面向檢修的CRH3動車組轉向架虛擬仿真系統開發*

米小珍,梁樹林,兆文忠,陸海英,金 燕,范 軍,尹振坤,戴 杰,蒼 松,呂 超,蔣 慧

(1 大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧大連116028;2 中國北車集團公司 長春軌道客車股份有限公司轉向架部,吉林長春130062)

根據中國最新的中長期鐵路網規劃,到2020年中國鐵路網規模將增加到12萬km,快速客運網里程達5萬km以上,大約要運行兩萬輛以上動車組。轉向架技術是高速動車組核心技術之一,直接關系到運行的安全性、可靠性和舒適度,尤其是在CRH3高速動車組長達20～25年的使用壽命中,大量的檢修、維護人員將參與高速動車組的運營。有資料統計,雖然動車組轉向架大約只占整個動車組成本的15%,但在維修成本中卻占到40%以上(全生命周期),也就是說在高速動車組5級修程中,轉向架的檢修工作量最大、涉及的人員最多,相關的組織管理工作難度也最大[1-5]。

CRH 3動車組是我國目前輪軌系商業運營最高級別的運輸車型,采用CW-300和CW-300D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,獨特的結構設計和復雜的裝配關系,使得傳統的工程圖、裝配工藝文件、檢修工藝卡等形式不利于人們快速、清晰、準確地理解產品的性能、結構、裝配要求、日常維護以及檢修等相關要求。在5級檢修計劃中,大量必要的檢修和維護作業是利用動車組停車、入庫的短暫時段內進行的,這就更加大了作業難度和保證質量的難度。因此,借助計算機仿真、建模、虛擬現實與多媒體技術等,開發面向檢修的CRH 3動車組轉向架虛擬仿真系統具有重大意義。

國內外學者及研究機構以虛擬現實技術為核心,將CAD、可視化、仿真等多種技術綜合運用于裝配和制造過程的虛擬仿真領域,取得了豐碩的研究成果,已經廣泛用于NASA哈勃望遠鏡的虛擬維修訓練、戴姆勒-克萊斯勒公司的汽車維修性評價系統[9]、水輪發電機組檢修的計算機仿真[6]、汽輪機組檢修培訓[7]、民用飛機的維修性評估[8]等多個領域,可以肯定,同樣的技術可以為CRH3動車組轉向架運用、檢修、維護人員提供更多的技術支持。

1 CRH3動車組轉向架結構特點及其系統需求

1.1 CRH3動車組轉向架結構特點

CRH3動車組為動力分散型高速動車組,固定8輛列車編組分別為:動車端車(End Car)EC 01/08、動車逆變器車(Inverter Car)IC 03/06、拖車變壓器車(Transformer Car)TC 02/07、拖車吧臺車(Bistro Car)BC 04、拖車一等車(First Car)FC 05。其中,動力轉向架和非動力轉向架各占50%,所有轉向架的主要模塊相同,通過對每輛車重心和總重的個別調整以及對懸掛系統彈簧的個別調整,獲得最佳運行特性。由于轉向架采用模塊化設計,因而看似簡潔的結構中蘊含著復雜性和多變性,給轉向架使用、維護、檢修人員帶來很大困難。由表1所示,根據轉向架部件功能特點,26個模塊可按功能歸納為9大組成部分,依所用模塊的不同,16個轉向架共有10種不同的配置,不同處見表1中必選模塊和可選模塊列。必選模塊主要分動車和拖車兩類,如動車構架/拖車構架、動車輪對/拖車輪對等,很容易識別。而可選模塊配置規則分兩種,一種為某些車輛獨有(表1中的Ro),如頭車一位端獨有的天線端梁和輪緣潤滑模塊等,也較容易辨別。另一種規則比較復雜,通常與動車組其他系統相關,而且往往是細微之處的不同,很難靠記憶把不同車、不同位置、不同轉向架中某個組成的某個零件具體區別開來。例如,一系懸掛裝置中有3種管卡(T型、O型、L型),3種管卡組合為4種配置用來固定不同的管線,分別為 T-T-T-T、O-O-T-T、T-T-O-O、T-T-L-O。又例如,10種軸端與控制系統診斷傳感器密切相關,很難從外觀判斷不同軸端結構以及連線,見圖1所示。

