動(dòng)車(chē)組轉向架虛擬仿真系統的設計與實(shí)現

轉向架是高速動(dòng)車(chē)組的核心部件之一，對車(chē)輛的運行平穩性及安全性影響很大，在列車(chē)運營(yíng)中需要對轉向架進(jìn)行日常及周期性的檢修與維護，以確保列車(chē)行駛安全。CRH5動(dòng)車(chē)組是目前我國列車(chē)運營(yíng)的主要車(chē)型，承載著(zhù)大量的旅客運輸任務(wù)。隨著(zhù)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，依靠傳統方法很難在短時(shí)間內讓檢修人員快速掌握檢修技能，同時(shí)在檢修維護過(guò)程中也需要相應的技術(shù)手段來(lái)幫助隨時(shí)查看技術(shù)資料。

對檢修維護人員培訓的傳統方法多采用幻燈片、掛圖授課和師徒傳授等方式，被培訓者難以在短時(shí)間內快速對轉向架的結構特征形成感觀(guān)認識，掌握復雜的裝配關(guān)系，而且成本高、效率低。近年來(lái)廣泛應用的計算機虛擬現實(shí)技術(shù)[1]能夠支持一種新的培訓模式，可以改變傳統培訓模式缺乏直觀(guān)的信息呈現手段的狀況，創(chuàng )建逼真形象的產(chǎn)品裝配仿真環(huán)境，使被培訓者在虛擬環(huán)境中以交互方式了解產(chǎn)品的結構和裝配過(guò)程，這有助于快速理解和認知產(chǎn)品，既提高了培訓效率，也降低了成本。筆者在分析CRH5動(dòng)車(chē)組轉向架的結構和功能特點(diǎn)的基礎上，綜合利用虛擬現實(shí)、多媒體和仿真技術(shù)的優(yōu)勢，設計實(shí)現了動(dòng)車(chē)組轉向架虛擬仿真[2]系統，它可以全方位地形象呈現轉向架的技術(shù)信息、結構特點(diǎn)、裝配順序以及工藝要求。在這個(gè)可視化的多媒體信息平臺上，可以更高效地進(jìn)行動(dòng)車(chē)組轉向架的人員培訓，支持檢修維護工作中的技術(shù)資料動(dòng)態(tài)查詢(xún)，還可以為相關(guān)人員在其他場(chǎng)合的交流提供直觀(guān)的溝通方式。本文將從系統結構及功能、設計工具和關(guān)鍵技術(shù)等幾個(gè)方面詳細介紹虛擬仿真系統的設計實(shí)現。

1 轉向架結構特點(diǎn)及功能

CRH5動(dòng)車(chē)組采用動(dòng)力分布式設計,其CW250型轉向架包括動(dòng)力轉向架和非動(dòng)力轉向架。每列8節車(chē)編組, 5節動(dòng)車(chē)、3節拖車(chē)，最高運營(yíng)時(shí)速為250 km/h。動(dòng)力轉向架和非動(dòng)力轉向架的主要區別為：

動(dòng)力轉向架：(1)有1根動(dòng)力軸和1根非動(dòng)力軸;(2)動(dòng)力軸上裝有2個(gè)制動(dòng)軸盤(pán)和1組齒輪箱;(3)非動(dòng)力軸上裝有3個(gè)制動(dòng)軸盤(pán)。

非動(dòng)力轉向架：(1)有2根非動(dòng)力軸;(2)非動(dòng)力軸上各裝有3個(gè)制動(dòng)軸盤(pán)。

轉向架主要由構架、輪對、牽引裝置、傳動(dòng)裝置、一系懸掛、二系懸掛、制動(dòng)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(dòng)力；傳動(dòng)裝置由齒輪箱、萬(wàn)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(dòng)裝置采用軸盤(pán)制動(dòng)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 系統結構及功能

(1)系統結構

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(diǎn)和功能，系統由7個(gè)模塊組成：總體概述、構架組成、制動(dòng)系統、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(gè)模塊還分別包括結構介紹和裝配演示子模塊。

(2)系統功能

系統采用虛擬現實(shí)、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向架技術(shù)信息、結構特點(diǎn)和組成；提供的人機交互方式，使用戶(hù)通過(guò)仿真動(dòng)畫(huà)演示，瀏覽轉向架各大部件和總體的裝配過(guò)程，快速查詢(xún)轉向架的相關(guān)信息。

系統界面與模塊功能如圖1所示，其中構架組成、制動(dòng)系統、輪對組成、一系懸掛、二系懸掛和總體裝配6個(gè)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(guò)程，并配以文字信息表達零部件名稱(chēng)、安裝技術(shù)信息以及工藝要求?？傮w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(guò)程。


3 系統關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現

3.1 系統實(shí)現工具

(1)系統集成工具

Authorware 是面向對象的多媒體開(kāi)發(fā)工具，以圖標為基礎，通過(guò)流程線(xiàn)來(lái)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(jiǎn)捷，便于調試，本系統采用該軟件作為系統集成實(shí)現工具。

(2)仿真動(dòng)畫(huà)制作工具

VRML是一種具有沉浸感、交互性的虛擬現實(shí)建模語(yǔ)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(dòng)畫(huà)插補器節點(diǎn)，可以實(shí)現虛擬場(chǎng)景的動(dòng)畫(huà)效果。Cosmo Worlds則是針對VRML開(kāi)發(fā)的可視化編輯器，尤其對于動(dòng)畫(huà)制作提供了非常直觀(guān)的平臺，運行快捷，所見(jiàn)即所得。系統采用該軟件實(shí)現轉向架的虛擬裝配過(guò)程仿真。

(3)多媒體制作工具

系統利用圖像處理軟件Photoshop制作文字信息以表達零部件的名稱(chēng)、安裝技術(shù)信息和工藝要求，利用Premiere視頻編輯軟件進(jìn)行仿真動(dòng)畫(huà)的后期制作。

3.2 虛擬裝配技術(shù)

系統采用虛擬裝配技術(shù)[4]，通過(guò)創(chuàng )建三維模型、模型格式轉換、裝配順序和路徑規劃以及制作仿真動(dòng)畫(huà)幾個(gè)步驟，實(shí)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(guò)程的仿真。使用戶(hù)可以快速建立對轉向架結構特征的感觀(guān)認識，有助于理解和掌握轉向架的復雜結構和裝配關(guān)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(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。