CRH5動(dòng)車(chē)組轉向架仿真系統設計與實(shí)現

轉向架的三維模型是利用CAD/CAM軟件CATIA創(chuàng )建的，而裝配過(guò)程的仿真在Cosmo Worlds可視化平臺上實(shí)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(shí)現裝配仿真之前，需要進(jìn)行坐標變換。然后利用CATIA的標準接口進(jìn)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(gè)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(shí)現

在實(shí)現虛擬裝配仿真之前，首先要進(jìn)行總體規劃，確定零部件的裝配順序和路徑，這是進(jìn)行裝配仿真的重要環(huán)節。轉向架零部件的裝配順序是按照裝配工藝規程確定的，裝配路徑的規劃是確定零部件在裝配時(shí)的運動(dòng)軌跡，使其避免發(fā)生干涉。

對轉向架裝配過(guò)程的仿真，是基于VRML在Cosmo Worlds平臺上通過(guò)制作動(dòng)畫(huà)實(shí)現的。利用VRML各種插補器節點(diǎn)，通過(guò)改變節點(diǎn)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(diǎn)發(fā)生切換或放大或縮小，從而實(shí)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(dòng)畫(huà)→定義動(dòng)畫(huà)指針→添加動(dòng)作→定義關(guān)鍵幀→賦材質(zhì)→生成動(dòng)畫(huà)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(dòng)畫(huà)文件，這樣生成的轉向架裝配仿真動(dòng)畫(huà)可以生動(dòng)、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所呈現的是按照裝配順序將構架、制動(dòng)系統、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(dòng)車(chē)轉向架。

3.3 交互技術(shù)

系統利用Authorware的熱區、按鈕和文本等交互響應方式，為用戶(hù)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(shù)參數和結構特點(diǎn)等，用戶(hù)可以通過(guò)鼠標點(diǎn)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(guò)拖動(dòng)滑動(dòng)條，快進(jìn)到感興趣的裝配畫(huà)面，以便用戶(hù)在觀(guān)看時(shí)根據需要隨時(shí)控制視頻的播放。

(3)利用熱區響應，設置開(kāi)關(guān)控制背景音樂(lè )，用戶(hù)可以通過(guò)點(diǎn)擊背景音樂(lè )圖標，控制它的開(kāi)啟和關(guān)閉。

(4)利用翻頁(yè)、返回和退出按鈕響應，用戶(hù)可以實(shí)現頁(yè)面間的跳轉以及系統的退出。

3.4 多媒體技術(shù)

系統采用多媒體技術(shù)將轉向架的各種信息呈現給用戶(hù)，使用戶(hù)通過(guò)文本和圖片，了解轉向架的技術(shù)信息、結構特點(diǎn)以及識別零部件等。通過(guò)裝配仿真視頻演示，觀(guān)看轉向架的大部件和總體的虛擬裝配過(guò)程，詳細了解轉向架的結構、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(hù)加深對轉向架的認識和對裝配的理解與記憶，縮短認知過(guò)程。

系統借助于基于流程線(xiàn)和圖標設計方式的Authorware多媒體開(kāi)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(guò)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(dòng)車(chē)組轉向架相關(guān)人員提供了一個(gè)多媒體的可視化信息平臺。

3.5 數據壓縮技術(shù)

系統采用多媒體技術(shù)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(huì )影響系統的運行速度，有必要利用數據壓縮技術(shù)[5]對文件進(jìn)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(重定義節點(diǎn))與USE(重用節點(diǎn))很大程度地簡(jiǎn)化了文件。②利用Inline節點(diǎn)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(dòng)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(jìn)行壓縮，而動(dòng)態(tài)圖像壓縮技術(shù)，除了對空間信息進(jìn)行壓縮外，還要對時(shí)間信息進(jìn)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適用于連續色調彩色或灰度圖像，其壓縮技術(shù)能夠去除冗余圖像和彩色數據，在獲得極高壓縮率的同時(shí)，還能展現豐富生動(dòng)的圖像，平均壓縮比為20:1。系統轉向架的結構均用JPEG靜態(tài)圖像文件來(lái)表達，很大程度地減少了文件的存儲空間，同時(shí)還保持了圖像文件的高質(zhì)量。

動(dòng)態(tài)圖像壓縮標準MPEG適用于不同帶寬和數字影像質(zhì)量，采用了幀內和幀間圖像數據壓縮技術(shù)，以減少空域和時(shí)域冗余，圖像壓縮比高達200:1，同時(shí)圖像數據失真很小。以轉向架總體裝配視頻文件為例，通過(guò)WinAVIVideoConverter專(zhuān)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(dòng)車(chē)組轉向架虛擬仿真系統的開(kāi)發(fā)，不僅為動(dòng)車(chē)組轉向架的維護和人員培訓提供了一個(gè)可視化的多媒體信息平臺，也為其他場(chǎng)合的交流提供了直觀(guān)的溝通方式，取得了很好的實(shí)際使用效果。系統采用的多媒體、虛擬裝配和仿真技術(shù)，使得它能夠以文本、圖形和圖

像方式清晰地呈現轉向架的技術(shù)信息和結構特點(diǎn)，形象、生動(dòng)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(guān)系。這些特點(diǎn)在實(shí)際使用過(guò)程中得到了用戶(hù)的充分肯定。

當然，還需進(jìn)一步完善系統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。

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