高速动车组的九大核心技术包括总成、车体、转向架、牵引传动系统(牵引变流、牵引变压、牵引控制、牵引电机)、列车网络控制和制动系统。而受电弓位于高速动车组车顶，在高速动车组运行时，受电弓升起与接触网接触，从接触网上获取电流，经过车辆上的变压设备处理，传递到车辆的电气系统，它是高速动车组的核心部件，同时，也是高速动车组故障率较高的部件。但传统的检修方式存在检修设备不足、触电危险高等问题。将具备交互性强、感知性强的虚拟现实技术应用于受电弓检修中，可以让培训人员以交互的方式了解产品的结构,直观理解产品的拆装过程, 快速掌握检修技能，既可以降低培训成本,也可以提高培训效率。

高速动车组受电弓维修虚拟仿真训练系统结合现实中的事故案例，利用虚拟现实技术构建一个三维的虚拟检修空间，通过检修事故演示，并利用虚拟现实技术的优点，让使用者具有身临其境的体验，从而起到警示作；同时，系统还可进行模拟演练，通过检修的模拟仿真训练，可使检修工人更加熟练完成检修工作，深入了解操作不规范所带来的危害；最后，在系统中还嵌入了考核模块，以便对检修知识的掌握程度进行检验。

1. 高速动车组受电弓维修虚拟仿真训练系统功能

高速动车组受电弓维修虚拟仿真训练系统主要由检修教学演示模块、模拟演练模块及视频讲解与知识考核模块组成。

1.1 检修教学演示

用户可通过检修教学演示模块观看虚拟人物的检修操作，了解检修事故产生的原因及带来的危害。由于虚拟现实技术仿真性强的优势，高压电触电效果展示可给用户带来视觉冲击，使其能更加深刻地意识到操作不规范所带来的严重后果，从而提升培训效果。

1.2 模拟演练

模拟演练模块可为用户提供操作练习的机会，用户通过设备上的按键与模拟场景进行交互，以第一视角进行控制，模拟视角移动、视角旋转、检修等行为。为使用户能更加深刻地理解检修过程，高速动车组受电弓维修虚拟仿真训练系统会在检修的关键步骤上进行提示，当用户的操作步骤发生错误时，系统也会对操作步骤进行讲解，同时，演示可能发生的检修事故与带来的危害。

高速动车组受电弓维修虚拟仿真训练系统可规范用户检修工作流程，提升用户的检修技能，降低实际检修事故的发生率。

1.3 视频讲解与知识考核

为提高检修知识储备，用户可在视频讲解模块中观看检修事故案例视频，也可通过考核模块对自身学习效果进行定期考核。知识考核模块在数据库中进行题目的随机抽取，对用户的理解程度进行打分并做出是否合格的判断，可巩固用户的检修知识，使用户掌握操作要点及发生事故后的处理方法。

2. 高速动车组受电弓维修虚拟仿真训练系统开发

2.1 三维建模

根据高速动车组受电弓维修虚拟仿真训练系统需要，搜集所需高速动车组模型的尺寸，使用CAD绘制二维图纸，确保图纸与实际模型的尺寸、规格相同，将二维图纸导入到3Ds Max中，进行三维建模。

2.1.1 模型的优化处理

由于高速动车组模型尺寸大、零件数量多，若建模后，将模型直接导入 Unity3D 中将会占用大量内存空间，造成系统卡顿、场景切换慢等。因此，需要对模型进行优化处理。具体操作步骤为：

（1）对模型的顶点进行焊接处理；（2）减少曲面体的曲面分段数；（3）对不影响系统主体的部位进行贴图处理。

2.1.2 模型坐标轴变换

在建模过程中，合理运用模型的坐标轴可更快速地完成建模，同时，增加模型的真实性与准确性。

3Ds Max完成建模后，需将模型导入到 Unity3D中。3Ds Max采用的是右手坐标系（Z 轴向上），而Unity3D 采用的是左手坐标系（Y 轴向上），若直接导入，因坐标轴不匹配，将造成后期脚本编辑出现逻辑错误。由于 Unity3D 并不具备改变模型坐标轴方向的功能，因此，在导入模型前，需在3Ds Max中对模型进行坐标轴变换，使模型与 Unity3D 坐标轴相匹配。在3Ds Max中，点击层次面板下的轴选项卡，点选“仅影响轴”，对模型的 X、Y、Z 轴的方向进行更改。

