收稿日期：2023-07-07

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.04.026

摘? 要：基于車輛基地Bentley BIM數(shù)據(jù)，采取虛幻4引擎（UE4）進(jìn)行開(kāi)發(fā)，構(gòu)建了車輛基地建筑、結(jié)構(gòu)、城軌車輛、管線以及相關(guān)設(shè)備的VR仿真場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了VR場(chǎng)景中的沉浸式交互、設(shè)備操作模擬及設(shè)備信息可視化查詢等功能。該系統(tǒng)使用頭戴式顯示設(shè)備及zSpace作為交互外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了沉浸式可交互的可視化仿真。結(jié)合武漢軌道交通野芷湖車輛基地，開(kāi)發(fā)了沉浸式VR交互展示及檢修系統(tǒng)，對(duì)VR技術(shù)在車輛基地檢修模擬仿真及應(yīng)用有著重要的促進(jìn)作用與參考意義。

關(guān)鍵詞：VR系統(tǒng)；城市軌道交通；車輛檢修基地；傾斜攝影；沉浸式交互仿真

中圖分類號(hào)：TP315；TP391.9；U239.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2024）04-0121-07

Maintenance Simulation and Application of Urban Rail Transit Vehicle Base Based on VR

XIE Qin

（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan? 430063， China）

Abstract： Based on Bentley BIM data from the vehicle base， the Unreal Engine 4 （UE4） is used for development， and a VR simulation scene of the vehicle base building， structure， urban rail vehicles， pipelines and related equipment is constructed. The immersive interaction， equipment operation simulation， and equipment information visualization query and other functions in the VR scene are achieved. The system uses head mounted display devices and zSpace as interactive peripherals to achieve immersive and interactive visualization simulation. An immersive VR interactive display and maintenance system has been developed in conjunction with Wuhan Rail Transit Yezhihu vehicle base， which has important promoting effect and reference significance for the simulation and application of VR technology in vehicle base maintenance.

Keywords： VR system; urban rail transit; vehicle maintenance base; oblique photography; immersive and interactive simulation

0? 引? 言

自20世紀(jì)60年代北京開(kāi)始修建地鐵以來(lái)，經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的努力，我國(guó)城市軌道交通的建設(shè)成就斐然[1，2]。城市軌道交通配套系統(tǒng)，指的是包括運(yùn)行車輛段、培訓(xùn)中心、物資總庫(kù)及綜合維修中心四大基本部分，以及必要的辦公設(shè)施和生活設(shè)施，是當(dāng)前保障列車安全行駛、提升列車品質(zhì)及其系統(tǒng)維護(hù)與保養(yǎng)的重要基地[3]。

虛擬現(xiàn)實(shí)，即VR（Virtual Reality），通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，并輔之以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)（Computer

graphics technology）、仿真技術(shù)（Emulation technique）、

人機(jī)交互技術(shù)（Human-Computer Interaction Techniques）等多學(xué)科交叉的新興技術(shù)[4，5]。它是伴隨人類探索、認(rèn)知自然的過(guò)程中創(chuàng)造性產(chǎn)生并逐漸形成，以此來(lái)更好地學(xué)習(xí)、利用、適應(yīng)自然的方法和科技[6]。

在軌道交通領(lǐng)域，叢叢等人基于Unity3D游戲開(kāi)發(fā)引擎、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)資源管理技術(shù)開(kāi)發(fā)了城市軌道交通行車作業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，搭建了集教學(xué)、多崗位協(xié)同訓(xùn)練、全場(chǎng)景漫游和自動(dòng)考評(píng)為一體的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)[7]?？椎慢埖热私⒘嘶谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合仿真平臺(tái)，通過(guò)Unity3D實(shí)現(xiàn)地鐵信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)作原理以及裝配順序的三維建模，并模擬地鐵列車運(yùn)行駕駛模式[8]。倪晨杰等人基于3Ds Max和Unity3D建立三維虛擬列車故障訓(xùn)練平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行狀況的故障模擬演練[9]。

可以發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域已形成了初步的應(yīng)用和發(fā)展，在軌道交通車輛基地仿真模擬和培訓(xùn)中尚未進(jìn)行系統(tǒng)性的應(yīng)用。

