基于虛擬現實的動車組維修性驗證系統研究與設計

宋培元，劉 媛，高 鵬

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.北京航天測控技術有限公司，北京 100041)

基于虛擬現實的動車組維修性驗證系統研究與設計

宋培元1，劉 媛2，高 鵬2

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.北京航天測控技術有限公司，北京 100041)

針對動車組維修性驗證方法不足的問題，提出了采用虛擬仿真手段對維修性進行驗證的方法；結合動車組系統的特點，對基于虛擬現實的動車組維修性驗證系統進行了方案設計，給出了維修性驗證具體流程，研究了三維虛擬樣機建模的基本方法；虛擬維修性驗證系統有效提高了動車組維修性設計效率，縮短了研制周期，是一種實現動車組維修性并行優化設計的有效方法。

虛擬現實；動車；維修性驗證

0 引言

高速鐵路是現代社會重要的運輸方式，中國已擁有全球最大、最高運營速度的鐵路網。截止2015年9月底，中國高速鐵路運營里程達到2萬公里以上；預計到2020年底，我國高速鐵路運營里程將達4萬公里，基本覆蓋省會級50萬人口以上城市。在高速鐵路大規模發展的背景下，如何提高動車組的可靠性、維修性，合理優化維修策略是保證高速鐵路運營安全的關鍵技術。

動車組是大型復雜產品，具有系統復雜、技術先進、設備精密等特點。傳統的產品設計過程中，維修性的設計與評價主要是在實物物理樣機上進行的。維修工藝設計人員通過對物理樣機進行實際操作，對產品的維修性進行評價，并將維修性缺陷反饋給設計人員。設計人員根據反饋信息對產品設計方案進行修改，通過反復的樣機實驗與方案修正，最終保證產品良好的維修性。由于物理樣機制作時間長，造價高，因此對于動車組這種大型復雜系統，采用傳統方法進行維修性設計與驗證，大大增加了設計周期和研制成本。

隨著虛擬現實技術的飛速發展，可以采用虛擬樣機代替物理樣機，進行維修性設計與驗證。采用虛擬仿真的方式，可以在虛擬環境對虛擬樣機的維修過程進行仿真，利用實時碰撞檢測技術，可以真實的反應產品在維修過程中發生的問題，并對產品的維修性設計做出評價。采用虛擬現實技術代替傳統物理樣機的方式進行產品維修性設計與驗證，大大縮短了產品的研制時間，節約成本。

1 虛擬維修性驗證系統結構與原理

基于虛擬仿真的維修性驗證系統是利用虛擬維修環境，通過維修作業仿真，考察維修對象的可達性、可視性、維修人員的工作姿態、操作簡便程度、維修時間、環境因素等維修性參數，并給出驗證結果和修改建議。合理的維修性設計應使維修人員在任何時刻觀察、操作都很方便，并且在較長的時間維持某種作業姿勢時，不會產生或者盡可能少的產生不適和疲勞。

圖1 虛擬維修性驗證系統架構圖

基于虛擬仿真的維修性驗證系統由虛擬資源管理系統、虛擬維修仿真平臺、故障模擬系統以及維修性分析與評價系統構成，如圖1所示。資源管理系統主要包括虛擬維修人員、工具、虛擬樣機等資源的管理。虛擬維修仿真平臺為維修環境、虛擬樣機、維修工具等虛擬資源提供統一的展示和渲染平臺，通過故障模擬系統控制虛擬樣機各個部件的狀態，并針對整個維修過程進行可達性檢測、干涉和碰撞檢測為維修性指標的分析與評價提供依據。故障模擬系統主要是通過故障模式管理、故障隔離程序管理等功能為虛擬故障現象模擬、維修過程仿真提供相關數據。維修性分析與評價系統通過虛擬維修仿真平臺對維修過程仿真中的碰撞檢測、維修時間、干涉檢測的結果，對維修性的相關指標進行分析與評價。

