摘 要： 動車組轉向架結構的復雜性,使得傳統(tǒng)的培訓模式已不能滿足檢修人員短時間內快速掌握檢修技能的要求。針對CRH5動車組轉向架的結構特點和功能,采用虛擬現實、多媒體和仿真技術，設計實現了動車組轉向架虛擬仿真系統(tǒng)，可以清晰地表達轉向架的技術信息、結構特點、安裝順序以及工藝要求等。詳細介紹了該系統(tǒng)設計實現的關鍵技術和方法。實際應用表明,該系統(tǒng)不僅為動車組轉向架的維護和人員培訓提供了一個可視化的多媒體信息平臺,也為其他場合的交流提供了直觀的溝通方式。
關鍵詞： CRH5動車組；轉向架；虛擬現實；仿真；培訓；檢修；VRML
轉向架是高速動車組的核心部件之一，對車輛的運行平穩(wěn)性及安全性影響很大，在列車運營中需要對轉向架進行日常及周期性的檢修與維護，以確保列車行駛安全。CRH5動車組是目前我國列車運營的主要車型，承載著大量的旅客運輸任務。隨著運輸量的增加，轉向架的維護檢修工作量及檢修人員的培訓需求也隨之增加。由于轉向架結構復雜，依靠傳統(tǒng)方法很難在短時間內讓檢修人員快速掌握檢修技能，同時在檢修維護過程中也需要相應的技術手段來幫助隨時查看技術資料。
對檢修維護人員培訓的傳統(tǒng)方法多采用幻燈片、掛圖授課和師徒傳授等方式，被培訓者難以在短時間內快速對轉向架的結構特征形成感觀認識，掌握復雜的裝配關系，而且成本高、效率低。近年來廣泛應用的計算機虛擬現實技術[1]能夠支持一種新的培訓模式，可以改變傳統(tǒng)培訓模式缺乏直觀的信息呈現手段的狀況，創(chuàng)建逼真形象的產品裝配仿真環(huán)境，使被培訓者在虛擬環(huán)境中以交互方式了解產品的結構和裝配過程，這有助于快速理解和認知產品，既提高了培訓效率，也降低了成本。筆者在分析CRH5動車組轉向架的結構和功能特點的基礎上，綜合利用虛擬現實、多媒體和仿真技術的優(yōu)勢，設計實現了動車組轉向架虛擬仿真[2]系統(tǒng)，它可以全方位地形象呈現轉向架的技術信息、結構特點、裝配順序以及工藝要求。在這個可視化的多媒體信息平臺上，可以更高效地進行動車組轉向架的人員培訓，支持檢修維護工作中的技術資料動態(tài)查詢，還可以為相關人員在其他場合的交流提供直觀的溝通方式。本文將從系統(tǒng)結構及功能、設計工具和關鍵技術等幾個方面詳細介紹虛擬仿真系統(tǒng)的設計實現。
1 轉向架結構特點及功能
CRH5動車組采用動力分布式設計,其CW250型轉向架包括動力轉向架和非動力轉向架。每列8節(jié)車編組, 5節(jié)動車、3節(jié)拖車，最高運營時速為250 km/h。動力轉向架和非動力轉向架的主要區(qū)別為：
動力轉向架：(1)有1根動力軸和1根非動力軸;(2)動力軸上裝有2個制動軸盤和1組齒輪箱;(3)非動力軸上裝有3個制動軸盤。
非動力轉向架：(1)有2根非動力軸;(2)非動力軸上各裝有3個制動軸盤。
轉向架主要由構架、輪對、牽引裝置、傳動裝置、一系懸掛、二系懸掛、制動裝置、輔助裝置、管路布置等組成。其中：牽引裝置采用“Z”字形雙牽引，傳遞牽引力和制動力；傳動裝置由齒輪箱、萬向軸、安全裝置和體懸式電機組成；一系懸掛采用雙拉桿軸箱定位方式；二系懸掛主要由枕梁、空氣彈簧、抗側滾扭桿、橫向減振器、垂向減振器、抗蛇行減振器等組成；制動裝置采用軸盤制動方式；輔助裝置包括輪緣潤滑和撒砂等裝置,輪緣潤滑用于改善輪軌之間的潤滑性能,撒砂裝置用于增大輪軌之間的摩擦力。
2 系統(tǒng)結構及功能
(1)系統(tǒng)結構
CRH5轉向架的零部件數量多，結構也比較復雜，根據其結構特點和功能，系統(tǒng)由7個模塊組成：總體概述、構架組成、制動系統(tǒng)、輪對組成、一系懸掛、二系懸掛、總體裝配。除了總體概述模塊，其余6個模塊還分別包括結構介紹和裝配演示子模塊。
(2)系統(tǒng)功能