本文通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)建立一個(gè)高逼真度的檢修工藝虛擬仿真環(huán)境，利用人機(jī)交互及動(dòng)作捕捉技術(shù)來(lái)演示車輛設(shè)備檢測(cè)修理過(guò)程中的主要步驟及內(nèi)容，通過(guò)將檢修的語(yǔ)音、標(biāo)注、文檔、圖片等信息集成以實(shí)現(xiàn)對(duì)于檢修內(nèi)容更加直觀全面的展示，使檢修人員可以直觀地了解和確定檢修工序，熟悉檢修操作方法，并能對(duì)人員操作進(jìn)行監(jiān)控評(píng)價(jià)。

1? 車輛基地模擬仿真設(shè)備及軟件

1.1? 虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵設(shè)備

隨著對(duì)車輛基地虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的深入研究，多層次、多功能的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)關(guān)鍵設(shè)備，為車輛基地的檢修、培訓(xùn)等提供硬件基礎(chǔ)，對(duì)城市軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)、培訓(xùn)具有極其重要的作用。本系統(tǒng)中，針對(duì)場(chǎng)景展示需求，選取攜帶方便、對(duì)場(chǎng)地要求低的頭戴式顯示設(shè)備。針對(duì)認(rèn)知培訓(xùn)，選取開(kāi)發(fā)難度較低、交互效果好的zSpace桌面式VR顯示一體機(jī)。

頭戴式顯示器，即頭顯。通過(guò)各種頭顯，向眼睛發(fā)送光學(xué)信號(hào)。其原理在于采用精密光學(xué)透鏡及相應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)放大微小顯示屏上的內(nèi)容，并將其投射到觀察者的視網(wǎng)膜，使其眼中可觀察到大屏幕的顯示內(nèi)容，其過(guò)程類似與于拿放大鏡來(lái)放大物體使其呈現(xiàn)出虛擬的放大物像。與之對(duì)比，zSpace平臺(tái)是一款基于3D虛擬呈現(xiàn)和交互的桌面式產(chǎn)品，由包括可追蹤位置的3D顯示屏、圖像工作站、光筆及可佩戴的立體眼鏡等組成。該平臺(tái)通過(guò)跟蹤監(jiān)視使用者的頭部及手部動(dòng)作，并及時(shí)調(diào)整其能看到的3D圖像，在此過(guò)程中用戶可使用光筆對(duì)數(shù)字化的模型進(jìn)行操作和維護(hù)等過(guò)程的模擬、訓(xùn)練及學(xué)習(xí)。

1.2? 引擎開(kāi)發(fā)平臺(tái)

UE4引擎具有的強(qiáng)大圖像能力以及真實(shí)的交互效果，在開(kāi)發(fā)PC端的具備較大的優(yōu)勢(shì)。本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用圖像渲染能力較為突出的UE4引擎。在虛擬顯示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，UE4引擎作為渲染及功能開(kāi)發(fā)工具主要涉及藍(lán)圖、材質(zhì)、粒子系統(tǒng)、UMG等相關(guān)技術(shù)。

1.2.1? 藍(lán)圖與C++

UE4引擎平臺(tái)中的藍(lán)圖（Blueprint），其本質(zhì)是一種可視化的腳本系統(tǒng)，通過(guò)連線把藍(lán)圖中的變量、節(jié)點(diǎn)、函數(shù)及事件等按一定的邏輯關(guān)系集合在一起即可實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的功能。當(dāng)前藍(lán)圖類型主要有兩種：Class Blueprints（類藍(lán)圖）和Level Blueprints（關(guān)卡藍(lán)圖）。此外，還可采用C++來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，其中藍(lán)圖與C++的關(guān)系如圖1所示。藍(lán)圖的優(yōu)勢(shì)在于快速迭代，該功能對(duì)于快速原型設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)單事件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)較為方便，相較之下，C++優(yōu)勢(shì)在于玩法復(fù)雜且耗費(fèi)CPU性能較多的算法。

圖1? 藍(lán)圖與C++之間的關(guān)系

1.2.2? 材質(zhì)系統(tǒng)

UE4引擎中的材質(zhì)均基于物理渲染（Physically Based Rendering， PBR），通過(guò)將生動(dòng)的光照/陰影模型與相應(yīng)的材質(zhì)參數(shù)值相結(jié)合來(lái)準(zhǔn)確地展示當(dāng)前真實(shí)世界的材料。材質(zhì)系統(tǒng)主要有五部分組成，即材質(zhì)表達(dá)式、材質(zhì)屬性、材質(zhì)輸入、網(wǎng)格及紋理貼圖，如圖2所示。

