基于虚拟仿真的铁路信号设备教学平台开发

基于虚拟仿真的铁路信号设备教学平台开发作者：张天龙朱梓欣黄锦微
来源：《现代信息科技》2020年第16期
摘要：針对现存铁路信号设备结构复杂、无法进行现场演示、对现场工作人员水平要求较高等问题，使用虚拟仿真软件Unity3D和3ds Max建立铁路信号设备综合仿真平台，实现信
号设备模型建立、虚拟仿真场景的搭建、动画演示模拟等功能。

利用该仿真平台，可以使学生对铁路信号设备机械结构、动作原理、拆装顺序和场景布置顺序有更深的了解，可以有助于铁路信号基础设备等相关教学，有利于相关专业学生的培养与相关工作人员的安全检修。

关键词：虚拟仿真;铁路信号设备;实验教学;Unity3D
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）16-0067-05
Development of Railway Signal Equipment Teaching Platform
Based on Virtual Simulation Technology
ZHANG Tianlong，ZHU Zixin，HUANG Jinwei
（Computer Science College，South-central University for Nationalities，Wuhan 430074，China）
Abstract：In view of the complex structure of existing railway signal equipment，the inability to perform on-site demonstrations，and the high level of requirements for on-site staff，this article uses virtual simulation software Unity3D and 3ds Max to establish a comprehensive simulation platform for railway signal equipment to realize the establishment of signal equipment models and virtual simulation scenes，animation demonstration and simulation functions. Using this simulation platform can enable students to have a deeper understanding of the railway signal equipment mechanical structure，operation principle，disassembly and assembly sequence and scene arrangement sequence，which can be helpful for railway signal basic equipment and other related teaching，and it is conducive to the training of related professional students and the safety maintenance of relevant staff.
Keywords：virtual simulation;railway signal equipment;experimental teaching;Unity3D
0 引言
近年来，随着我国经济的快速发展，铁路相关技术的不断革新，运营速度仍在不断提高，对高速铁路运行效率及其可靠性要求也不断提高。

但由于铁路信号设备的不断多样化和环境的复杂性使得其相关机械结构、动作原理、拆装、布置等基础教学成为各单位培训工作的难点;同时铁路信号设备检修也成为相关人员的工作要点[1]。

因此，为提高相关专业学生及工作人员对铁路信号设备的认识，需要制定更高的培训标准，保证信号设备在铁路线路上安全高效运行。

Unity3D是由Unity Technologies开发的一个可以实现实物模型在三维模拟环境下进行相关动作，制作三维动画演示的多平台、综合型虚拟系统开发工具，是一个全面整合的专业游戏引
擎[2]。

本文提出一种基于Unity3D开发的铁路信号设备综合仿真教学平台，不仅构思了铁路信号基础设备三维模拟展示，还利用C#相关算法实现信号机分类展示、转辙机拆装、轨道电路原理展示等动画场景。

平台设置循序渐进的学习过程，使工作人员在初步了解铁路信号设备机械结构与动作原理的基础上，进行转辙机拆装操作、信号机原理演示、轨道电路原理演示等设备三维模拟动画，有助于维护人员进行设备检修。

1 铁路信号设备介绍
1.1 信号机组成及作用
信号机作为铁路信号系统的核心设备，对其显示技术具有严格要求，需显示简单明确，易于辨认，分辨率高，易记忆;其应有足够的显示数目和足够的显示距离;信号机结构要简单灵活、便于操纵，并且符合“故障安全”原则;此外信号显示应具备较强的抗干扰能力[3]。

信号机的机构类型可分为高柱和矮型两类，每一类可分为三显示信号机构，二显示信号机构，一显示信号机构。

LED信号机主要包括如下5种显示颜色作用及含义：
（1）红灯为停车信号。

（2）黄灯作为注意或减速信号。

（3）绿灯为按规定速度运行的信号。

（4）蓝灯作为调车禁止信号使用。

（5）月白灯作为调车容许信号使用。

1.2 转辙机原理及分类
转辙机工作原理主要分为三大过程：解锁、转换、锁闭。

解锁过程三相交流电动机带动齿轮组旋转，传动至摩擦联结器带动滚珠丝杠转动，进而带动丝杠上的螺母水平移动，使操作板通过移动将锁闭块顶入，原表示电路被切断，锁舌缩入解锁动作杆，且外锁闭装置的道岔尖轨被解锁;转换过程操纵板与保持器联动，使动作杆和外锁闭装置进行转换;动作杆移动至终端位置时，使锁闭块伸出，连接新的表示电路，相应锁舌伸出外锁闭装置并且动作杆被锁闭，最终完成完整的轉辙机动作过程[4]。