系統(tǒng)采用虛擬現實、多媒體和仿真技術，提供以文本、圖形和圖像等多媒體方式表達的轉向架技術信息、結構特點和組成；提供的人機交互方式，使用戶通過仿真動畫演示，瀏覽轉向架各大部件和總體的裝配過程，快速查詢轉向架的相關信息。
系統(tǒng)界面與模塊功能如圖1所示，其中構架組成、制動系統(tǒng)、輪對組成、一系懸掛、二系懸掛和總體裝配6個模塊的結構分別介紹相應大部件的組成，它們的裝配演示子模塊則分別演示各大部件和總體轉向架的虛擬裝配仿真過程，并配以文字信息表達零部件名稱、安裝技術信息以及工藝要求。總體概述模塊如圖2，二系懸掛組成圖如圖3所示，圖4為二系懸掛搖枕裝配過程。
3 系統(tǒng)關鍵技術與實現
3.1 系統(tǒng)實現工具
(1)系統(tǒng)集成工具
Authorware 是面向對象的多媒體開發(fā)工具，以圖標為基礎，通過流程線來建立各圖標的邏輯結構，還提供了函數、變量和交互等功能，其圖形化的程序結構清晰、簡捷，便于調試，本系統(tǒng)采用該軟件作為系統(tǒng)集成實現工具。
(2)仿真動畫制作工具
VRML是一種具有沉浸感、交互性的虛擬現實建模語言[3]，占據存儲空間很小，它與CATIA和Pro/E等三維軟件具有標準接口，還提供了動畫插補器節(jié)點，可以實現虛擬場景的動畫效果。Cosmo Worlds則是針對VRML開發(fā)的可視化編輯器，尤其對于動畫制作提供了非常直觀的平臺，運行快捷，所見即所得。系統(tǒng)采用該軟件實現轉向架的虛擬裝配過程仿真。
(3)多媒體制作工具
系統(tǒng)利用圖像處理軟件Photoshop制作文字信息以表達零部件的名稱、安裝技術信息和工藝要求，利用Premiere視頻編輯軟件進行仿真動畫的后期制作。
3.2 虛擬裝配技術
系統(tǒng)采用虛擬裝配技術[4]，通過創(chuàng)建三維模型、模型格式轉換、裝配順序和路徑規(guī)劃以及制作仿真動畫幾個步驟，實現轉向架的構架、輪對、一系懸掛和二系懸掛等大部件以及總體裝配過程的仿真。使用戶可以快速建立對轉向架結構特征的感觀認識，有助于理解和掌握轉向架的復雜結構和裝配關系。
3.2.1 坐標變換及模型格式轉換
轉向架的三維模型是利用CAD/CAM軟件CATIA創(chuàng)建的，而裝配過程的仿真在Cosmo Worlds可視化平臺上實現。由于CATIA和Cosmo Worlds的笛卡爾坐標系不同,如圖5(a)、(b)所示，所以在實現裝配仿真之前，需要進行坐標變換。然后利用CATIA的標準接口進行模型格式的轉換，對轉向架的構架、輪對和一系懸掛等五個大部件分別將其零部件模型逐一輸出為.wrl格式文件。
3.2.2 裝配仿真的實現
在實現虛擬裝配仿真之前,首先要進行總體規(guī)劃，確定零部件的裝配順序和路徑，這是進行裝配仿真的重要環(huán)節(jié)。轉向架零部件的裝配順序是按照裝配工藝規(guī)程確定的，裝配路徑的規(guī)劃是確定零部件在裝配時的運動軌跡，使其避免發(fā)生干涉。
對轉向架裝配過程的仿真,是基于VRML在Cosmo Worlds平臺上通過制作動畫實現的。利用VRML各種插補器節(jié)點，通過改變節(jié)點的域值以及路由對事件的傳遞，使零部件發(fā)生平移和旋轉，視點發(fā)生切換或放大或縮小，從而實現轉向架各大部件以及總體的虛擬裝配。
主要步驟包括：用Inline方式導入模型→創(chuàng)建仿真動畫→定義動畫指針→添加動作→定義關鍵幀→賦材質→生成動畫文件。然后利用Photoshop制作文字標注，用Premiere將文字和圖像等合成為.avi動畫文件，這樣生成的轉向架裝配仿真動畫可以生動、形象地表達零部件的安裝順序、工藝要求以及裝配關系。圖6所呈現的是按照裝配順序將構架、制動系統(tǒng)、牽引、一系懸掛、二系懸掛、輪對組成、管路布置和輔助裝置等零部件裝配組成的動車轉向架。
3.3 交互技術
系統(tǒng)利用Authorware的熱區(qū)、按鈕和文本等交互響應方式，為用戶提供了交互功能。