圖2? 基于物理渲染的材質(zhì)系統(tǒng)

1.2.3? 粒子系統(tǒng)

UE4引擎粒子系統(tǒng)采用的是模塊化設(shè)計(jì)，其中單一模塊展示粒子行為的一個(gè)特定方面，并為其提供相關(guān)的屬性參數(shù)，如生成的顏色、位置、移動(dòng)及縮放行為等。在粒子系統(tǒng)中，通過(guò)添加或者刪除相應(yīng)的模塊可更細(xì)致全面定義粒子的整體行為。當(dāng)前UE4引擎共支持5種粒子生成器，其分別對(duì)應(yīng)不同的特效，比如火花狀粒子常用來(lái)表示火焰效果，精靈粒子則用來(lái)表示雨雪效果，波狀粒子可用于展示閃電效果，尾跡粒子則可用來(lái)呈現(xiàn)流星劃過(guò)效果。

1.2.4? UMG

UMG，即核心部件為控件的虛幻動(dòng)態(tài)圖形UI設(shè)計(jì)器，用于創(chuàng)作想要呈現(xiàn)給用戶的UI元素，通過(guò)一系列提前制作的功能來(lái)定義界面（如進(jìn)度條、按鈕、滑塊及復(fù)選框等功能）。通過(guò)在特定的控件藍(lán)圖中調(diào)整其核心控件，并采用圖形選項(xiàng)卡和設(shè)計(jì)器選項(xiàng)卡來(lái)進(jìn)行構(gòu)建。其中圖形選項(xiàng)卡用于調(diào)用控件時(shí)展示的功能，設(shè)計(jì)器選項(xiàng)卡則用于實(shí)現(xiàn)界面的整體視覺(jué)布局。

2? 車輛基地虛擬場(chǎng)景構(gòu)建

2.1? 三維模型構(gòu)建及優(yōu)化技術(shù)

系統(tǒng)的三維模型基于表面模型構(gòu)建，即采用面片拼接的方法來(lái)表示模型，具有完全不含有模型內(nèi)部的信息的特點(diǎn)，如圖3所示。同時(shí)，相較于體素模型、點(diǎn)云模型，表面模型的數(shù)據(jù)量最小，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，內(nèi)存占用小，在后期渲染時(shí)較為方便。同時(shí)，在保證模型有較高仿真度的前提下，采用三角形網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法，基于頂點(diǎn)刪除法、三角形刪除法、邊折疊法、頂點(diǎn)聚類等以實(shí)現(xiàn)對(duì)所建模型的優(yōu)化。

（a）體素模型? ? ? ? （b）點(diǎn)云模型? ? （c）表面模型

圖3? 三維幾何模型表示方式的比較

2.2? 基于BIM軟件的快速化模型構(gòu)建

通過(guò)調(diào)用BIM模型庫(kù)中的各類模型至VR系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)車輛基地全專業(yè)的快速化模型構(gòu)建，有效解決車輛基地建模數(shù)量大、周期長(zhǎng)的問(wèn)題。

2.2.1? 基于BIM軟件的VR模型庫(kù)系統(tǒng)

BIM模型庫(kù)包含了眾多專業(yè)的模型，支持模型的生成、存儲(chǔ)、查詢、調(diào)用和維護(hù)。通過(guò)VR系統(tǒng)可以直接調(diào)用模型，減小建模工作量，提高建模效率。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)各城市軌道交通車輛基地進(jìn)行考察，收集相關(guān)資料，參照《建筑工程設(shè)計(jì)信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行編碼分類，以便后續(xù)調(diào)用相應(yīng)模型，如表1所示。

此外，系統(tǒng)還開(kāi)發(fā)六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)，分別為建筑結(jié)構(gòu)模型庫(kù)、城軌車輛模型庫(kù)、檢修庫(kù)房模型庫(kù)、管線綜合模型庫(kù)、場(chǎng)景設(shè)計(jì)模型庫(kù)以及檢修設(shè)備模型庫(kù)，如圖4所示。整個(gè)模型庫(kù)中的模型總數(shù)多達(dá)上萬(wàn)種，足以滿足車輛基地的設(shè)計(jì)需求。此外，模型庫(kù)支持模型的動(dòng)態(tài)變更和擴(kuò)充，方便工作人員對(duì)模型進(jìn)行修改和完善。