表1 模塊化結構的CRH3動車組轉向架配置

1.2 系統需求和技術需求

(1)結構特點及其表達需求

CRH 3動車組8輛編組16個轉向架共有10種,從表1可知,模塊化結構看似簡潔卻蘊含著復雜性和多變性,如何使運用、檢修、維護人員能夠清晰、快速地了解其結構特點,明確辨別出相同點和不同點,需要采用適當的方式將CRH3動車組編組信息、轉向架模塊化結構、不同配置的不同點與相同點等表達出來,作為相關人員能迅速了解轉向架結構的途徑。

(2)裝配特點及其表達需求

轉向架是動車組的重要組成部分,零部件的數量多,裝配過程復雜且裝配要求高,即為了保證運行安全性,必須嚴格執行裝配順序,在裝配過程中采用專用潤滑膏、裝配扭矩數值等都有明確規定,完整表達這些信息非常關鍵。尤其對于1級、2級檢修作業時間短、工作量大、涉及運行維護人員廣的情形下需求更加迫切。

圖1 CRH3動車組轉向架軸端配置

(3)信息查詢需求

按照鐵道部規定,高速動車組采用5級檢修,每級檢修修程都明確規定具體的檢修計劃、檢修限度和檢修內容,檢修內容包括檢修項目、檢修周期、列車狀態、作業人員、作業時間、作業工具、作業程序等,這些信息的表達對于運用、檢修、維護人員非常關鍵,直接關系到高速動車組的運行安全性。

(4)人員培訓需求

上述需求都需要相關人員必須掌握,因此,采用多媒體、虛擬現實、計算機仿真技術開發一個高標準和高效率的、培訓用多媒體信息系統,使得人們在非現場環境下,直觀、清晰地了解產品結構、裝配過程、裝配工藝要求、檢修要求等信息,在實習階段就能虛擬實現產品的裝配過程,直觀展示裝配過程中零部件的運動形態和空間位置關系,在轉向架出現問題時能夠在最短的時間內查詢相關的檢修資料,將為企業大大節省不必要的人力物力,達到利潤的最大化。

(5)技術需求

由于多媒體技術具有集成性、控制性、交互性、非線性、實時性、信息使用的方便性、信息結構的動態性等特點,可以將CRH3動車組轉向架的信息借助多媒體技術傳達給用戶,用戶通過顯示的文本來了解CRH3動車組轉向架的技術參數、編組信息、檢修信息等;通過圖片能夠熟悉CRH 3動車組轉向架各零部件以及它們具體的分布位置等;通過仿真動畫視頻演示CRH3動車組轉向架零部件的裝配過程,以及詳細的操作工藝要求,使復雜的裝配關系得到清晰的表達。通過嵌入的虛擬現實技術展示CRH3動車組轉向架零部件的三維模型,用戶可以對三維模型實現平移、縮放、旋轉等操作來了解三維模型的結構特征。最終希望《CRH3動車組轉向架多媒體信息系統》制作為單張DVD光盤,便于廣泛推廣和使用。

2 系統結構與關鍵技術

2.1 系統結構

根據以上需求分析,針對目前CRH 3動車組轉向架檢修業務,選用多媒體技術作為開發平臺,將聲音、文本、視頻、虛擬現實等技術應用到CRH 3動車組轉向架多媒體信息系統,開發了培訓與檢修用的人機交互式多媒體信息系統。系統主要用于高速動車組檢修基地對檢修人員的培訓,便于檢修人員在脫離現場的環境下迅速地掌握CRH3動車組轉向架的檢修技術。

系統主要功能如下:

