多媒體技術在動車組轉向架檢修信息系統中的應用

米小珍，戴杰，呂 超，金 燕，馬思群，周韶澤，蔣 慧

（大連交通大學交通運輸工程學院，大連116028）

CRH3動車組是目前我國輪軌運營級別最高的運輸機型，采用CW300/CW300D型轉向架，8輛列車編組中動力轉向架和非動力轉向架各占50%，最高運行速度為350 km/h。CRH3動車組因其運行速度高、運輸密度大、維修停時短、利用率高的特點對檢修業務提出了更高的要求。轉向架作為保證車輛行運安全重要部件，其檢修業務也得到了空前重視。如何迅速而準確地對故障作出響應已成為檢修所面臨的迫切任務。CRH3動車組轉向架是高新技術集成體、技術含量高、裝備復雜，運用維修方式與既有機車車輛有較大差異，呈現高度的專業化、程序化、集約化和系統化特點。及時、準確、完整地獲得信息是高速動車組檢修分析與正確決策的前提[1]，因此，需建立檢修信息系統管理CRH3動車組轉向架檢修信息。

多媒體技術是計算機聲音處理技術、圖形、圖像處理技術，信息處理技術和計算機存儲技術的綜合[2]。它的關鍵特性是信息媒體的多樣性、交互性和集成性，從而使機器處理的信息多維化，使用戶能更有效地控制和使用多媒體，為應用開辟了更加廣闊的空間。聲音、圖形、圖像、動畫和視頻等多媒體元素在CRH3動車組轉向架檢修信息系統中的綜合應用，使其具有良好的人機界面和豐富的表達方式，與傳統的檢修手冊、維修卡片、裝配圖紙等單純文字符號信息相比更具有簡潔、高效、直觀等優點。

1 CRH3動車組轉向架檢修信息系統分析

CRH3動車組為動力分散型高速動車組，由8輛車組成，編組為4動4拖，每輛車有一位端（CE1）和二位端（CE2）兩個轉向架，共16個分10種。動車轉向架（CW300D）由9部分組成，而拖車轉向架（CW300）由8部分組成。每種轉向架均存在不同程度的差異，大到模塊配置差異，小到數千種零部件尺寸的差異。

針對上述現，狀研究并開發了應用于動車組檢修基地檢修人員培訓以及檢修信息查詢的CRH3動車組轉向架檢修信息系統。針對CRH3動車組轉向架的結構特點、裝配信息以及檢修信息采用多媒體信息的形式集成為一個演示系統。采用圖文交互式介紹轉向架的技術參數、編組信息、動/拖車模塊配置和各組成部件的結構特點信息等，配合超鏈接和熱區響應展示10種軸端在轉向架的分布位置及三維爆炸圖。通過建模技術、模型轉換技術、模型壓縮技術和虛擬現實技術的綜合運用，為轉向架九大組成部件建立模擬環境，用戶與環境交互，實現轉向架組成部件以動態、全方位、三維立體方式的展示。借助虛擬裝配技術，對CRH3動車組10種轉向架的各組成部件以及整體進行裝配仿真，并生成裝配演示動畫。結合多種交互方式人機交互查詢轉向架的檢修周期、檢修計劃、檢修限度以及轉向架各組成部件的各級修程信息。系統功能模塊如圖1。

系統采用基于流程的多媒體創作工具Authorware開發，將CRH3動車組轉向架的結構特點、裝配過程、檢修信息通過多媒體文本、圖像、圖形、聲音和動畫形式表達，利用Authorware腳本創作。具體地說：

（1）文本：用來表達CRH3動車組轉向架的結構特點、技術要求、檢修信息等一些專業領域的數據、規則、事實和經驗等信息。

（2）圖像：大量采用圖像的形式表達轉向架的結構特征、裝配要求以及各部件的檢修部位和典型故障癥狀等圖片信息。

（3）圖形：CRH3動車組轉向架多媒體信息系統將建立一個圖形文件庫，用于存放轉向架的構架、輪對、制動等主要部件的三維裝配模型。

（4）聲音：系統中包括背景音樂、配音解說、異常聲響等。

圖1 系統功能模塊

（5）動畫：CRH3動車組轉向架結構復雜，部件繁多，裝配關系復雜，很難用傳統的手段加以表達和講解。借助于動畫對CRH3動車組轉向架的裝配過程進行模擬仿真可很好地展示裝配過程。