2.2.2? 基于BIM軟件的VR模型構(gòu)建

在模型庫(kù)建成的基礎(chǔ)上，將模型加入至自定義用戶對(duì)象，通過(guò)對(duì)模型的格式轉(zhuǎn)換及復(fù)合單元封裝將模型添加至模型庫(kù)中，即可用命令方式直接調(diào)用模型。為方便使用，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)對(duì)操作工具欄和調(diào)用窗口進(jìn)行定制，并且將調(diào)用命令全部進(jìn)行圖形化，如圖所示5所示。同時(shí)，選取模型后可直接放置，并可顯示模型編號(hào)等信息。

將BIM軟件的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行處理轉(zhuǎn)成VR數(shù)據(jù)引擎識(shí)別的內(nèi)容，通過(guò)調(diào)用BIM模型庫(kù)中的模型即可快速搭建所需模型。搭建出的模型不僅數(shù)據(jù)完備、精確度高，并且有強(qiáng)大的直觀性和體驗(yàn)性。BIM系統(tǒng)和VR應(yīng)用的集成關(guān)系如圖6所示。

（a）模型庫(kù)造作工具欄? ? （b）模型調(diào)用窗口

（c）模型庫(kù)圖形化窗口

圖5? 模型調(diào)用示意圖

圖6? BIM軟件與VR模型庫(kù)系統(tǒng)

2.3? 基于傾斜攝影的快速化場(chǎng)景創(chuàng)建

2.3.1? 車輛基地傾斜攝影概述

基于傾斜攝影技術(shù)快速建模，可以生成與車輛基地現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的相匹配的三維場(chǎng)景模型，相比傳統(tǒng)建模顯著地縮短了建模周期，同時(shí)增強(qiáng)了車輛基地周邊大環(huán)境的三維模型還原能力。通過(guò)利用無(wú)人機(jī)對(duì)車輛基地場(chǎng)景進(jìn)行遍歷掃描，獲得帶有地形信息的車輛基地傾斜攝影圖像，對(duì)多視角影像進(jìn)行融合優(yōu)化處理，最后生成具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的三維模型。同時(shí)，采用傾斜攝影技術(shù)對(duì)車輛基地大場(chǎng)景掃描，可彌補(bǔ)單獨(dú)通過(guò)航空或者地面方式獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行建模造成的模型細(xì)節(jié)缺失問(wèn)題。

圖7為利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)武漢市某車輛基地進(jìn)行三維實(shí)景建模的步驟圖，傾斜攝影實(shí)景建模可以進(jìn)行車輛基地?cái)?shù)字化場(chǎng)景建模，在有效還原車輛基地場(chǎng)景地面地貌的同時(shí)，大幅縮短建模周期，極大提高建模效率，并且能夠?qū)崟r(shí)更新現(xiàn)狀，對(duì)工程全生命周期管理提供直觀概覽。

圖7? 基于傾斜技術(shù)的三維實(shí)景建模的步驟圖

2.3.2? 傾斜攝影關(guān)鍵技術(shù)研究

2.3.2.1? 基于傾斜攝影的快速化場(chǎng)景創(chuàng)建

基于傾斜攝影與3Ds Max插件開(kāi)發(fā)技術(shù)的快速建模技術(shù)路線如圖8所示。首先將獲取的影像進(jìn)行空中三角量測(cè)并獲得高精度的外方位元素；其次3Ds Max插件根據(jù)提供的外方位元素和共線方程實(shí)現(xiàn)基于傾斜影像的建筑物多片立體量測(cè)并將測(cè)得的數(shù)據(jù)輸入3Ds Max平臺(tái)生成三維模型；然后根據(jù)三維信息提取模型每個(gè)而在影像上相應(yīng)的最佳紋理信息，并實(shí)現(xiàn)紋理自動(dòng)映射；最后輸出三維模型。

2.3.2.2? 傾斜攝影優(yōu)化

對(duì)于部分區(qū)域的模型存在畸變，可對(duì)基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)所生成的初始三維模型進(jìn)行優(yōu)化，具體包括：

