動車組轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wù)。隨著運輸量的增加，轉(zhuǎn)向架的維護檢修工作量及檢修人員的培訓(xùn)需求也隨之增加。由于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，依靠傳統(tǒng)方法很難在短時間內(nèi)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(yīng)的技術(shù)手段來幫助隨時查看技術(shù)資料。

對檢修維護人員培訓(xùn)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(xùn)者難以在短時間內(nèi)快速對轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特征形成感觀認識，掌握復(fù)雜的裝配關(guān)系，而且成本高、效率低。近年來廣泛應(yīng)用的計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)[1]能夠支持一種新的培訓(xùn)模式，可以改變傳統(tǒng)培訓(xùn)模式缺乏直觀的信息呈現(xiàn)手段的狀況，創(chuàng)建逼真形象的產(chǎn)品裝配仿真環(huán)境，使被培訓(xùn)者在虛擬環(huán)境中以交互方式了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和裝配過程，這有助于快速理解和認知產(chǎn)品，既提高了培訓(xùn)效率，也降低了成本。筆者在分析CRH5動車組轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)和功能特點的基礎(chǔ)上，綜合利用虛擬現(xiàn)實、多媒體和仿真技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計實現(xiàn)了動車組轉(zhuǎn)向架虛擬仿真[2]系統(tǒng)，它可以全方位地形象呈現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的技術(shù)信息、結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向架的人員培訓(xùn)，支持檢修維護工作中的技術(shù)資料動態(tài)查詢，還可以為相關(guān)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(jié)構(gòu)及功能、設(shè)計工具和關(guān)鍵技術(shù)等幾個方面詳細介紹虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)。

1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點及功能

CRH5動車組采用動力分布式設(shè)計,其CW250型轉(zhuǎn)向架包括動力轉(zhuǎn)向架和非動力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架和非動力轉(zhuǎn)向架的主要區(qū)別為：

動力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向架主要由構(gòu)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(cè)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(jié)構(gòu)及功能

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CRH5轉(zhuǎn)向架的零部件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點和功能，系統(tǒng)由7個模塊組成：總體概述、構(gòu)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(jié)構(gòu)介紹和裝配演示子模塊。

(2)系統(tǒng)功能

系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實、多媒體和仿真技術(shù)，提供以文本、圖形和圖像等多媒體方式表達的轉(zhuǎn)向架技術(shù)信息、結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向架各大部件和總體的裝配過程，快速查詢轉(zhuǎn)向架的相關(guān)信息。

系統(tǒng)界面與模塊功能如圖1所示，其中構(gòu)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(jié)構(gòu)分別介紹相應(yīng)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(zhuǎn)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(shù)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(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)工具

(1)系統(tǒng)集成工具

Authorware 是面向?qū)ο蟮亩嗝襟w開發(fā)工具，以圖標為基礎(chǔ)，通過流程線來建立各圖標的邏輯結(jié)構(gòu)，還提供了函數(shù)、變量和交互等功能，其圖形化的程序結(jié)構(gòu)清晰、簡捷，便于調(diào)試，本系統(tǒng)采用該軟件作為系統(tǒng)集成實現(xiàn)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(xiàn)實建模語言[3]，占據(jù)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(xiàn)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(xiàn)轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)

系統(tǒng)采用虛擬裝配技術(shù)[4]，通過創(chuàng)建三維模型、模型格式轉(zhuǎn)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(xiàn)轉(zhuǎn)向架的構(gòu)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(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特征的感觀認識，有助于理解和掌握轉(zhuǎn)向架的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系。

3.2.1 坐標變換及模型格式轉(zhuǎn)換

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(gòu)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(dǎo)入模型→創(chuàng)建仿真動畫→定義動畫指針→添加動作→定義關(guān)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(guān)系。圖6所呈現(xiàn)的是按照裝配順序?qū)?gòu)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(zhuǎn)向架。


3.3 交互技術(shù)

系統(tǒng)利用Authorware的熱區(qū)、按鈕和文本等交互響應(yīng)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(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)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(yīng)，設(shè)置開關(guān)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(guān)閉。

(4)利用翻頁、返回和退出按鈕響應(yīng)，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(shù)

系統(tǒng)采用多媒體技術(shù)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(shù)信息、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、安裝順序、工藝技術(shù)要求以及各零部件的空間位置關(guān)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(shè)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(guān)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(shù)

系統(tǒng)采用多媒體技術(shù)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(shù)[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(shù)分為靜態(tài)圖像與動態(tài)圖像壓縮技術(shù)。靜態(tài)圖像壓縮技術(shù)主要是對空間信息進行壓縮，而動態(tài)圖像壓縮技術(shù)，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(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)，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(xùn)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(shù)，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(shù)信息和結(jié)構(gòu)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(fù)雜裝配關(guān)系。這些特點在實際使用過程中得到了用戶的充分肯定。

當(dāng)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(yīng)用需求。