城軌車輛轉向架虛擬檢修系統的研究與開發

施國平，譚喜堂，申朝旭

SHI Guo-ping，TAN Xi-tang，SHEN Zhao-xu

（同濟大學 電子信息與工程學院 電系工程系，上海 201804 ）

0 前言

隨著我國城市鐵路運輸的發展，地鐵車輛的產量將不斷增加，參與城軌運營的人員也會不斷增多，轉向架結構及其檢修信息是運用、檢修人員必須掌握的知識[1]。沈陽地鐵車輛采用的CCDZ50型動力轉向架兩軸上分別安裝了兩臺三相四線制鼠籠式牽引電機[2]。所以與傳統機車轉向架相比，檢修修成有很大的不同，因而在教學方面必須使用新設備。采用物理樣機進行檢修培訓不但成本巨大，而且浪費人力物力。因此，設計開發一套具有虛擬檢修、三維模型瀏覽、電子圖紙和電子修程等相關內容的“城軌車輛轉向架檢修教學系統”將具有安全、高效、成本低、可重復、便于攜帶和進行突發事件及故障狀態模擬等重要意義[3,4]。

1 虛擬檢修技術及系統具有的功能特點

虛擬檢修技術是虛擬現實技術的一個發展分支，其已經成為提高檢修技術水平的研究熱點。用于指導實踐的虛擬檢修技術的基本思想就是從檢修工藝的角度，利用計算機仿真技術和虛擬現實技術，建立一個高逼真度的檢修工藝仿真環境，用戶可以在虛擬環境中直觀的了解檢修工藝，確定檢修工序、工件使用和拆裝檢修操作方法，最終用于指導實踐[5,6]。

虛擬檢修系統應具有以下功能特點：

1）系統中轉向架模型能夠真實準確地表達CCDZ50型轉向架的結構；

2）集成轉向架三級修相關的故障情況和檢修內容，能夠全面滿足檢修教學要求；

3）檢修模塊除了能通過自動檢修模式演示整個檢修過程，直觀真實的演示零件的檢修步驟和緊固動作外還能通過人機交互模式實現用戶與虛擬環境利用鼠標和鍵盤進行交互并對轉向架進行虛擬拆裝檢修的功能。

4）集成語音、文字標注、檢修文檔和圖片等信息對檢修內容做出更全面直觀的表達。

5）培訓過程控制系統可以對學員的模擬檢修過程進行全程監控并對檢修結果給出快速準確的評價。

2 轉向架虛擬檢修系統的制作方案

該體系結構主要包括模型顯示系統、轉向架結構分析系統、數據庫管理系統和三維虛擬檢修系統四部分。系統中轉向架模型和檢修基地場景模型格式為*.osg，用Pro/E建立的三維實體模型通過模型導入模塊轉換為*.osg格式作為系統的幾何數據模型。數據庫管理系統用來存儲和顯示產品的檢修層次模型，同時管理系統數據，本系統選用SQL Server 2000作為數據庫管理系統。三維虛擬檢修系統是實現產品檢修仿真的場所，用OSG，VC++ 2005和Windows XP操作系統建立虛擬環境，在虛擬環境中實現虛擬檢修。

整個系統的實現過程為：首先，在CAD系統中建立產品的三維幾何數據模型，通過模型轉換工具將模型轉換成系統可以讀取的數據，在虛擬檢修系統中提取三維幾何數據；建立信息集成的裝配模型，生成產品檢修樹和零件屬性的數據庫管理系統；然后，建立虛擬三維仿真系統，在虛擬環境下，用戶可以從任意的角度觀察和操作零部件模型，并利用鼠標和鍵盤對零部件進行檢修操作，實現檢修過程；然后在零部件的檢修過程當中實時的對零部件之間以及零部件與操作臺之間的檢修動作進行調整，并將檢修結果輸出到用戶窗口；檢修結束后，系統以數據和檢修動畫的方式輸出給用戶。

3 系統的結構劃分及功能描述

系統分為一個主控模塊和四個功能子模塊，功能子模塊分別為：虛擬環境建立模塊、模型操作模塊、數據庫管理模塊和系統界面模塊。系統的四個模塊受同一主模塊控制，系統的模塊結構如圖1所示。各模塊的主要功能如下：