1）幾何修復(fù)優(yōu)化，通過(guò)對(duì)修補(bǔ)模型中的破洞，包括凸包抹平并還原、刪除飛面等碎部。

2）細(xì)部整飾優(yōu)化，對(duì)重要的標(biāo)志物采取三維模型整飾或替換。

3）紋理修補(bǔ)優(yōu)化，采用替換和修補(bǔ)等操作對(duì)于不均勻和清晰度不足的紋理優(yōu)化。其中無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量模型的二次處理技術(shù)路線如圖9所示。

2.4? 虛擬現(xiàn)實(shí)模型輕量化與精細(xì)化結(jié)合技術(shù)

鑒于當(dāng)前列車及其關(guān)鍵部件模型可能存在空洞，模型數(shù)據(jù)量大以及相關(guān)計(jì)算量大等問(wèn)題，車輛基地虛擬現(xiàn)實(shí)模型基于不同細(xì)節(jié)層次技術(shù)（LOD技術(shù)），采用“二次誤差度量”算法（Quadric Error Metrics， QEM），也就是基于“二次誤差度量”的簡(jiǎn)化算法并以邊折疊為基礎(chǔ)，將點(diǎn)到三角網(wǎng)格平面距離的平方引為誤差度量，且系統(tǒng)采取雙向鏈表來(lái)記錄該過(guò)程中的簡(jiǎn)化序列，即可獲取實(shí)時(shí)的相應(yīng)連續(xù)細(xì)節(jié)層次模型。其方案整體流程為模型讀取——模型修復(fù)——模型簡(jiǎn)化，該方案在模型簡(jiǎn)化之前加入模型修復(fù)程序作為簡(jiǎn)化的前置程序。表2為優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖9? 采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量模型的二次處理步驟

表2? 轉(zhuǎn)向架模型優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比

簡(jiǎn)化率/ % 三角形邊數(shù) 頂點(diǎn)數(shù) 頂點(diǎn)保留

百分比/ % 模型大小/KB

未簡(jiǎn)化 74 118 36 900 0 2 807

20 60 088 29 889 81.00 2 262

420 43 810 21 790 59.05 1 630

50 35 230 17 650 49.23 1 304

60 28 496 14 297 39.52 1 043

3? 車輛基地沉浸式VR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

3.1? 沉浸式VR展示系統(tǒng)

3.1.1? 仿真場(chǎng)景構(gòu)建

1）構(gòu)建三維模型。車輛基地VR仿真模型的構(gòu)建主要包括：首先在Bentley軟件中創(chuàng)建三維模型并將其導(dǎo)入到3Ds Max；其次采用3Ds Max軟件優(yōu)化BIM模型，主要包括減面及重構(gòu)等；再次為保證后續(xù)材質(zhì)系統(tǒng)及光照系統(tǒng)的正常運(yùn)行，展開(kāi)模型UVW并創(chuàng)建2套UVW；最后將上述模型導(dǎo)入U(xiǎn)E4，完成車輛基地三維模型的構(gòu)建。

2）基于物理渲染。基于物理渲染即基于物體的基本屬性和光照信息來(lái)進(jìn)行著色計(jì)算，實(shí)現(xiàn)物體對(duì)環(huán)境光線的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)反應(yīng)。其中關(guān)鍵點(diǎn)——物體的光照模型采用微表面的雙向反射分布函數(shù)所得，光照模型可模擬環(huán)境光線在其表面的漫反射和高光反射，并遵守能量守恒定律即Helmholtz倒易率，從而保證了車輛基地VR仿真場(chǎng)景的沉浸感與真實(shí)度。

3）碰撞檢測(cè)。當(dāng)前碰撞檢測(cè)的方法很多，本系統(tǒng)采用的碰撞檢測(cè)是基于空間碰撞檢測(cè)算法構(gòu)建[10，11]，其核心技術(shù)為層次包圍盒技術(shù)以及射線檢測(cè)技術(shù)[12]。在VR系統(tǒng)中，碰撞檢測(cè)技術(shù)可及時(shí)有效地克服交互過(guò)程中穿入設(shè)備及建筑物等模型的問(wèn)題，從而保證VR仿真模型的真實(shí)性、合理性及自然性等。

