动车组转向架虚拟仿真系统的设计与实现

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转向架是高速动车组的核心部件之一，对车辆的运行平稳性及安全性影响很大，在列车运营中需要对转向架进行日常及周期性的检修与维护，以确保列车行驶安全。CRH5动车组是目前我国列车运营的主要车型，承载着大量的旅客运输任务。随着运输量的增加，转向架的维护检修工作量及检修人员的培训需求也随之增加。由于转向架结构复杂，依靠传统方法很难在短时间内让检修人员快速掌握检修技能，同时在检修维护过程中也需要相应的技术手段来帮助随时查看技术资料。

对检修维护人员培训的传统方法多采用幻灯片、挂图授课和师徒传授等方式，被培训者难以在短时间内快速对转向架的结构特征形成感观认识，掌握复杂的装配关系，而且成本高、效率低。近年来广泛应用的计算机虚拟现实技术[1]能够支持一种新的培训模式，可以改变传统培训模式缺乏直观的信息呈现手段的状况，创建逼真形象的产品装配仿真环境，使被培训者在虚拟环境中以交互方式了解产品的结构和装配过程，这有助于快速理解和认知产品，既提高了培训效率，也降低了成本。笔者在分析CRH5动车组转向架的结构和功能特点的基础上，综合利用虚拟现实、多媒体和仿真技术的优势，设计实现了动车组转向架虚拟仿真[2]系统，它可以全方位地形象呈现转向架的技术信息、结构特点、装配顺序以及工艺要求。在这个可视化的多媒体信息平台上，可以更高效地进行动车组转向架的人员培训，支持检修维护工作中的技术资料动态查询，还可以为相关人员在其他场合的交流提供直观的沟通方式。本文将从系统结构及功能、设计工具和关键技术等几个方面详细介绍虚拟仿真系统的设计实现。

1 转向架结构特点及功能

CRH5动车组采用动力分布式设计,其CW250型转向架包括动力转向架和非动力转向架。每列8节车编组, 5节动车、3节拖车，最高运营时速为250 km/h。动力转向架和非动力转向架的主要区别为：

动力转向架：(1)有1根动力轴和1根非动力轴;(2)动力轴上装有2个制动轴盘和1组齿轮箱;(3)非动力轴上装有3个制动轴盘。

非动力转向架：(1)有2根非动力轴;(2)非动力轴上各装有3个制动轴盘。

转向架主要由构架、轮对、牵引装置、传动装置、一系悬挂、二系悬挂、制动装置、辅助装置、管路布置等组成。其中：牵引装置采用“Z”字形双牵引，传递牵引力和制动力；传动装置由齿轮箱、万向轴、安全装置和体悬式电机组成；一系悬挂采用双拉杆轴箱定位方式；二系悬挂主要由枕梁、空气弹簧、抗侧滚扭杆、横向减振器、垂向减振器、抗蛇行减振器等组成；制动装置采用轴盘制动方式；辅助装置包括轮缘润滑和撒砂等装置,轮缘润滑用于改善轮轨之间的润滑性能,撒砂装置用于增大轮轨之间的摩擦力。

2 系统结构及功能

(1)系统结构

CRH5转向架的零部件数量多，结构也比较复杂，根据其结构特点和功能，系统由7个模块组成：总体概述、构架组成、制动系统、轮对组成、一系悬挂、二系悬挂、总体装配。除了总体概述模块，其余6个模块还分别包括结构介绍和装配演示子模块。

(2)系统功能

系统采用虚拟现实、多媒体和仿真技术，提供以文本、图形和图像等多媒体方式表达的转向架技术信息、结构特点和组成；提供的人机交互方式，使用户通过仿真动画演示，浏览转向架各大部件和总体的装配过程，快速查询转向架的相关信息。

系统界面与模块功能如图1所示，其中构架组成、制动系统、轮对组成、一系悬挂、二系悬挂和总体装配6个模块的结构分别介绍相应大部件的组成，它们的装配演示子模块则分别演示各大部件和总体转向架的虚拟装配仿真过程，并配以文字信息表达零部件名称、安装技术信息以及工艺要求。总体概述模块如图2，二系悬挂组成图如图3所示，图4为二系悬挂摇枕装配过程。


3 系统关键技术与实现
3.1 系统实现工具
(1)系统集成工具

Authorware 是面向对象的多媒体开发工具，以图标为基础，通过流程线来建立各图标的逻辑结构，还提供了函数、变量和交互等功能，其图形化的程序结构清晰、简捷，便于调试，本系统采用该软件作为系统集成实现工具。

(2)仿真动画制作工具

VRML是一种具有沉浸感、交互性的虚拟现实建模语言[3]，占据存储空间很小，它与CATIA和Pro/E等三维软件具有标准接口，还提供了动画插补器节点，可以实现虚拟场景的动画效果。Cosmo Worlds则是针对VRML开发的可视化编辑器，尤其对于动画制作提供了非常直观的平台，运行快捷，所见即所得。系统采用该软件实现转向架的虚拟装配过程仿真。

(3)多媒体制作工具

系统利用图像处理软件Photoshop制作文字信息以表达零部件的名称、安装技术信息和工艺要求，利用Premiere视频编辑软件进行仿真动画的后期制作。

3.2 虚拟装配技术

系统采用虚拟装配技术[4]，通过创建三维模型、模型格式转换、装配顺序和路径规划以及制作仿真动画几个步骤，实现转向架的构架、轮对、一系悬挂和二系悬挂等大部件以及总体装配过程的仿真。使用户可以快速建立对转向架结构特征的感观认识，有助于理解和掌握转向架的复杂结构和装配关系。