1.3 轨道电路原理及作用
轨道电路的基本结构由钢轨、钢轨绝缘、轨道连续线、送电端和受电端等组成，如图1所示为轨道电路原理图;轨道电路的工作原理是利用钢轨线路作为导体，两端设置绝缘节，连接
送电和受电设备组成的电路，是铁路信号重要的电气基础设备之一，其正常工作是列车安全和运输效率的有力保障。

轨道电路不仅可以传递行车信息，根据列车的不同位置，有关闭塞分区的轨道电路传输不同的控制信息，实现对追踪列车的控制;还可以监督列车占用，实现钢轨完整性检查。

当轨道电路被占用时或钢轨发生断裂时，使轨道继电器闭合回路断开，实现列车安全控制[5]。

2 平台功能模块设计
与传统虚拟仿真教学平台不同，将动作原理、机械结构三维展示、故障诊断和拆装布置等功能进行综合，并制定一套高效的操作流程，能够增加可操作性与高交互性。

在此基础上，设计包含铁路信号设备机械结构展示、原理展示、信号设备拆卸、信号设备安装和设备布置5大模块，各模块所对应的场景名称，如图2所示。

其中，设备机械结构展示与原理简介作为初始选择界面，用户可以通过此界面选择进入具体型号铁路信号设备;选择具体型号铁路信号设备后，用户可以选择进入相应设备原理展示场景、设备拆卸场景和设备安装场景，完成设备基本原理学习和拆装引导学习。

3 虚拟仿真平台的开发
3.1 信号设备模型的建立
信号设备建模作为整个平台的基础，决定了整个平台使用效果，是关键且十分重要的一步。

在已有建模技术中，常见有平面CAD建模与实物建模两种方式，本文采用3ds Max进行信号设备1：1实物建模。

通常步骤可分为多边形建模、模型展UV、模型贴图与渲染3部分操作，其具体流程及功能为：
（1）多边形建模技术：多边形建模技术是3ds Max多采用的一种建模技术，采用多边形建模首先需要布置模型走线、拉面并进行分离，同时对点、线、面进行优化，删除没有关联的多余点线，减小模型容量，最终装换为FBX格式，等待下一步操作。

（2）模型展UV操作：即UV展开，就是将模型按一定的规律和线路切割开来，并有次序的摆放，使得模型按面展开，为模型贴图与渲染做准备工作，ZD6转辙机展UV效果图如图3所示。

（3）模型贴图渲染操作：在完成模型的建立和UV展开操作后导出FBX文件，在Substance Painter创立新项目后再将FBX文件导入，导入完成后就可以进行对模型的贴图操作。

贴图是通过建立图层和对图层的编辑来实现所需的视觉效果，其中包括金属性、法线贴
图、反光性、颜色、材质、光影效果等。

在完成贴图后就要进行模型的渲染。

在渲染完成后可以得到一组6～7张相应通道的贴图，如图4所示，其分别对应在Unity3D中材质球贴图对应的贴图通道。

最后将这组贴图导出即可。

3.2 虚拟仿真场景的搭建
利用Unity3D搭建虚拟仿真场景，可以使用户直观地学习各种铁路信号设备。

首先，将
3ds Max中模型的FBX文件导入Unity3D中，将模型分别放置在创建好的场景中;接着，本平台通过UI搭建设备选择界面，选择界面包括信号机选择界面、转辙机选择界面和轨道电路选择界面，用户可通过选择界面找到要学习的信号设备;然后在选择界面中创建button，每一个button代表着一个铁路信号设备，利用button的跳转功能，用户点击button即可跳转到相应的铁路信号设备场景，比如信号机的结构展示场景，转辙机的原理展示场景，轨道电路的原理展示场景等;最后，对虚拟仿真场景进行完善。