3.1.2? 基于VR的BIM數(shù)據(jù)查詢

1）BIM信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造?；贐entley BIM平臺(tái)，通過(guò)將工程各個(gè)生命周期階段中對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵信息提取至Excel，中，在此基礎(chǔ)上于一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造系統(tǒng)設(shè)備的關(guān)鍵信息，其中信息的存儲(chǔ)格式如表3所示。

表3? 設(shè)備的關(guān)鍵屬性數(shù)據(jù)格式

屬性 屬性名稱 數(shù)據(jù)類型 備注

1 設(shè)備名稱 String 儲(chǔ)存設(shè)計(jì)參數(shù)

2 設(shè)備編號(hào) String

3 幾何尺寸

4 設(shè)計(jì)廠商 String

5 供貨廠家 String

6 狀態(tài)信息 Int[] 存儲(chǔ)BIM階段信息

2）數(shù)據(jù)讀取與顯示?；谏鲜鯞IM平臺(tái)提取的Excel數(shù)據(jù)，即可得到對(duì)應(yīng)的逗號(hào)分隔符數(shù)據(jù)（.csv數(shù)據(jù)）。在UE4引擎系統(tǒng)中，為了在系統(tǒng)中存儲(chǔ)相應(yīng)的BIM信息，可結(jié)合表中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，最后通過(guò)DataTable將逗號(hào)分隔符數(shù)據(jù)加載至系統(tǒng)中。

3.2? 沉浸式VR交互系統(tǒng)

本VR系統(tǒng)的總體框架可分為真實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景兩部分，其中虛擬場(chǎng)景主要由幾何模型構(gòu)建、運(yùn)動(dòng)控制、虛擬場(chǎng)景顯示及碰撞檢測(cè)技術(shù)等模塊組成。系統(tǒng)的功能模塊如圖10所示，在真實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景間存在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K和數(shù)據(jù)采集模塊。

圖10? 沉浸式VR交互系統(tǒng)功能模塊圖

在虛實(shí)交互系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)時(shí)采集貼有標(biāo)記點(diǎn)的人物的關(guān)鍵關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)與虛擬人物的骨骼進(jìn)行匹配，即可對(duì)虛擬人物模型的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制。同時(shí)，為了讓使用者有更好的體驗(yàn)感，還需對(duì)人與純虛模型進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)以檢查是否發(fā)生碰撞，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到碰撞時(shí)，虛擬的人物模型可根據(jù)人體數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)。其中虛擬交互系統(tǒng)的整體工作流程如圖11所示。

圖11? 沉浸式VR交互系統(tǒng)流程圖

4? 應(yīng)用實(shí)例

利用前述方法，以武漢軌道交通7號(hào)線一期工程野芷湖車輛基地為基礎(chǔ)，建立了沉浸式VR展示系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)可以直接查看車輛基地室內(nèi)及室外場(chǎng)景，對(duì)各專業(yè)的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行直觀查看，如圖12所示。

圖12? 室內(nèi)外場(chǎng)景查看

檢修工藝的仿真是檢修基地全方案設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)的檢修工藝模擬仿真技術(shù)可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的檢修工藝路線、布局規(guī)劃、工藝節(jié)拍等條件，全方位仿真工藝檢修過(guò)程。系統(tǒng)對(duì)檢修效率進(jìn)行數(shù)字化評(píng)估的同時(shí)，通過(guò)檢修過(guò)程的分毫畢現(xiàn)，展示每一個(gè)檢修工位的生產(chǎn)情況，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)檢修線的漫游、瀏覽。當(dāng)出現(xiàn)檢修工藝不合理時(shí)，視圖中立即高亮顯示。在城市軌道交通列車架車檢修工藝仿真中，用戶從庫(kù)房端門進(jìn)入車輛基地檢修庫(kù)，模擬工人實(shí)際行走路線如圖12所示。地上的連續(xù)箭頭引導(dǎo)體驗(yàn)用戶到達(dá)操作工位，庫(kù)內(nèi)牽引車、叉車等設(shè)備僅作機(jī)械模擬，用以輔助理解工藝布局。