圖1 系統模塊結構圖

1）系統主控模塊：協調和控制以下四個模塊的運行。

2）數據庫管理模塊：用來管理系統全部數據。另外，根據產品模型進行數據庫整體結構設計，實現模型顯示和對數據庫中數據管理和檢修結果處理等相關功能。

3）虛擬環境建立模塊：它是通過OSG建立的圖形顯示視口，是用于檢修顯示的虛擬環境，并包括攝影機視口的相關動作，可以從不同的角度、放大或縮小觀看物體，其間還可以改變背景色和光照。

4）模型操作模塊：它完成對虛擬環境中的物體模型進行操作，是進行虛擬檢修的關鍵模塊，通過該模塊完成對操作對象的點選、旋轉和拖拽等功能；另一方面又能用實體圖（Face）或線框圖（wireframe）觀看物體。

5）系統界面模塊：通過Qt編寫，是系統直接面向用戶的窗口。用戶對于系統的所有操作都是通過系統界面進行操作的，它是所有功能子模塊前端顯示的容器。

4 教學系統制作過程中關鍵技術及其實現

4.1 創建用戶界面應用程序

用戶操作界面是檢修系統的重要組成內容，用戶操作系統時直接面對的就是系統界面，系統界面應該包括操作檢修系統所需要的功能鍵和用于虛擬檢修的虛擬環境。在進入系統后，用戶可以使用鼠標及功能鍵對界面上的按鈕進行點選等動作以完成相應的指令。這里選取Windows XP操作系統與VC++2005和Qt三者相結合的方式創建系統操作界面。

根據Qt提供的組件，設計了三類與系統相關的組件：系統主界面組件、檢修視口組件、功能組件。其中功能組件包括菜單組件、按鈕組件、結構列表組件、狀態欄組件等。它們之間通信合作的關系如圖2 所示。通過Qt創建的虛擬檢修教學系統界面如圖3所示。

圖2 系統組件之間的通信關系

圖3 通過Qt創建的虛擬檢修教學系統界面

4.2 轉向架模型建立

轉向架虛擬檢修的實現采用基于模型方法建立虛擬檢修環境，其中，幾何模型是構建虛擬檢修環境的基礎。現在主流的工業建模軟件Pro/E、CATIA等都能提供專業、簡潔、精確的工業模型繪制功能，更適合轉向架模型的建立。考慮目前學校的軟件配置，在Pro/E中建立三維模型、裝配零件和進行干涉檢查是一種較為合理的方法。

4.3 虛擬檢修系統中的交互設計

在虛擬檢修過程當中，用戶直接面對的就是檢修視口，用戶對轉向架的觀察與交互都是通過檢修視口完成的。視口需要具備攝影機平移、旋轉和鏡頭拉近拉遠功能。在用戶與轉向架的交互方面，用戶需要標識屏幕上的物體，然后移動、操縱這些物體，以便進行檢修的基本操作。

4.3.1 檢修視口的創建

檢修視口的創建以及視口與用戶交互的創建是通過OSG中的osgViewer類建立的。osgViewer視口類支持使用多個視口和渲染器的多線程程序。osgViewer視口類提供對攝像機運動，事件處理的支持。

本系統需要單一視口和單一攝影機對虛擬檢修的過程進行交互和觀看，但考慮到以后系統功能有可能升級為多部攝影機對轉向架的拆裝過程進行記錄，所以這里需要Viewer：Viewer類建立虛擬檢修的環境視口。Viewer：Viewer類用于管理多個同步攝像機，可從多個方向渲染單一的視口。根據底層圖形系統的能力，Viewer可以創建一個或多個自己的窗口以及圖形上下文，因此使用單一視口的程序也可以在單顯示或者多顯示的系統上運行。

4.3.2 攝影機的創建

攝影機創建是通過Viewer類在內部創建了一個osg：：Camera攝像機對象來管理OSG的模型-視圖矩陣。設置Camera對象的投影矩陣和觀察矩陣為自定義的矩陣值。這樣也可以保證用戶程序能夠完全控制視口的瀏覽動作。