2 多媒體技術在系統中的應用

2.1 交互技術在系統中的應用

Authorware提供了按鈕交互、熱區交互、目標區域交互和文本交互等11種交互方式，如圖2。為了便于用戶從總體和局部了解CRH3動車組轉向架的結構特點和檢修信息，系統提供了轉向架選擇、軸端類型選擇、檢修信息查詢等方面的交互功能，用戶可以利用鍵盤、鼠標操作交互選擇所要了解的內容。圖3為一系懸掛檢修信息熱區交互界面，用戶只需將鼠標移動到想要了解的零部件區域，系統會迅速作出響應，將該零部件的檢修信息反饋給用戶。

2.2 裝配仿真技術在系統中的應用

系統借助動畫演示轉向架各部件的裝配過程，使轉向架各部件內部結構及裝配關系以直觀表達。

系統中的動畫采用三維動畫制作軟件3DS MAX制作。3DS MAX中的制作過程分為建模、附材質、設置燈光和相機、編輯關鍵幀、渲染5個基本步驟：

圖2 交互類型選擇

圖3 熱區交互在系統中的應用

（1）建模：3DS MAX擁有一個集成的建模環境，可該完成復雜的三維建模。本系統的建模過程是在CAD建模軟件Pro/E中完成，借助接口軟件PolyTrans將CAD模型導入到3DS MAX。

（2）附材質：在實景中用相應的材質附于轉向架組成部件表面，這樣的目的是使轉向架組成部件更具有真實感。

（3）設置燈光和相機：為了使轉向架組成部件模型更具真實感和達到特殊的修飾效果，必須為模型加入光照和攝像機。

（4）編輯關鍵幀：是指使用動畫記錄器記錄轉向架組成部件裝配過程的各個關鍵幀，在關鍵幀之間進行自動插補計算，得到關鍵幀之間的動畫幀，形成完整的裝配動畫。

（5）渲染：通過渲染可以將材質、光照等效果加入到轉向架組成部件模型中生成靜態的圖像格式。

動畫的最終合成在視頻編輯軟件Premiere中完成，通過Premiere將3DS MAX中渲染輸出的靜態圖片與裝配解說和文字標注等信息合成為完整的裝配動畫，輸出為*.avi格式的視頻文件。系統主要制作了各種轉向架的構架組成、輪對組成、一系懸掛組成、二系懸掛組成、牽引裝置組成、基礎制動裝置組成、電機吊架組成、電機安裝組成、輔助裝置組成、軸端裝置組成9大組成部件以及整體的裝配動畫片段。

裝配動畫在系統中的播放可由DirectMedia-Xtra插件來實現，它所支持的媒體類型有Mpeg、AVI、Quicktime、WAV、 MIDI等，系統為裝配動畫播放建立了播放模塊，用以控制裝配動畫的播放、暫停、停止等，關鍵語句如下：

SetIconProperty(@"DirectMediaXtra",#file,FileLocation^"*.avi")—指定裝配動畫文件位置

CallSprite(@"DirectMedia Xtra ", #videoplay)—播放

CallSprite(@"DirectMedia Xtra ", #videopause)—暫停

CallSprite(@"DirectMedia Xtra ", #videoseek,time)—搜索播放時間，變量time為0時停止播放

CallSprite(@"DirectMedia Xtra ", #setvolume,volume)—音量調節

2.3 虛擬現實技術在系統中的應用

CRH3動車組轉向架零部件結構復雜，二維工程圖或靜態的三維圖無法完整清楚地表達零部件的結構。虛擬現實技術以交互的形式實現CRH3動車組轉向架組成部件的動態展示，在虛擬環境中用戶可任意地縮放、旋轉和平移轉向架組成部件的三維模型，更全面的獲取轉向架組成部件的結構信息。