3.2.1 坐标变换及模型格式转换

转向架的三维模型是利用CAD/CAM软件CATIA创建的，而装配过程的仿真在Cosmo Worlds可视化平台上实现。由于CATIA和Cosmo Worlds的笛卡尔坐标系不同,如图5(a)、(b)所示，所以在实现装配仿真之前，需要进行坐标变换。然后利用CATIA的标准接口进行模型格式的转换，对转向架的构架、轮对和一系悬挂等五个大部件分别将其零部件模型逐一输出为.wrl格式文件。


3.2.2 装配仿真的实现

在实现虚拟装配仿真之前,首先要进行总体规划，确定零部件的装配顺序和路径，这是进行装配仿真的重要环节。转向架零部件的装配顺序是按照装配工艺规程确定的，装配路径的规划是确定零部件在装配时的运动轨迹，使其避免发生干涉。

对转向架装配过程的仿真,是基于VRML在Cosmo Worlds平台上通过制作动画实现的。利用VRML各种插补器节点，通过改变节点的域值以及路由对事件的传递，使零部件发生平移和旋转，视点发生切换或放大或缩小，从而实现转向架各大部件以及总体的虚拟装配。
主要步骤包括：用Inline方式导入模型→创建仿真动画→定义动画指针→添加动作→定义关键帧→赋材质→生成动画文件。然后利用Photoshop制作文字标注，用Premiere将文字和图像等合成为.avi动画文件，这样生成的转向架装配仿真动画可以生动、形象地表达零部件的安装顺序、工艺要求以及装配关系。图6所呈现的是按照装配顺序将构架、制动系统、牵引、一系悬挂、二系悬挂、轮对组成、管路布置和辅助装置等零部件装配组成的动车转向架。


3.3 交互技术

系统利用Authorware的热区、按钮和文本等交互响应方式，为用户提供了交互功能。

(1)以图文并茂的形式清晰地表达了转向架的总体

概况、主要技术参数和结构特点等，用户可以通过鼠标点击，浏览查看这些信息。

(2)利用DirectMedia-Xtra 插件提供了装配仿真视频的播放和暂停功能，还可以通过拖动滑动条，快进到感兴趣的装配画面，以便用户在观看时根据需要随时控制视频的播放。

(3)利用热区响应，设置开关控制背景音乐，用户可以通过点击背景音乐图标，控制它的开启和关闭。

(4)利用翻页、返回和退出按钮响应，用户可以实现页面间的跳转以及系统的退出。

3.4 多媒体技术

系统采用多媒体技术将转向架的各种信息呈现给用户，使用户通过文本和图片，了解转向架的技术信息、结构特点以及识别零部件等。通过装配仿真视频演示，观看转向架的大部件和总体的虚拟装配过程，详细了解转向架的结构、安装顺序、工艺技术要求以及各零部件的空间位置关系，帮助用户加深对转向架的认识和对装配的理解与记忆，缩短认知过程。

系统借助于基于流程线和图标设计方式的Authorware多媒体开发工具，利用显示、交互和计算等图标，将转向架的文本、图形、图像、声音和视频等信息嵌入到各功能图标中，并通过函数和变量的使用，有效地集成了转向架的多媒体信息，为动车组转向架相关人员提供了一个多媒体的可视化信息平台。

3.5 数据压缩技术

系统采用多媒体技术使得信息更加丰富，通常数据量也比较大，信息中的冗余数据会影响系统的运行速度，有必要利用数据压缩技术[5]对文件进行优化压缩处理。

(1)VRML文件的优化

对于VRML文件，虽然占据的存储空间比其他格式文件小得多，但还有优化的空间。系统采用以下优化方法：①使用重用机制，对相同的部分利用DEF(重定义节点)与USE(重用节点)很大程度地简化了文件。②利用Inline节点减少文件的体积，提高了代码的重用率。

(2)图像文件的压缩

图像压缩技术分为静态图像与动态图像压缩技术。静态图像压缩技术主要是对空间信息进行压缩，而动态图像压缩技术，除了对空间信息进行压缩外，还要对时间信息进行压缩。JPEG和MPEG是国际标准化组织(ISO)制定的压缩标准。

静态图像压缩标准JPEG适用于连续色调彩色或灰度图像，其压缩技术能够去除冗余图像和彩色数据，在获得极高压缩率的同时，还能展现丰富生动的图像，平均压缩比为20:1。系统转向架的结构均用JPEG静态图像文件来表达，很大程度地减少了文件的存储空间，同时还保持了图像文件的高质量。

动态图像压缩标准MPEG适用于不同带宽和数字影像质量，采用了帧内和帧间图像数据压缩技术，以减少空域和时域冗余，图像压缩比高达200:1，同时图像数据失真很小。以转向架总体装配视频文件为例，通过WinAVIVideoConverter专业视频编、解码软件，采用XviD MPEG-4压缩后，由2.1 GB压缩为50 MB，而且保持了原有的视频质量。

CRH5动车组转向架虚拟仿真系统的开发，不仅为动车组转向架的维护和人员培训提供了一个可视化的多媒体信息平台，也为其他场合的交流提供了直观的沟通方式，取得了很好的实际使用效果。系统采用的多媒体、虚拟装配和仿真技术，使得它能够以文本、图形和图
像方式清晰地呈现转向架的技术信息和结构特点，形象、生动地展示转向架各大部件及总体的安装顺序、工艺要求和复杂装配关系。这些特点在实际使用过程中得到了用户的充分肯定。

当然,还需进一步完善系统的交互功能和信息呈现方式，从而更好地支持围绕转向架维护检修的各种应用需求。