1)虛擬維修人員管理系統。

虛擬人員全尺寸模型管理：虛擬維修人員模型管理采用人體全尺寸模型管理，按照《用于機械安全的人類功效學設計》標準，建立身高、體后、兩肘間寬、臂長、手長等關鍵人體指標參數管理庫。根據維修作業環境的不同，采取的作業姿勢的不同，對于人體不同的關鍵尺寸設計采用第95百分位數或者第5百分位數。例如，當采用全身進入機械內部的方式進行維修時，身高、體厚等參數采用第95百分位人員的統計值；當采用前臂進入的方式進行維修時，前臂直徑，拳直徑、大臂直徑等參數采用第95百分位人員的統計數值，臂長、手長等參數采用第5百分位人員的統計數值。因此，采用人體全尺寸模型對虛擬維修人員進行管理可以確保維修驗證系統的驗證結果適用于90%的人群。

骨骼管理：骨骼管理包括對骨骼幾何模型、骨骼數學模型的管理，以及利用關節動畫與關鍵幀動畫結合對骨骼動畫進行控制算法的管理。

皮膚管理：皮膚管理包括對虛擬人外形皮膚的管理以及針對不同皮膚的變形算法的管理。

姿態管理：姿態管理是對虛擬人建立姿態庫，對維修過程中的人物姿態進行統一的管理，并對姿態隨保持時間的舒適度評價體系進行管理。

動作管理：動作管理主要對虛擬人在維修過程中的典型動作建立動作庫，對動作幅度、動作范圍、維修效率等參數進行統一管理。

2)虛擬工具管理系統。

模型管理：在設備的維修過程中使用到大量的通用、專用維修工具，模型管理是對維修性虛擬驗證平臺中的所用虛擬工具的幾何模型進行統一管理。

工具屬性管理：工具屬性管理主要是對工具的尺寸、重量、類型、描述信息、操作對象、工作約束等相關屬性進行管理。

選取與釋放：工具的選取與釋放是通過碰撞檢測算法來實現，在虛擬工具系統中，定義工具的碰撞包圍盒、工具操作部位等信息，并進行統一管理。

操作控制：工具的操作控制是針對工具的功能、操作對象進行分析，對工具的完整操作行程的操作軌跡、操作方式進行統一管理，并通過碰撞檢測，實時調整工具的操作軌跡，實現對工具的操作控制。

3)虛擬樣機系統。

虛擬樣機系統主要包括模型處理模塊、樣機裝配模塊和樣機行為建模模塊等功能組成。模型處理模塊主要實現模型格式轉換功能和模型輕量化功能，將樣機的工程模型，通過格式轉換與模型的輕量化處理加載到維修性驗證系統的模型庫中。虛擬樣機裝配模塊主要包括模型結構管理、裝配關系管理、裝配方位關系等功能，通過解析模型的結構以及相關關系，獲取模型的裝配關系和相互約束關系，作為維修流程設計的依據。樣機行為建模模塊主要包括行為定義、交互屬性定義、行為約束定義等相關內容。通過對樣機的工作原理進行分析，對樣機的行為模式，零部件間的行為約束進行建模，獲得樣機的行為模型，作為維修結果的原理驗證模型。

4)虛擬維修仿真平臺。

虛擬維修仿真平臺主要包括三維仿真引擎、設備維修仿真管理、設備維修檢測等功能模塊。在三維仿真引擎中主要實現了對場景、材質、紋理、燈光與渲染、骨骼動畫、粒子特效等內容的管理。為虛擬維修仿真平臺提供多種維修場景，可以根據設備維修的實際條件對維修環境、廠房車間規格、燈光條件、天氣條件等進行選擇和配置。設備維修仿真主要實現了設備的拆卸、裝配過程的仿真，設備維修的故障隔離過程、故障排除程序和維護工藝流程的仿真。設備維修檢測模塊通過對維修仿真流程實施動態的碰撞檢測，最終實現對維修的可達性、可視性檢測和維修過程中的碰撞檢測，以及維修完成后，設備運行過程中的零部件干涉情況檢測，為維修性的驗證與評價提供依據。