(1)對CRH 3動車組轉向架的技術參數、編組信息、動車、拖車模塊配置以及軸端配置通過交互式圖文表達。

(2)利用當今流行的虛擬現實技術對三維模型建立虛擬場景,使場景與操作者發生交互,實現操作者對動車組轉向架零部件的結構特征全面了解。

(3)應用虛擬裝配技術對CRH3動車組轉向架各大部件的裝配過程虛擬仿真,并配合詳細的裝配解說,使復雜的裝配關系得到清晰的表達。

(4)提供CRH3動車組的檢修周期、檢修計劃、檢修限度以及檢修內容等常規檢修信息。

(5)具有自動檢測和插件安裝功能,以便同時支持當今的W indow s XP/W indow s Vista主流操作系統。

2.2 關鍵技術

2.2.1 多媒體系統開發工具

多媒體系統的開發工具包括圖形處理、視頻處理和多媒體制作工具,其中多媒體制作工具主要分為4類:(1)基于時基的多媒體制作工具,以可視的時間軸來決定事件的順序和對象上演的時間;(2)基于圖標或流程的制作工具,在這類制作工具中,多媒體成分和交互隊列(事件)按結構化框架或過程組織為對象;(3)基于卡片或頁面的制作工具,提供一種可以將對象連接于頁面或卡片的工作環境;(4)以傳統程序語言為基礎的多媒體創作工具,需要用戶編程量較大,而且重用性差、不便于組織和管理多媒體素材、調試困難。

由于在復雜的系統結構中,基于流程的創作工具有利于開發過程中的調試,因而被很多系統開發人員選用,本文選用Authorware作為開發工具。

2.2.2 動畫制作與處理技術

動畫制作與處理技術主要用于形象地展示轉向架各大部件和整體的虛擬裝配過程,可以使復雜的裝配關系得到清晰的表達,便于人們快速了解轉向架的結構和裝配關系。動畫制作可以采用面向PC機的中型三維動畫制作軟件3DSMAX,其制作原理與電影制作原理一樣。整個過程包括3D CAD模型導入3DSMAX中→賦材質、建立組件→定義關鍵幀,以使零件按照所需路徑進行移動、轉動等→經渲染后處理生成動畫文件(*.avi文件)。之后,通過多媒體制作工具軟件將其與聲音、文字等集成于系統中。

2.2.3 虛擬現實技術

多媒體技術通過三維模型和環境建立虛擬的三維場景,使場景與操作者發生交互,實現操作者對三維場景的控制,從而操作者能夠在虛擬的環境中進行飛行訓練、模擬駕駛、虛擬制造等,這種高級的多媒體技術整合了圖像、聲音、各類傳感器、各類反饋技術等,稱為虛擬現實,它更徹底地體現了多媒體的概念。

CRH 3動車組零部件結構復雜,二維工程圖或靜態的三維圖已無法形象地表達清楚零部件的結構,虛擬現實技術以交互的形式把產品動態地展示出來,使用戶可以以任意角度、任意比例瀏覽對象產品。

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。而且Cult3D為Authorware提供了ActiveX控件Cult3D Active XPlayer,通過Cult3D發布的三維演示文件.co可以加入到Authorware中。首先將已經通過CAD軟件完成的裝配件(如Pro/e的裝配文件.asm)導入到3DS M AX,在3DS M AX中為三維模型附材質和建立虛擬場景,并將三維模型輸出成Cult3D Designer的*.c3d格式文件,然后在Cult3D Designer中給模型加入交互動作,制作完成后進行壓縮保存為*.co文件,該*.co文件就可以嵌入Authorware多媒體產品中。

2.2.4 多媒體信息處理技術

多媒體信息的數據量遠比其他形式的信息要大,這就對多媒體信息的存貯、傳輸和處理都提出更高的要求。特別是系統中裝配演示的動畫容量大、數量多,單張4.6 GB的DVD光盤記錄不下整個檢修信息系統。因此壓縮技術是非常重要和關鍵的。

(1)數據壓縮技術

壓縮技術主要指編碼技術,數據在傳輸前經過一定的編碼技術進行壓縮,以減少通信信息量,在接收端再進行自動解壓,對數據進行恢復。對多媒體信息進行壓縮處理是因為多媒體信息中存在大量的冗余信息,如信息熵冗余、空間冗余、時間冗余、結構冗余、知識冗余等。通過編碼計算方法來消除冗余信息,一方面保持了原來信息中的成分,二來減少數據的總長度,就實現了數據的壓縮。對于多媒體信息的壓縮處理,不同類型的媒體采用不同的壓縮方法。對多媒體信息的壓縮包括視頻壓縮方法、聲音壓縮方法和圖像壓縮方法等。

(2)視頻壓縮

視頻壓縮方法很多,其中最著名的是由MPEG(Moving Picture Expert Group)專家組提出的MPEG標準。它采用的是一種減少圖像冗余信息的壓縮算法,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。其 3個版本 M PEG—1、M PEG—2、MPEG—4可以適用于不同帶寬和數字影像質量的要求,顯著優點就是兼容性好、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,以CRH3動車組轉向架EC01/08—CE1為例,沒有處理過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 W inAV I選擇MPEG—4壓縮方法壓縮后減小為80 MB。