铁路信号设备种类繁多，作业环境复杂多样，内部结构复杂，各零部件之间的联动导致设备的工作原理难以理解[1]，搭建铁路信号设备虚拟仿真平台可以帮助用户直观高效地认识并学习信号设备知识，既节约了学习成本也提高了学习效率。

虚拟仿真场景搭建流程如图5所示。

3.3 动画效果添加
本平台通过Unity3D中的Animation组件，利用C#语言撰写运行脚本，实现信号设备交互式拆装、信号机电路原理动画演示等动画效果[6]。

3.3.1 交互式拆装的实现
为了让用户对铁路信号设备的结构有直观的、全覆盖的认识和学习，本平台通过添加拆装动画，以交互式的学习方式，来指导用户进行信号机、转辙机和轨道电路的拆装。

利用Highlighting插件给零件添加高亮动画，以指导用户设备拆装的顺序，即零件高亮则表示下一步该拆装此零件。

用户点击高亮的零件，则零件会归至正确的位置;若用户点击未高亮的零件则表示拆装步骤错误，系统会给予提示。

转辙机的安装如图6所示。

由图可知，进行安装时，所有零件会放置在操作台上，用户根据高亮提示进行安装，点击要安装的零部件，该零部件就会回到转辙机中的正确位置。

当进行拆卸时，所有的零部件在设备中，用户根据高亮提示点击要拆卸的零件，零件会被拆卸并放回操作台上。

在拆装的过程中，用户可以转换视角以便更清楚地学习设备的拆装，了解设备的内部结构。

3.3.2 信号机电路原理的展示
信号机的电路原理复杂，点灯过程中需要各种继电器的动作，并且信号机有许多不同类型的灯信号，不同的灯信号对应不同的电路。

本平台通过动画将各种灯信号的内部电路原理直观
地向用户展示，用户按下点灯按钮，则电路图中就会出现相应的电路回路并显示各继电器的状态，电路回路和继电器的状态都是通过动画的形式动态展示，以便让用户非常清楚地学习信号机的电路原理。

信号机电路原理展示图如图7所示。

转辙机工作原理主要分为三大过程：解锁、转换、锁闭。

解锁过程三相交流电动机带动齿轮组旋转，传动至摩擦联结器带动滚珠丝杠转动，进而带动丝杠上的螺母水平移动，使操作板通过移动将锁闭块顶入，原表示电路被切断，锁舌缩入解锁动作杆，且外锁闭装置的道岔尖轨被解锁;转换过程操纵板与保持器联动，使动作杆和外锁闭装置进行转换;动作杆移动至终端位置时，使锁闭块伸出，连接新的表示电路，相应锁舌伸出外锁闭装置并且动作杆被锁闭，最终完成完整的转辙机动作过程[4]。

1.3 轨道电路原理及作用
轨道电路的基本结构由钢轨、钢轨绝缘、轨道连续线、送电端和受电端等组成，如图1所示为轨道电路原理图;轨道电路的工作原理是利用钢轨线路作为导体，两端设置绝缘节，连接送电和受电设备组成的电路，是铁路信号重要的电气基础设备之一，其正常工作是列车安全和运输效率的有力保障。

轨道电路不仅可以传递行车信息，根据列车的不同位置，有关闭塞分区的轨道电路传输不同的控制信息，实现对追踪列车的控制;还可以监督列车占用，实现钢轨完整性检查。

当轨道电路被占用时或钢轨发生断裂时，使轨道继电器闭合回路断开，实现列车安全控制[5]。

2 平台功能模块设计
与传统虚拟仿真教学平台不同，将动作原理、机械结构三维展示、故障诊断和拆装布置等功能进行综合，并制定一套高效的操作流程，能够增加可操作性与高交互性。

在此基础上，设计包含铁路信号设备机械结构展示、原理展示、信号设备拆卸、信号设备安装和设备布置5大模块，各模块所对应的场景名称，如图2所示。

其中，设备机械结构展示与原理简介作为初始选择界面，用户可以通过此界面选择进入具体型号铁路信号设备;选择具体型号铁路信号设备后，用户可以选择进入相应设备原理展示场景、设备拆卸场景和设备安装场景，完成设备基本原理学习和拆装引导学习。

