CRH5動車組轉(zhuǎn)向架仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

轉(zhuǎn)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(xiàn)。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(xiàn)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(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)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(xiàn)

在實現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)，視點發(fā)生切換或放大或縮小，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(zhì)→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(zhuǎn)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(xiàn)的是按照裝配順序?qū)嫾?、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(zhuǎn)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(zhuǎn)向架的總體

概況、主要技術參數(shù)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(jù)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(xiàn)頁面間的跳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架的各種信息呈現(xiàn)給用戶，使用戶通過文本和圖片，了解轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架的大部件和總體的虛擬裝配過程，詳細了解轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)和變量的使用，有效地集成了轉(zhuǎn)向架的多媒體信息，為動車組轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量也比較大，信息中的冗余數(shù)據(jù)會影響系統(tǒng)的運行速度，有必要利用數(shù)據(jù)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(jù)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(diào)彩色或灰度圖像，其壓縮技術能夠去除冗余圖像和彩色數(shù)據(jù)，在獲得極高壓縮率的同時，還能展現(xiàn)豐富生動的圖像，平均壓縮比為20:1。系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(zhì)量。

動態(tài)圖像壓縮標準MPEG適用于不同帶寬和數(shù)字影像質(zhì)量，采用了幀內(nèi)和幀間圖像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)失真很小。以轉(zhuǎn)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(zhì)量。

CRH5動車組轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)，不僅為動車組轉(zhuǎn)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(xiàn)轉(zhuǎn)向架的技術信息和結構特點，形象、生動地展示轉(zhuǎn)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(xiàn)方式，從而更好地支持圍繞轉(zhuǎn)向架維護檢修的各種應用需求。

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