基于虚拟仿真技术的铁道车辆制动供风系统研发

万凯华 陈强

摘 要：车辆制动装置检修是铁道车辆专业学生的必修课，然而传统课堂讲解的过于抽象，学生无法真正理解其中的含义，该系统以虚拟仿真技术为支撑探索創建线上教学系统，可以让学生可以通过颜色变化掌握车辆正常运行、制动、保压、紧急工作状态下各个模块内空气压力变化，通过系统平台让学生可以真正掌握车辆不同工作状态下的车辆制动供风工作原理。

关键词：制动装置;虚拟仿真;系统研发

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

0 引言

根据国务院印发《国家职业教育改革实施方案》中提到的推动校企全面加强深度合作，打造一批高水平实训基地的指导方针，本着提高学生实践能力，培养学生实际动手能力的目的。通过建立三维立体虚拟环境，将在现实中肉眼看不到的细节以虚拟环境中“视”不可挡的第一视角，来观察学习实际中的各种原理，大大提高了学生对实践的兴致，提高学生对各种制动供风原理的认识和检修方法，使理论知识真正结合到实践中。

1 背景

虚拟仿真技术是一种由计算机和电子技术创造的新技术，可以模拟是一个真实的环境，基于多种传感设备及三维模型，用户可根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作，参与其中的事件，同时提供视、听、触等直观而自然的实时感知，并使参与者“沉浸”于模拟环境。虚拟仿真是近几年十分活跃的技术研究领域，是集传感与测量、仿真技术等一体的人机交互技术，因此它一直是对全新可视化技术需求最为迫切的领域之一，它可以将建筑中的概念及想法通过计算机构造的三维的、逼真的“虚拟环境”真实的表现出来，以全方位的获取环境所蕴含的各种空间信息，以及向使用者提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境，并可在虚拟环境中随意走动，感受带来的体验和撞击，使用户有强烈的沉浸感。

本研究项目是在动车组检修基地（10号楼）VR实训场地基础上，通过利用现有的硬件条件结合自身的专业基础知识，以三维动画及虚拟仿真技术，将铁道车辆制动供风原理以一种更加真实的环境呈现在学生的脑海中，用来解决学生“兴致”问题。将在现实中肉眼看不到的细节以虚拟环境中“视”不可挡的第一视角，来观察学习实际中的各种原理，提高学生对各种制动供风原理的认识和检修方法，使理论知识真正结合到实践中。

2 系统整体设计与开发

本系统是基于3D MAX与UE4/Unity3D进行铁道车辆制动供风系统研发。

模型建立整体步骤：（1）三维模型的建立：按比例绘制制动供风各模块的模型。（2）物理属性的添加：赋予各模块的材质等。（3）外界环境的渲染：车辆工作环境与条件等。（4）贴图处理与后期动画演示：车辆制动供风风原理等。

2.1 三维模型建立

将CAD的DWG工程图纸绘制的二维图形，导入进3DMAX中，然后通过挤出，焊接，倒角等命令，实现二维到三维的转变。制作模型的时候注意以下几个方面：（1）模型面尽量是等边三角形。（2）保持模型面与面之间的距离，不要贴合太近，以免出现闪面的现象。（3）地面和互相遮挡看不见的面一定要删掉。（4）制作过程中，要时刻开启点捕捉，注意二维捕捉和三维捕捉之间的变换，以确保线与线、点与点的无缝衔接;另外尽量用现有的线条来生成制作，避免重描线时捕捉偏差。防止漏缝现象的出现。（5）模型制作完成时群组，XYZ坐标归零，如果有真实坐标，可以偏移至真实位置。（6）在穿黄工程中的管道模型中，采取使用激光扫描的方式，获取现场采集的高精度管道三维点云数据，具有速度快、精度高等特点。输出格式直接与CAD等工具软件接口，导入3DMAX生成隧洞截面图，并进行挤出，生成管道模型。

2.2 材质贴图处理

三维模型建好后，鼠标左键选择菜单渲染，材质编辑器，在打开的材质编辑器窗口上，选择一个材质球体后，单击漫反射。在弹出的漫反射窗口上，鼠标左键单击位图。在图片选择文件窗口上，选择一个材质的图片，这里以金属图片为例。金属材质就赋在材质球体了，鼠标左键单击贴图按钮，这样就可把金属材质贴在三维模型上了。紧接着选中一个新材质球，类型选择VRayMlt。得到一个VRay材质球后，点击漫反射旁边的小方框，找到并点击位图，弹出选择位图对话框，选择我们要贴的图片，点击打开。点将材质指定给选定对象，点视口显示查看效果。点击修改UVW贴图，按图示参数设置好，此时模型贴图便已完成。

