鐵路貨車車輛轉向架虛擬仿真平臺研究與開發

張楠

（中國鐵路太原局集團有限公司太原北車輛段，太原 030003）

1 研究背景與意義

隨著我國物流運輸行業的發展，鐵路貨運在社會物質生產過程中起著重要作用，具有運送量大，速度快，成本較低等優勢。轉向架屬于貨運列車的關鍵部件，安全系數和穩定系數要求較高，需要大量的工作者每日對轉向架進行檢修和維護，而貨車轉向架各種類、型號、參數及修程規定存在較大差異，轉向架的檢修與維護工作量較大，涉及的人員較多，相關的組織管理工作和培訓教學工作的難度也較大。

本文針對我段現有培訓教學系統存在的問題和難點，對轉向架的結構特點進行研究分析，設計開發基于轉K6型轉向架的三維交互虛擬仿真平臺，該平臺綜合利用三維建模技術、多媒體技術以及虛擬現實技術等前沿技術，構建了一個集三維動畫和人機交互功能于一體的具有較高逼真度的仿真培訓平臺，以多媒體演示和人機交互方式，實現對貨車用轉向架系統的內部結構、工作原理及其動態拆裝過程的逼真模擬，用于對操作人員和新用戶的有效培訓教學。

2 平臺需求、結構及功能

針對貨車轉向架各種類、型號、參數及修程規定存在較大差異，相關技術信息量較大，平臺需要滿足四個方面的需求：①檢修工作者及其他相關人員能夠通過平臺了解各類型轉向架的技術參數、結構特征及其異同點；于轉向架模型能夠實現動態瀏覽轉向架各部件及其空間位置；③可查詢各型轉向架的各級修程信息及相關規定要求裝配工藝流程；④在多媒體平臺上可以對轉向架進行交互式拆裝操作，模擬真實檢修規定要求和拆裝流程，在虛擬環境中全方位觀察轉向架組成部件的拆卸裝配過程[1]。

根據以上需求分析、轉向架結構特點及真實檢修相關技術，選用多媒體技術作為開放平臺，采用了模塊化設計，主要由總體概述、結構介紹及裝配演示、各級修程信息、交互式拆裝虛擬操作四大模塊及相應的子模塊組成。

根據以上論述的工作者對平臺需求，結合平臺設計結構及設計目標，平臺將以交互的方式提供以下功能：①提供轉向架技術參數查詢功能，對各型轉向架以圖文并茂的形式，表達各型轉向架的結構特征、技術參數及差異性特征等信息；于在虛擬環境中可動態瀏覽轉向架的三維模型，多角度解讀轉向架的結構及相對空間位置關系；③提供各型轉向架的各級修程信息及規定要求，或以視頻演示的方式表達轉向架的裝配流程及工藝要求；④能在虛擬平臺上實現轉向架的交互式拆裝操作學習，可用于現場教學工作和新工作者的操作學習[2]。

3 關鍵技術及功能實現

3.1 三維建模技術

根據鐵路貨車車輛轉K6型轉向架的二維圖紙并結合車間現有真實轉向架結構形態，分析各零部件之間的幾何關系和裝配關系，利用SolidWorks2012三維建模軟件將轉K6型轉向架的各零部件二維圖形轉化成三維模型，再對建模完成的轉向架各零部件進行裝配，獲得轉向架的裝配體模型，便于后續的渲染處理和交互拆裝制作。

3.2 模型環境渲染

建模完成后的轉向架三維模型并不能直接用于交互性功能的實現，需要導入3ds max三維動畫制作軟件，對轉向架三維模型進行環境燈光渲染處理。如圖1所示，能夠導入3ds max的文件類型有兩種，分別是*.stl格式和*.wrl格式，經導入對比后發現，*.wrl格式文件導入3ds Max 7的轉向架模型各零部件并沒有按照原來的文件命名的，而是以字母和數字組合的方式命名，對后續交互性實現無法對應各零部件，而選擇導入*.stl格式文件各零部件的格式和名稱都沒有變化。于是將建模好的轉向架裝配體模型另存為*.stl格式，并在3ds max操作界面中為模型進行材質顏色附著、創建環境燈光和設置虛擬場景背景，再經3ds max與Cult 3D的專用接口軟件將渲染完成的模型輸出為*.c3d格式文件。

3.3 交互功能實現

交互性功能的實現就是在虛擬仿真界面能夠讓轉向架整體三維模型在不拆卸的情況下完成自由縮放、平移、旋轉的功能，讓使用者能夠從多個角度查閱轉向架各零部件的結構特點。如圖2所示，將轉向架模型的*.c3d格式文件導入Cult 3D動畫制作及交互實現軟件中進行交互設計，在事件規劃圖中會自動生成好一個邏輯事件，將“虛擬根”文件替換為左側場景圖表中的“組01”文件，并添加動作交互事件行為，再激活事件圖標拽到事件規劃圖工作界面中與拆裝工具建立關系，在動作選項卡中選擇平移XYZ圖標，將其拖拽到事件規劃圖工作界面中，將其與工具建立關系，此時要設置相對應的平移參數，最后將場景圖表中的各零部件全部拖拽至工作界面并以同樣的方法與工具建立對應關系，邏輯事件編輯完成后在顯示窗口單擊運行，可驗證以上的操作，實現轉向架在虛擬仿真平臺可以按順序拆卸、裝配的功能，完成轉向架交互性界面的制作，壓縮后另存為*.co格式的文件，為下一步虛擬仿真平臺的搭建提供源文件。

圖1 3ds Max 7模型環境渲染

圖2 Cult 3D交互功能實現

3.4 仿真平臺搭建

虛擬仿真平臺搭建是本論文研究的最后一步，通過操作界面的各項功能，插入文本、圖像、表格、視頻等相關媒體元素，對相關文本設置超級鏈接，完成各模塊之間的轉換，使平臺的交互性更強。針對我段現階段檢修車間情況和現場交流學習情況，通過對比分析，將采用Microsoft office PPT作為平臺設計，其可廣泛適用于新工實踐教學、技術員交流學習，且設計制作簡單便捷，便于設計者和教員及時更新相關信息，時效性較強。該平臺能夠將多種媒體信息進行綜合處理，建立起邏輯關系，為用戶提供了拓展信息表達空間，表達轉向架的技術信息、裝配工藝流程、檢修修程規定要求和交互式模擬操作，直觀形象，利于用戶理解和掌握相關信息內容。

4 結語

該平臺針對我段檢修車間轉向架的檢修工藝流程，表達了轉K6型轉向架的技術參數、結構特點及三維瀏覽、檢修裝配演示、各級修程信息和交互式操作。平臺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，對轉向架整體和各部件組成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，為廣大的貨車車輛檢修、運用、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。