模型和后臺数据库以及操作交互功能等加以集成综合的过程,用C#语言建立系统主界面,并建立与后台数据库的联系。系统登录界面和操作模块界面如图6所示。

3.4 场景交互和漫游

场景交互和漫游技术是本系统的核心,使用Unity3D作为系统的开发引擎,拥有更强大的光影效果。系统的场景展示需要人为控制,使用时需要配套的虚拟头盔和操作手柄。戴上虚拟头盔之后,视野里呈现出虚拟的地铁列车车体,通过操作手柄,控制场景里的各种事物,进行人机交互操作,比如车体消隐、电流动态显示、场景漫游等。研究内容具体如下。

3.4.1 车体虚化消隐

为了方便用户更详细地看清电气系统的布置和结构,将车体虚化消隐,即展现出地铁列车电气系统。使用UI插件设置一个button按钮,点击则会将选中的物体虚化消隐。在车体虚化消隐的状态下,根据需要切换电气分支系统,独立显示单个电气系统,更加简洁明了。车体虚化消隐后的受电弓升降电路分支如图7所示。

3.4.2 电流动态显示

电气系统故障检修和电气系统工作原理展示都需要体现电流流向,在Unity里以电路为操作对象,使用C#语言编程制作脚本,控制电流走向,使电路逐渐变成红色,表示电流流向,电流流动效果如图8所示。

3.4.3 场景漫游

场景漫游是虚拟系统中必不可少的功能,用户可以模拟现实动作,进入到列车车体内部,详细观看列车电气系统的线路和元器件的排布。编写脚本加载到摄像机上,设置操控手柄键为场景旋转键,上、下、左、右键分别代表向上、向下、向左、向右移动,操作方式简单方便,可以使用户在虚拟场景中进行自由漫游。

轨道交通列车电气系统虚拟仿真实训平台真实还原列车电气系统结构,逼真地模拟了电气系统的工作原理。通过展示各类元器件和演示电气系统动作过程,实现了列车电气系统从二维平面图到三维立体图的转化。同时,系统还增加了对新进学员的培训和考核、以及列车电气系统检修模块,使本系统实用性更强,功能更强大,便于学员学习和观察,进而提升培训效率。

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