贴图是表现物体材质表面纹理，对于虚拟仿真展示尤为关键，利用贴图可以不用增加模型的复杂程度就可突出表现对象细节，并且可以创建反射，折射，凹凸，镂空等多种效果。比基本材质更精细更真实。通过贴图可以增加模型的质感，完善模型的造型，使虚拟仿真场景更接近现实。同时在不影响模型外观的前提下，尽可能小。

通常纹理要到现场，用相机进行拍摄采集，对照片进行PS处理，纠正为正射影像。而有的模型的面比较复杂，所以要求控制很少面但要做出逼真的效果，这就要在贴图材质上下工夫。

在制作一个局部时，这就要考虑到所用的材质在一张贴图上，并进行分配。比如在处理房顶材质时，切换到3DMAX的顶视图把房顶的平面抓下来，在PHOTOSHOP中进行裁剪，把要处理好的照片或者材质，填充到每个视角。把材质赋予上物体后，使用UV贴图及UV展开的功能，需要面进行勾选。

2.3 渲染设置

在快速渲染3dmax效果图之前，我们首先要进行帧缓冲区和全局设置，先是图大小的尺寸设置， 然后对3dmax的反锯齿和GI进行设置，来加快我们3dmax渲染效果图的速度，在此反锯齿的抗锯齿过滤器用的是“四方形”。设置3dmax发光贴图，这里我用了预设中的“中”，再加一点模型细分。 然后调整灯光缓冲的设置来进行3dmax效果图的快速渲染，这里细分值我给了500，当然数值越高图的质量越好。最后我们调整一下rqmc采样面板设置，再直接渲染3dmax效果图。

2.4 蒙皮及后调缩放

选中对应的模型，编辑修改器中添加蒙皮，添加对应骨骼，更改封套范围进行权重设置;在封套属性中设置封套长期显示。先用Box测量身高算出比例;创建一个新的层，在新层中点击蒙皮实用工具中的将蒙皮数据提取到网格;创建一个虚拟体，将要缩放的模型链接到虚拟体上，然后可以整体缩放住模型和配件。Biped模型可以单独调整高度缩放，为缩放后的模型创建蒙皮，并重新绑骨。在场景中选中缩放过的模型和数据模型，点击从网格导入到蒙皮数据，点击按名称匹配，点击确定。

2.5 动作操作

通过向对面镜像粘贴实现镜像复制，然后通过IK添加父层关系;将属性中的位置空间和旋转空间改为世界;使用层功能，进行叠加。如果需要限定范围修改，则应借助捕捉功能，抓取下面层的信息进行锁帧;在混合器中加入动作轨，载入动画片段。利用Biped运动流创建多个剪辑，定义脚本;在多个对象中播放运动流，创建共享该运动流的所有Biped的运动。

2.6 模型导入UE

首先更改3DMAX中的单位设置与坐标系设置，同时对模型进行基本操作，比如材质球贴图命名不能有中文，模型需要xform不能带缩放信息。其次3DMAX导出设置，尤其需要设置Z轴朝上（需要和模型的轴向对应，如果模型Y轴朝上这里导出就需要选择Y周朝上）。最后是FBX导入UE的设置。

3 UE界面制作

首先，在ContentBrowser里右鍵选择生成一个WidgetBlueprint，打开WidgetBlueprint，根据需求选用Image、Text、Progress Bar等等组件设计你的UI画面。UI画面排版好之后，可以按需求设计曲线和帧动画，然后可以选定一个组件，在Details窗口里凡是有Bind的项都可以点开Bind选项编写逻辑，可以根据需要设计编写，然后在Graph页面统一处理UI信息。注意，如果主角或者其他蓝图类需要调用到UI组件或者UI组件里的变量，则需要将组件的Is Variable项勾上，就在Details窗口第一行组件名后面。WidgetBlueprint做好后，选择动态相机添加上UI，先用Create UI Widget生成一个UI组件，然后用Add to Viewport将UI添加到主角的视野里，如果需要隐藏UI，可以直接用Remove from Parent拉出来，等需要显示的时候再直接用 Add to Viewport添加上去。注意，避免重复用Create UI Widget生成组件，以免占用大量内存，生成后可以用Add to Viewport和Remove from Parent控制UI的显示和隐藏。

4 结论

学生将理论知识应用到实际操作中，该系统以虚拟仿真技术为支撑探索创建线上实训教学系统，在进行实地实验课程之前首先在线上对制动供风原理进行预习认识和学习，以三维立体模型的展示加深学生对原理的认知和实操方法的实施，使理论知识更好的对接到实际操作中。

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