(1)以圖文并茂的形式清晰地表達了轉向架的總體
概況、主要技術參數和結構特點等，用戶可以通過鼠標點擊，瀏覽查看這些信息。
(2)利用DirectMedia-Xtra 插件提供了裝配仿真視頻的播放和暫停功能，還可以通過拖動滑動條，快進到感興趣的裝配畫面，以便用戶在觀看時根據需要隨時控制視頻的播放。
(3)利用熱區(qū)響應，設置開關控制背景音樂，用戶可以通過點擊背景音樂圖標，控制它的開啟和關閉。
(4)利用翻頁、返回和退出按鈕響應，用戶可以實現頁面間的跳轉以及系統(tǒng)的退出。
3.4 多媒體技術
系統(tǒng)采用多媒體技術將轉向架的各種信息呈現給用戶，使用戶通過文本和圖片，了解轉向架的技術信息、結構特點以及識別零部件等。通過裝配仿真視頻演示，觀看轉向架的大部件和總體的虛擬裝配過程，詳細了解轉向架的結構、安裝順序、工藝技術要求以及各零部件的空間位置關系，幫助用戶加深對轉向架的認識和對裝配的理解與記憶，縮短認知過程。
系統(tǒng)借助于基于流程線和圖標設計方式的Authorware多媒體開發(fā)工具，利用顯示、交互和計算等圖標，將轉向架的文本、圖形、圖像、聲音和視頻等信息嵌入到各功能圖標中，并通過函數和變量的使用，有效地集成了轉向架的多媒體信息，為動車組轉向架相關人員提供了一個多媒體的可視化信息平臺。
3.5 數據壓縮技術
系統(tǒng)采用多媒體技術使得信息更加豐富，通常數據量也比較大，信息中的冗余數據會影響系統(tǒng)的運行速度，有必要利用數據壓縮技術[5]對文件進行優(yōu)化壓縮處理。
(1)VRML文件的優(yōu)化
對于VRML文件，雖然占據的存儲空間比其他格式文件小得多，但還有優(yōu)化的空間。系統(tǒng)采用以下優(yōu)化方法：①使用重用機制，對相同的部分利用DEF(重定義節(jié)點)與USE(重用節(jié)點)很大程度地簡化了文件。②利用Inline節(jié)點減少文件的體積，提高了代碼的重用率。
(2)圖像文件的壓縮
圖像壓縮技術分為靜態(tài)圖像與動態(tài)圖像壓縮技術。靜態(tài)圖像壓縮技術主要是對空間信息進行壓縮，而動態(tài)圖像壓縮技術，除了對空間信息進行壓縮外，還要對時間信息進行壓縮。JPEG和MPEG是國際標準化組織(ISO)制定的壓縮標準。
靜態(tài)圖像壓縮標準JPEG適用于連續(xù)色調彩色或灰度圖像，其壓縮技術能夠去除冗余圖像和彩色數據，在獲得極高壓縮率的同時，還能展現豐富生動的圖像，平均壓縮比為20:1。系統(tǒng)轉向架的結構均用JPEG靜態(tài)圖像文件來表達，很大程度地減少了文件的存儲空間，同時還保持了圖像文件的高質量。
動態(tài)圖像壓縮標準MPEG適用于不同帶寬和數字影像質量，采用了幀內和幀間圖像數據壓縮技術，以減少空域和時域冗余，圖像壓縮比高達200:1，同時圖像數據失真很小。以轉向架總體裝配視頻文件為例，通過WinAVIVideoConverter專業(yè)視頻編、解碼軟件，采用XviD MPEG-4壓縮后，由2.1 GB壓縮為50 MB，而且保持了原有的視頻質量。
CRH5動車組轉向架虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)，不僅為動車組轉向架的維護和人員培訓提供了一個可視化的多媒體信息平臺，也為其他場合的交流提供了直觀的溝通方式，取得了很好的實際使用效果。系統(tǒng)采用的多媒體、虛擬裝配和仿真技術，使得它能夠以文本、圖形和圖
像方式清晰地呈現轉向架的技術信息和結構特點，形象、生動地展示轉向架各大部件及總體的安裝順序、工藝要求和復雜裝配關系。這些特點在實際使用過程中得到了用戶的充分肯定。
當然,還需進一步完善系統(tǒng)的交互功能和信息呈現方式，從而更好地支持圍繞轉向架維護檢修的各種應用需求。
參考文獻
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