3 虚拟仿真平台的开发
3.1 信号设备模型的建立
信号设备建模作为整个平台的基础，决定了整个平台使用效果，是关键且十分重要的一步。

在已有建模技术中，常见有平面CAD建模与实物建模两种方式，本文采用3ds Max进行信号设备1：1实物建模。

通常步骤可分为多边形建模、模型展UV、模型贴图与渲染3部分操作，其具体流程及功能为：
（1）多边形建模技术：多边形建模技术是3ds Max多采用的一种建模技术，采用多边形建模首先需要布置模型走线、拉面并进行分离，同时对点、线、面进行优化，删除没有关联的多余点线，减小模型容量，最终装换为FBX格式，等待下一步操作。

（2）模型展UV操作：即UV展开，就是将模型按一定的规律和线路切割开来，并有次序的摆放，使得模型按面展开，为模型贴图与渲染做准备工作，ZD6转辙机展UV效果图如图3所示。

（3）模型贴图渲染操作：在完成模型的建立和UV展开操作后导出FBX文件，在Substance Painter创立新项目后再将FBX文件导入，导入完成后就可以进行对模型的贴图操作。

贴图是通过建立图层和对图层的编辑来实现所需的视觉效果，其中包括金属性、法线贴图、反光性、颜色、材质、光影效果等。

在完成贴图后就要进行模型的渲染。

在渲染完成后可以得到一组6～7张相应通道的贴图，如图4所示，其分别对应在Unity3D中材质球贴图对应的贴图通道。

最后将这组贴图导出即可。

3.2 虚拟仿真场景的搭建
利用Unity3D搭建虚拟仿真场景，可以使用户直观地学习各种铁路信号设备。

首先，将
3ds Max中模型的FBX文件导入Unity3D中，将模型分别放置在创建好的场景中;接着，本平台通过UI搭建设备选择界面，选择界面包括信号机选择界面、转辙机选择界面和轨道电路选择界面，用户可通过选择界面找到要学习的信号设备;然后在选择界面中创建button，每一个button代表着一个铁路信号设备，利用button的跳转功能，用户点击button即可跳转到相应的铁路信号设备场景，比如信号机的结构展示场景，转辙机的原理展示场景，轨道电路的原理展示场景等;最后，对虚拟仿真场景进行完善。

铁路信号设备种类繁多，作业环境复杂多样，内部结构复杂，各零部件之间的联动导致设备的工作原理难以理解[1]，搭建铁路信号设备虚拟仿真平台可以帮助用户直观高效地认识并学习信号设备知识，既节约了学习成本也提高了学习效率。

虚拟仿真场景搭建流程如图5所示。

3.3 动画效果添加
本平台通过Unity3D中的Animation组件，利用C#语言撰写运行脚本，实现信号设备交互式拆装、信号机电路原理动画演示等动画效果[6]。

3.3.1 交互式拆装的实现
为了让用户对铁路信号设备的结构有直观的、全覆盖的认识和学习，本平台通过添加拆装动画，以交互式的学习方式，来指导用户进行信号机、转辙机和轨道电路的拆装。

利用Highlighting插件给零件添加高亮动画，以指导用户设备拆装的顺序，即零件高亮则表示下一步该拆装此零件。

用户点击高亮的零件，则零件会归至正确的位置;若用户点击未高亮的零件则表示拆装步骤错误，系统会给予提示。

转辙机的安装如图6所示。

由图可知，进行安装时，所有零件会放置在操作台上，用户根据高亮提示进行安装，点击要安装的零部件，该零部件就会回到转辙机中的正确位置。

当进行拆卸时，所有的零部件在设备中，用户根据高亮提示点击要拆卸的零件，零件会被拆卸并放回操作台上。

在拆装的过程中，用户可以转换视角以便更清楚地学习设备的拆装，了解设备的内部结构。

3.3.2 信号机电路原理的展示
信号机的电路原理复杂，点灯过程中需要各种继电器的动作，并且信号机有许多不同类型的灯信号，不同的灯信号对应不同的电路。

本平台通过动画将各种灯信号的内部电路原理直观地向用户展示，用户按下点灯按钮，则电路图中就会出现相应的电路回路并显示各继电器的状态，电路回路和继电器的状态都是通过动画的形式动态展示，以便让用户非常清楚地学习信号機的电路原理。

信号机电路原理展示图如图7所示。