5)維修性分析與評價系統。

維修性分析與評價系統主要包括維修可視性分析與評價、可達性分析與評價和分析報告生成等功能模塊。

維修可視性是指在設備維修過程中，對被維修物體的視覺上的通達性，即從一個或多個位置所能看到的范圍一級可見程度。維修可視性分析與評價采用可視錐法進行維修可視性的分析與評價。根據《軍事裝備和設施的人機工程設計準則》可以確定當頭部保持直立不動僅雙眼轉動的情況下，人類最大視野范圍在水平線向上25度向下35度，左右各35度的范圍內；人類最佳視野范圍在水平線0度至向下30度，左右各15度范圍內。根據人類最佳視野以及最大視野建立最佳視野和最大視野的可視錐，進而對設備維修可視性進行評價。一般研究認為當被維修工件位于最佳視野范圍內的可視性評價值取0.7～1，位于最大視野范圍內的可視性評價值去0.4～0.7。

維修可達性是指在設備維修過程中，被維修或更換工件可接近的容易程度。設備維修可達性通過碰撞實時檢測技術進行評價，主要包括實物可達性和操作可達性兩部分內容。實物可達性評價是指維修人選擇所用工具后，按照一定的規劃路徑進入維修空間，對人員、工具是否與其他物體發生碰撞，維修工件是否可達等作出評價。操作可達性評價是指在維修過程中對維修人員及維修工具是否有足夠的操作空間，人員姿勢是否舒適等指標進行評價。

圖2 維修性驗證系統工作流程

分析報告主要包括維修方案、流程檢測和評價結果三部分組成。維修方案是指對維修步驟、選擇的虛擬維修人員參數、使用工具等內容進行記錄和展示。流程檢測是指對維修過程中人員和工具的運動軌跡以及碰撞結果進行記錄和展示。評價結果是指對維修可視性和可達性通過相關評價模塊獲得的評價結果進行記錄和展示。為設計人員進行設備方案修改提供依據。

2 維修性驗證流程設計

基于虛擬現實的動車維修性驗證系統的工作流程如下圖所示。具體工作流程如下：

1)進入動車組維修性驗證系統，選擇維修場景，包括維修廠房、場地的選擇，配置天氣、燈光等光線條件。

2)選擇需要維修的設備，并注入相關故障。系統將被維修設備以及廠房等加載到三維展示區，構建維修環境。

3)確定故障模式，制定故障隔離程序和故障維修程序。

4)在人體模型庫中選擇人體模型并配置關鍵參數，在工具庫中選擇維修過程中所需的維修工具，系統將人體模型和工具加入虛擬維修場景中，完成維修準備工作。

5)虛擬維修人員進入維修空間，通過實時碰撞檢測技術和可視錐法進行維修可視性、實體可達性判斷，若維修對象不在可達空間和可視范圍內，則遍歷人體模型所有可達路徑，對運動路徑進行重新規劃，直至操作對象處于維修人員和工具的可達空間和可是范圍內，確定運動路徑并進行記錄。

6)確定維修人員姿態，對人體姿態舒適度進行判斷，若人體姿態不符合人體關節的正常運動范圍，在滿足被維修對象可視性和實體可達性的基礎上，調整維修人員姿態，遍歷人體模型所有可能姿態，最終確定維修人員合理維修姿態并進行記錄。

7)進行操作可達性評價，通過實時碰撞檢測技術，判斷維修人員在動車組維修過程中虛擬工具、虛擬維修人員是否與維修對象發生干涉或者碰撞，若發生碰撞綜合調整維修人員姿態和維修工具操作幅度，重新進行碰撞檢測，直至在維修過程中維修人員、工具與被維修對象之間無碰撞發生。最終確定維修人員位置姿態和維修工具的操作路徑，并進行記錄。