系統采用Cult3D虛擬現實軟件實現轉向架零部件的虛擬現實展示。Cult3D對象的制作過程如圖4。

圖4 Cult3D制作流程

（1）采用CAD造型軟件Pro/E為轉向架各組成部件建模，裝配模型*.asm可通過接口軟件PolyTrans導入到3DS MAX，在3DS MAX中為模型附材質、設置光照和攝像機、剪面處理、建立虛擬場景，并通過接口軟件Cult3D Exporter輸出*.c3d文件。（2）在Cult3D Designer中進行Cult3D對象的交互設計，包括場景設置，物體旋轉、平移、縮放、復位等事件的設置。（3）經壓縮保存格式為*.co的文件。語句CallSprite(@"ActiveX ",#Loadcult3d,FileLocation^" *.co")即可將指定的Cult3D對象*.co調入展示Cult3D在系統中的實現如圖5。

圖5 Cult3D在系統中的實現

3 多媒體信息處理技術

多媒體信息的數據量遠比其它的信息要大，這使得不管是對多媒體信息的存貯，傳輸和處理都提出更高的要求。特別是系統中的裝配演示動畫容量大，數量多，單張DVD光盤4.6 GB的容量記錄不下整個檢修信息系統。因此壓縮技術非常關鍵。

3.1 視頻壓縮技術

視頻壓縮方法采用的是一種減少圖像冗余信息的壓縮算法，它提供的壓縮比可以高達200：1，同時圖像和音響的質量也非常高。現有3個版本：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4以適用于不同帶寬和數字影像質量的要求。它的顯著優點是兼容性好、壓縮比高、數據失真小。通過3DS MAX制作的裝配動畫輸出格式為*.avi的視頻文件，其容量比較大，如CRH3動車組轉向架EC01/08-CE1，未經壓縮的二系懸掛裝配動畫視頻為1.7 GB，通過專業視頻編、解碼軟件WinAVI選擇MPEG-4壓縮方法壓縮后減少到80 MB，壓縮后視頻沒有明顯的失真現象。

3.2 圖片壓縮技術

系統中用到大量靜態圖片，CAD軟件的截圖以及3DS MAX渲染圖片一般較大，通過專業圖像處理軟件Photoshop將圖片裁剪到所需尺寸并經壓縮存儲為JPEG標準，能很大程度上提升系統的運行速度[3]。

4 結束語

本系統針對CRH3動車組轉向架檢修業務而開發，采用多媒體軟件作為開發平臺，將文本、聲音、圖像等媒體元素集成于系統，有效地獲取CRH3動車組轉向架的技術參數、編組信息、模塊配置、檢修信息等；并利用動畫對轉向架各組成部件進行裝配仿真，使用戶在脫離現場的環境下全面地獲取各零部件的裝配關系，裝配要求等信息；在虛擬場景中展示CRH3動車組組成部件的三維模型，通過縮放、平移、旋轉等交互動作實現轉向架組成部件結構信息的全方位展示。此外，系統集成了熱區響應、熱物體響應、按鈕響應等多種交互方式，使系統擁有良好的交互性和操控性；引入了AutoIt腳本語言實現系統運行環境檢測和必要插件自動安裝功能，增強了系統的運行可靠性與兼容性。

目前，高速動車組大量投入使用，動車組檢修基地正在緊張建設中，基于多媒體技術的高速動車組轉向架檢修信息系統將有助于中國高速鐵路的安全運營和維護，具有良好的應用前景。

[1] 董錫明. 高速列車維修及其保障技術[M] . 北京：中國鐵道出版社，2008：258-263.

[2] 蔣亞南，樓應侯. 多媒體技術在汽油發動機故障診斷專家系統中的應用[J] ．科技通報，2002，18（4）：299-303.

[3] 劉光然. 多媒體技術與應用[M] . 北京：人民郵電出版社，2005：60-142.

[4] 孫雪姣，葛正義，張春. 高速鐵路動車組檢修計劃方案的探討[J] . 鐵道建筑，2004（12）：73-75.