動車組轉向架檢修工藝虛擬仿真實驗系統開發

張嘉鷺， 馬 軍， 邵明輝(江蘇師范大學 機電工程學院, 江蘇 徐州 221116)

0 引 言

轉向架位于動車組的最下部，承載著車體、接觸著軌道，它牽引和引導車輛沿著軌道行駛，是保證車輛運行品質的關鍵部件。因此在列車運營中需要對轉向架進行日常及周期性的檢修與維護，以確保列車行駛安全[1]。原國家鐵道部2008年制定的《高速鐵路工程項目建設標準》中要求，高速鐵路檢修機構的定員人數按運營線路長度的指標為8-10人/公里，其中轉向架檢修人員占比20%以上。而目前的現狀是，開設軌道交通類專業的本科院校數量較少，招生規模有限，且實驗教學資源的相對匱乏，學生對動車組轉向架檢修工藝的認知僅停留于書本[2-4]。

鑒于以上情況，本文擬研發一套面向國內主流車型(CRH380AL)動車組轉向架檢修工藝的虛擬仿真實驗系統，以解決傳統授課模式缺乏直觀信息呈現手段的問題，使學生在短時間內快速對轉向架的結構特征形成感觀認識，并掌握復雜的檢修工藝流程，最終促進軌道交通類專業實驗教學資源的拓展和培養目標的實現。

1 系統開發過程

本系統的開發原則是要滿足動車組轉向架檢修工藝中所有檢修項目的虛擬仿真教學需求，因此系統的具體開發過程可概括為以下4個部分，即：確定工藝、構建模型、添加動畫和創建系統。

1.1 檢修工藝的確定

為確保技術資料的實時性與準確性，筆者多次前往上海鐵路局南京動車段進行現場調研，總結并梳理了CRH380AL車型轉向架的檢修理論和工藝流程(基于最新版本的《南京動車段企業標準—CRH380A型動車組二級修作業指導書》、《南京動車段企業標準—CRH380A型動車組三級修作業指導書》)，為系統的開發奠定了理論基礎[5]。

1.2 三維模型的建立

CRH380AL車型動車組轉向架的三維模型系統開發的重點與難點。為確保模型尺寸與真車轉向架尺寸完全一致，筆者在動車組檢修基地對CRH380AL車型的轉向架進行了細致地零部件測繪，并根據南京動車運用所提供的技術資料，采用Pro/Engineer軟件對轉向架的三維模型進行了構建，并導入3D MAX軟件進行渲染及優化，最終導出擴展名為*.wrl格式的文件[6,7]。轉向架三維模型如圖1所示。

圖1 轉向架三維模型圖

1.3 交互式檢修步驟的添加

為實現系統的開放性與共享性，本文采用Web 3D技術對所建立的三維模型進行交互式檢修步驟的添加，以實現用戶在Web網頁上對虛擬仿真系統的在線訪問。

目前應用較多的Web 3D技術開發工具有Unity 3D、Cortona 3D、View point、Atmosphere等。經對比發現，Cortona 3D軟件可利用其Rapid Manual模塊快速制作IETM(交互式電子技術手冊)，而IETM是目前國際上主流的大型裝備技術文檔的呈現方式[8-10]。因此，本文選用Cortona 3D軟件作為轉向架交互式虛擬檢修模型的開發工具[11]。

通過在Cortona 3D軟件中添加裝配、拆卸、測量等一系列動作，即可生成動車組轉向架交互式虛擬檢修模型，如圖2所示。

圖2 轉向架交互式虛擬檢修模型

1.4 系統的構建與實現

本系統以Visual Studio 2012為開發平臺，以SQL Server 2012構建后臺數據庫系統，采用ASP.NET實現Web服務器與數據庫的連接，同時基于B/S架構的網絡模式對系統進行了搭建。如圖3所示，B/S架構由顯示層、中間層、數據層組成，相對于常規的C/S架構，該架構可實現系統的遠程在線訪問[12-15]。

圖3 B/S三層架構圖

本系統將技術說明書、檢修作業指導書、交互式虛擬檢修模型等技術資料有機地集成，架設在專門的高性能高穩定性的服務器中。用戶操作任意Web瀏覽器(如IE瀏覽器)對本系統進行訪問時，通過點擊Web頁面的相應鏈接，即可對服務器內的技術資源進行調用。

為便于學生查閱和使用本實驗系統，本文借鑒了IETM的技術規范構建了動車組轉向架檢修工藝虛擬仿真系統的頁面流程圖以及最終的前端網頁呈現方式，供學生進行交互式的操作和查閱，如圖4所示。

圖4 系統頁面流程圖

2 系統使用說明

2.1 系統界面組成

系統基于IETM技術規范設計，操作界面采用標準的Web瀏覽器窗口，且為典型的三框架結構，層次分明，結構合理。系統包括“維修計劃”、“技術說明書”、“檢修作業指導書”、“交互式工藝流程模塊”等10個模塊，學生可選擇相應的模塊進行自主學習和訓練。系統主界面如圖5所示。

圖5 系統主界面

2.2 轉向架交互式工藝流程模塊應用實例

轉向架交互式工藝流程模塊是虛擬仿真系統的核心，也是虛擬現實技術的集中體現。在這一模塊中，共含有“動車轉向架分解裝配”、“拖車轉向架分解裝配”、“研磨子更換”、“制動閘盤更換”等30余項訓練項目，可滿足轉向架檢修工藝中所有檢修項目的虛擬仿真教學需求。操作界面依次由項目選擇區、文檔提示區和虛擬仿真區3個框架組成。限于篇幅，本文以“動車轉向架分解”項目為例介紹，如圖6所示。

圖6 轉向架交互式虛擬拆裝與檢修模塊

在交互式工藝流程模塊下主要存在兩種模式：

(1) 學習模式。該模式下，學生以練習檢修工藝的流程為目的，學生可根據文檔部分的步驟提示以及零件定位提示進行操作，每操作完成一個步驟，動車轉向架即可分解相應零部件一組，直至分解完成。如圖7(a)所示。

(2) 考核模式。學生采用該模式可以對自己的學習過程在規定的時間內進行自測，此時界面左側的文檔部分不會有任何步驟提示以及零件定位提示，全憑學生自行操作，考核完畢后，考核成績自動生成，學生可以通過“成績”功能菜單察看。如圖7(b)所示。

(a) 學習模式(b) 考核模式

3 結 語

針對目前軌道交通車輛虛擬仿真實驗教學資源相對匱乏的情況，本文借助虛擬現實、三維建模和網絡技術的優勢，開發出一套的適用于CRH380AL型動車組轉向架檢修工藝的虛擬仿真實驗教學系統。該系統可以將動車組轉向架檢修工藝流程在Web網頁中以交互方式直觀呈現，使學生在虛擬場景中快速理解和認知轉向架的技術信息、結構特點、裝配順序以及檢修工藝流程，較大程度上提高了學習效率，降低了實驗教學成本。

本系統的應用市場定位為各鐵路局車輛(動車)運用單位以及開設機車車輛專業的大中專院校等，主要用于員工的職前培訓和高校專業課的教學輔助。目前，本系統已在江蘇師范大學、徐州工業職業技術學院、徐州技師學院等開設相關課程的院校推廣使用，學生的工程實踐能力得到了提升，應用前景廣闊。

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