8)當對故障隔離程序以及故障排除程序中的每個步驟確定好最優的可達路徑以及維修位置、操作姿態、工具操作路徑后，對維修過程進行模擬。

9)綜合各個維修步驟的可達路徑、操作姿態和虛擬工具的重量、操作范圍、操作方式等綜合因素對各個維修步驟的維修時間進行分析與評定。

10)根據各個維修步驟的維修時間以及維修過程中的人員姿態對各個維修步驟的舒適性進行分析已經等級評定。

11)綜合各個維修步驟的可達性、可視性、維修時間、操作人員舒適度，對整個維修過程進行整體分析與評價，得出分析報告，并提出設計修改建議。

3 虛擬樣機建模技術

動車組系統屬于大型、復雜機電一體化系統，主要包括車體系統、轉向架系統、牽引系統、控制系統、供風系統等，基于模塊化理論對動車組的各個系統進行分析，進行虛擬樣機建模。動車組虛擬樣機主要是用于對動車組的實際機械結構、運動、故障模式進行展現，并對故障排除或維護方案的正確性、合理性進行驗證，對創新性、維修性設計進行測試評估與驗證。因此，動車組虛擬樣機必須在外觀、機械結構、關聯關系、功能狀態、交互模式等諸多方面與實際設計方案一致。

在外觀與機械結構建模方面，利用CAD數據，建立三維幾何模型，要求三維模型參數與CAD設計參數保持一致，以保證虛擬樣機與設計方案的一致性；在結構層次與關聯關系建模方面，首先對產品的分解結構進行分析，形成產品結構樹，進而在虛擬模型中對三維模型建立相同的產品分解結構；在功能狀態建模方面，對設備的功能、輸入輸出關系、設備相關狀態進行抽象描述，并將抽象出的邏輯關系與虛擬模型進行綁定；在交互性建模方面，包括設備操作交互性和維修交互性建模，分析設備各個零部件之間的裝配以及約束關系，建立三維模型中各個零部件之間的關系，對模型的運動路徑進行約束。

虛擬維修數字樣機是在動車組設計原型的基礎上，對其原理、工作機制、裝配約束等進行分析建立的具備特定邏輯關系的三維數據模型。借助于虛擬數字樣機可以有效的對設備維修性進行驗證，輔助設計工作，對設備的拆裝維修過程進行直觀展示、分析與評價。

4 結束語

動車組維修性分析與設計是一項復雜的系統工程。本文對利用虛擬仿真的方式對動車組維修過程進行仿真，并通過動態碰撞檢測等方式對維修性進行驗證與評價進行了方案設計與研究。用以解決傳統物理樣機進行維修性驗證的設計周期長、成本高等問題。后續應結合動車組各個系統的特點，對虛擬樣機具體建模方法進行進一步研究。

[1] 盧春房.中國高速鐵路[M]．北京：中國鐵道出版社，2013.

[2] 盧春房．高速鐵路動態驗收[M]．北京：中國鐵道出版社，2015.

[3] 郭 伏，楊學涵．人因工程學[M]．沈陽：東北大學出版社，2001.

[4] 袁修干，莊達民．人機工程[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2002

[5] Sung W T, Ou S C．Using virtual reality technologies for manufacturing applications[J]． International Journal of Computer Applications in Technology, 2003, 17(4)：213-219.

Research and Design of EMU Maintainability Verification System Based on Virtual Reality

Song Peiyuan1,Liu Yuan2, Gao Peng2

(1.CRRC Qingdao SiFang Locomotive & Rolling Stock Co.，Ltd.，Qingdao 266000,China; 2.China Aerospace Measyrement&Control Technology Co.，Ltd.,Beijing 100041, China)

Aiming at the insufficiency of maintainability verification method of the EMU, the method of verifying the maintainability by means of virtual simulation is put forward. Based on the characteristics of the EMU system, the scheme of maintenance verification system of EMU based on virtual reality is designed, the specific process of maintainability verification is proposed, and the basic method of 3D virtual prototyping is studied. The virtual maintainability verification system effectively improves the maintainability design efficiency of the EMU and shortens the development cycle, which is an effective method to realize the optimization maintenance parallel design of the EMU.

virtual reality; EMU; maintainability verification

2017-02-07；

2017-03-14。

宋培元(1979-)，男，山西代縣人，工程師，主要從事動車組運用檢修技術方向的研究。

1671-4598(2017)05-0228-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.063

TP273

A