4.3.3 用戶選擇

由于繪制在屏幕上的物體通常經過了旋轉、平移、縮放和透視變化，因此要確定哪個物體被操作者選中是一件比較困難的事。OSG提供的最簡單的形式為用戶將鼠標移動到場景中特定的位置并點擊鼠標，程序內部將進行運算，以便將2D的鼠標XY坐標位置映射到正確的3D場景圖形節點上，并保存節點地址以便將來使用。

4.3.4 零件的操作

OSG包含了一系列實用的類和工具，其中用于基本的拖拽和旋轉縮放功能工具是存放在osgManipulator名字空間下的Dragger，以下幾種方式都可以應用到零件的檢修操作中：

TabPlaneTrackballDragge 可平移的軌跡球旋轉TrackballDragger 軌跡球旋轉TranslateAxisDragger 三維拖動

當程序需要實現相應的功能時只需對其調用就可以了。

5 系統實現及應用實例

根據上述介紹的系統體系結構及各個功能模塊綜合建立了虛擬檢修教學系統的主界面效果如圖3所示。系統中進行虛擬檢修的檢修界面如圖4所示。

圖4 虛擬檢修界面

檢修界面分為三大部分，頂端菜單欄；左側是需檢修零件名稱顯示區；右側是用來顯示三維實體的檢修顯示環境，所有的檢修過程都將在此環境中實現并顯示；

當需要對某一部分進行檢修時，只需在樹狀列表中對其進行點選，界面右側的檢修環境中對應的模塊就會以高亮的方式顯示，同時其它模塊會變成半透明形態用以突出選中模塊。如圖4中選中空氣彈簧模塊時系統的顯示效果。

用戶與虛擬環境的交互有兩種形式：一種是用戶與視口的交互，另一種是用戶與檢修模型的交互。兩者之間的切換是通過菜單欄中的“顯示”菜單或者鍵盤上的快捷鍵“Tab”鍵來實現的。當進入系統時，系統默認的人機交互形式是操控攝影機，這時鼠標左鍵的功能是旋轉，中間的功能是平移攝影機，右鍵的功能是縮放攝影機。當按下Tab鍵或將顯示中的勾選去掉之后就進入了對數據模型的操控狀態。這時用鼠標在模型上點選，鼠標會捕獲點選的零件并在零件上形成三維的拖拽器，用戶可以用其對零件進行拆裝檢修操作。圖5為對空氣彈簧零件進行拖拽操作時拖拽器效果。

圖5 對空氣彈簧零件進行拖拽操作

在檢修過程中，每檢修進行一步，系統便將其標記，檢修完成之后，菜單欄“查看”下面的“檢修過程”按鈕將會由灰顯變為實顯，點擊此按鈕，系統將己經記錄的檢修結果以文本的方式顯示給用戶。

6 結論

城軌交通大發展需要一大批高素質的車輛維修技術人員。本文提出了轉向架檢修教學系統設計方案，闡述了系統的工作原理，并基于以上技術針對沈陽地鐵車輛CCDZ50型轉向架檢修設計了“城軌車輛轉向架檢修教學系統”。該教學系統結構合理、功能完備、性價比高。其設計思路不僅適用于城市軌道交通，也可為車輛、船舶和飛行器等檢修系統的設計提供借鑒。

[1] 宋曉文.北京八通線地鐵車輛SDB-80型轉向架的研制[J].鐵道機車車輛.2004：24(z1)：20

[2] 尹振昆.北京地鐵五號線培訓教材1車輛整體[M].

[3] 汪詩林,吳泉源.開展虛擬實驗系統的研究和應用[J].計算機工程與科學,2005：26(4)：33-35.

[4] CRH3高速動車組轉向架多媒體檢修系統鑒定文檔[J].大連交通大學,2009.

[5] 劉佳.劉毅.虛擬維修技術發展綜述[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2009,21(11)：1521-1525

[6] Ma Lin,Lu Chuan.Study on virtual maintenance technology [J].Journal of Computer-Aided Design &Computer Graphics, 2005, 17(12)：2729-2733