2.2 场景导入

场景的导入关系到虚拟仿真的真实性，若导入时出现问题，导致贴图、动画等物体的缺失，用户的体验感下降，无法达到预期效果。

在3Ds Max软件中完成建模后，将模型导出为FBX格式文件，嵌入贴图、动画等关键物体，随后导入到 Unity3D 软件中进行场景的搭建。由于 FBX格式只支持基本贴图格式，导入Unity3D中会有贴图丢失，导致检修场景失去真实性。所以，模型导入后，需要进行 Unity3D 的材质创建，将缺失的贴图重新贴入，从而完成场景的导入。

2.3 虚拟检修的实现

进行受电弓检修前，先升起受电弓，对其进行供电测试，确保其可以正常工作；在完成供电测试后，受电弓降落，同时，将供电设备断电。断电后，检修信号灯亮起，检修人员进行登顶检修。如果检修人员在受电弓未与接触网脱开、未落稳在其底架的两个橡胶止挡上等情况下进行登顶作业，将面临触电风险。

用户在进入高速动车组受电弓维修虚拟仿真训练系统后，将以第一视角进行登顶作业，完成登顶操作后，拾取车顶的检修工具，随后进行受电弓检修，若进行检修时受电弓不带电，则完成受电弓检修；若进行检修时受电弓未完成断电，且检修工具与受电弓的距离小于安全距离时，显示界面将给出相关提示，并模拟检修者伤亡情况。

Unity3D 提供 Animation 与 Animator 两种动画机，本文采用 Animation 动画机进行伤亡动画的播放，通过对动画机进行程序编写，控制播放判定、播放顺序。利用 Animation 动画机，可使检修操作的模拟更加自然，节省编程时间，增加系统的操作性。

3. 高速动车组受电弓维修虚拟仿真训练系统所应用的关键技术

3.1 碰撞器检测技术

Unity3D 有多种物理引擎，包括刚体、碰撞器、触发器等，可模仿实际物体的受力、碰撞等，使场景更加逼真。

高速动车组受电弓维修虚拟仿真训练系统对受电弓添加碰撞器及刚体组件，实现对受电弓物理属性的模拟，通过对刚体组件施加作用力的方式，实现受电弓的升起与降落，同时，在模拟 检 修 过 程 中 可 利 用 Unity3D 中 碰 撞 器 提 供 的OnCollisionEnter、OnCollisionExit 等方法，通过对碰撞器的监测，实现对物体碰撞的检测。从而对检修人员是否触碰受电弓进行实时监测，作为判断是否发生事故的评价标准。若检修人员在检修信号灯未亮起时触碰到受电弓，将触发触电特效；若检修工人在检修信号灯亮起后触碰受电弓，则不会发生检修事故。利用碰撞器的特性，可实现物体状态监测和触发条件判断，增加系统的可操作性，降低程序的复杂性。

3.2 视角移动技术

3.2.1 视角交互

在模拟演练过程中，用户需要与场景中的视角进行交互，从而控制视角进行移动、旋转等操作，Unity3D 中提供了 Input 类，实现对用户的键盘、鼠标点击事件的获取，Input 类提供了多种方法来获取用户键盘与鼠标的按下、抬起等事件。在 Update 中调用 Input 类，可实现对用户输入的实时获取，利用C#语言进行脚本编辑，实现用户与场景视角的交互。在模拟演练场景中，用户通过键盘上的 W、A、S、D 键分别进行视角前、后、左、右的移动，并通过鼠标的左右滑动对视角的转向进行控制。

3.2.2 摄像机跟随

在视角的移动过程中，摄像机要跟随视角进行同步运动，使用户拥有更加真实的体验。实现摄像机跟随的方法较多，可直接将摄像机设置为视角的子物体，但该方法会导致摄像机跟随较生硬，用户体验效果不佳。

高速动车组受电弓维修虚拟仿真训练系统采取逐帧跟随的设计方法，在视角运动过程中，利用代码进行跟随设计，从而实现逐帧跟随，使用户能够拥有更真实的体验。具体步骤为：利用视角当前位置减去原点的世界坐标，获取当前位置的世界坐标；利用摄像机的位置减去视角的位置，获取一个固定的坐标偏移值；在 Update 中逐帧进行视角的位置检测，用视角的世界坐标加上偏移值，即可确定摄像机的实时位置；将摄像机的转动方向设置为视角行走的方向，即可完成摄像机的跟随。

高速动车组受电弓维修虚拟仿真训练系统具有检修教学演示、模拟演练、视频讲解及知识考核等功能，实现了受电弓检修过程的模拟，满足铁路工人的知识培训、模拟训练等需求。