(3)圖像壓縮

對于靜圖像的壓縮,JPEG(Joint Photographic Expert Group)小組1991年3月提出了ISO CD10918號建議草案:“多灰度靜止圖像的數據壓縮編碼”,用于連續色調灰度級或彩色圖像的壓縮標準,采用離散余弦變換、量化、行程與哈夫曼編碼等技術,通過無損壓縮和有損壓縮,在盡量保持圖像原有信息的前提下,減少圖像的數據量(可達到30∶1的壓縮率,而圖像無明顯的質量退化),這就是JPEG標準。系統中用到大量靜態圖片,將圖片轉換為JPEG標準能很大程度上提升系統的運行速度。

3 系統功能實現

系統采用先進的多媒體技術,通過文字、圖形、圖像、視頻等方式全方位表達了CRH3動車組轉向架的技術信息,為眾多高速動車組設計、工藝、運用、檢修、維護人員提供方便、快捷的技術信息平臺。8輛固定編組的CRH 3動車組轉向架采用模塊化結構設計,針對看似簡潔卻蘊含著復雜性、多變性(16個轉向架分為兩類10種)的轉向架結構特點,采用人機交互方式:(1)提供技術參數、編組信息、動車模塊配置、拖車模塊配置及結構特點等信息(圖2);(2)展示10種軸端裝置在不同轉向架的配置,以及每種軸端裝置3D爆炸圖(圖3);(3)任意點擊10種轉向架之一,均可獲取其各個子模塊的結構介紹,瀏覽總體裝配和9大部件的虛擬裝配演示(圖4);(4)基于虛擬現實技術的三維瀏覽功能可以幫助用戶實現三維模型的放大、縮小、旋轉、平移瀏覽(圖5);(5)提供各級修程信息,包括檢修周期、檢修計劃、檢修限度和檢修內容。

圖2 CRH3動車組轉向架編組信息和結構介紹

圖3 CRH3動車組轉向架軸端配置及其結構

圖4 CRH3動車組轉向架制動系統裝配

圖5 CRH3動車組轉向架電機組成

系統采用虛擬現實技術,通過建模、模型轉換、模型壓縮技術和Cult3D技術的綜合運用,建立起一個具有現場感的CRH3動車組轉向架可視化平臺。用戶可通過放大、縮小、拖動、旋轉等交互方式,瀏覽其9大部件的3D模型,方便用戶對動車組轉向架零部件結構特征的全面了解。

系統采用虛擬裝配技術,針對CRH 3動車組10種轉向架的共同點與不同點,通過集合分類與定義、模型重用等技術和技巧的運用,簡化虛擬裝配制作過程,通過材質、色彩、色調突出其結構特征,對CRH 3動車組轉向架整體和9大部件即構架組成、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、軸端裝置組成的裝配過程進行虛擬仿真,使得復雜的裝配關系、裝配順序和裝配工藝要求得以清晰的表達,為相關技術人員提供便捷的、真實感的、可視化的技術支持。

系統采用AutoIt腳本語言開發并實現了系統自動檢測功能,并根據檢測結果自動安裝所需插件,以支持當今主流的W indow s XP和W indow s Vista操作系統,系統兼容性強。

4 結束語

系統針對我國輪軌商業運營級別最高的CRH3高速動車組轉向架,采用先進的多媒體技術,通過文字、圖形、圖像、視頻等方式全方位表達了CRH 3動車組轉向架的編組信息及模塊配置、結構特點及三維瀏覽、模塊組成及裝配演示、各級修程信息。系統采用虛擬現實技術建立起一個具有現場感的轉向架可視化平臺,方便用戶交互瀏覽其9大部件3D模型和結構特征。系統采用虛擬裝配技術,對轉向架整體和9大部件的裝配過程進行虛擬仿真,使得復雜的裝配關系、裝配順序和裝配工藝要求得以清晰的表達。為廣大的高速動車組設計、工藝、運用、檢修、維護人員提供一個方便、快捷,具有真實感的可視化信息技術平臺,從而幫助企業提高效率、降低成本。

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