5? 結(jié)? 論

本文描述了一種基于VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的車輛基地可視化交互仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Bentley BIM和UE4引擎及PBR、碰撞檢測(cè)技術(shù)、沉浸式交互、三維場(chǎng)景建模等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了VR仿真模擬場(chǎng)景中的沉浸式交互、可視化設(shè)計(jì)、檢修模擬、操作培訓(xùn)及設(shè)備信息可視化查詢等功能，并通過(guò)工程實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。其研究成果如下：

1）研究了基于BIM軟件的快速化模型構(gòu)建技術(shù)，建立了基于BIM軟件的模型庫(kù)，通過(guò)直接調(diào)用和參數(shù)化生成標(biāo)準(zhǔn)模型；利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)現(xiàn)車輛基地場(chǎng)景模型快速構(gòu)建。通過(guò)“三維建模+傾斜攝影”的方式建立車輛基地虛擬場(chǎng)景模型，并通過(guò)連續(xù)細(xì)節(jié)層次技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型的修復(fù)和優(yōu)化；最后通過(guò)對(duì)數(shù)字化工業(yè)模型進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化和輕量化轉(zhuǎn)換，成功得到車輛基地可視化模型。

2）通過(guò)綜合比選，結(jié)合軌道交通車輛基地特點(diǎn)，合理確定了車輛基地虛擬仿真模擬仿真硬件設(shè)備—zSpace桌面式一體化顯示平臺(tái)與頭戴式虛擬顯示設(shè)備，以及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)—UE4引擎，為車輛基地沉浸式VR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供軟、硬件基礎(chǔ)。

與此同時(shí)，基于VR技術(shù)在的車輛基地檢修模擬應(yīng)用中尚處于初步階段，對(duì)未來(lái)VR仿真的進(jìn)一步應(yīng)用作兩個(gè)展望：

1）進(jìn)一步擴(kuò)大虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用面，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于車輛檢修過(guò)程以及配合施工方面。

2）隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，將MR（混合現(xiàn)實(shí)）/AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）等技術(shù)推廣并應(yīng)用于城市軌道交通車輛基地運(yùn)營(yíng)和檢修中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫久文，張翱，周正祥.城市軌道交通促進(jìn)城市化進(jìn)程研究 [J].中國(guó)軟科學(xué)，2020（6）：96-111.

[2] 王福文，馮愛(ài)軍.2022年我國(guó)城市軌道交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與發(fā)展分析 [J].隧道建設(shè)：中英文，2023，43（3）：521-528.

[3] 石鵬鵬，王亞麗，金健，等.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行車輛基地設(shè)計(jì) [J].城市軌道交通研究，2023，26（6）：206-209.

[4] 詹平，梅糧飛，詹天楊，等.基于VR的抽水蓄能電站廠房可視化交互仿真及應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2019，52（5）：391-398.

[5] 郝孜奇，張文勝.基于Unity3D的鐵路實(shí)訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā) [J].計(jì)算機(jī)仿真，2020，37（6）：99-103+241.

[6] 伍朝輝，郭瑜，王輝，等.虛擬現(xiàn)實(shí)交通運(yùn)輸應(yīng)用研究綜述 [J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2016，28（10）：2289-2297+2303.

[7] 叢叢，李俊輝，秦凱.城市軌道交通行車作業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [J].城市軌道交通研究，2020，23（8）：44-49.

[8] 孔德龍，胡萬(wàn)欣.基于Unity3D的地鐵信號(hào)設(shè)備綜合仿真平臺(tái)研究 [J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（9）：106-110.

[9] 倪晨杰，郎誠(chéng)廉.三維虛擬列車的建模及在故障訓(xùn)練中的應(yīng)用與研究 [J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2016，25（7）：4-7.

[10] 閆俊伢，裴婭男，姚宏，等.虛擬現(xiàn)實(shí)中基于果蠅優(yōu)化算法的碰撞檢測(cè) [J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，47（1）：74-80.

[11] 夏襄宸，肖志懷，劉少華，等.抽蓄機(jī)組數(shù)字化檢修管理研究與應(yīng)用 [J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2022（3）：232-238.

[12] 李星，傅妍芳，王亮，等.基于射線檢測(cè)的動(dòng)態(tài)碰撞優(yōu)化算法 [J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2019，31（11）：2393-2401.

作者簡(jiǎn)介：謝欽（1993—），男，漢族，四川南充人，工程師，碩士研究生，主要研究方向：軌道交通機(jī)車車輛研究。