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(xué) 交通運輸工程學(xué)院,遼寧大連116028;2 中國北車集團(tuán)公司 長春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架部,吉林長春130062)

根據(jù)中國最新的中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃,到2020年中國鐵路網(wǎng)規(guī)模將增加到12萬km,快速客運網(wǎng)里程達(dá)5萬km以上,大約要運行兩萬輛以上動車組。轉(zhuǎn)向架技術(shù)是高速動車組核心技術(shù)之一,直接關(guān)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(dá)20～25年的使用壽命中,大量的檢修、維護(hù)人員將參與高速動車組的運營。有資料統(tǒng)計,雖然動車組轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架的檢修工作量最大、涉及的人員最多,相關(guān)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(yè)運營最高級別的運輸車型,采用CW-300和CW-300D型轉(zhuǎn)向架,8輛列車編組中動力轉(zhuǎn)向架和非動力轉(zhuǎn)向架各占50%,最高運行速度為350 km/h,獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計和復(fù)雜的裝配關(guān)系,使得傳統(tǒng)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(zhǔn)確地理解產(chǎn)品的性能、結(jié)構(gòu)、裝配要求、日常維護(hù)以及檢修等相關(guān)要求。在5級檢修計劃中,大量必要的檢修和維護(hù)作業(yè)是利用動車組停車、入庫的短暫時段內(nèi)進(jìn)行的,這就更加大了作業(yè)難度和保證質(zhì)量的難度。因此,借助計算機仿真、建模、虛擬現(xiàn)實與多媒體技術(shù)等,開發(fā)面向檢修的CRH 3動車組轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)具有重大意義。

國內(nèi)外學(xué)者及研究機構(gòu)以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為核心,將CAD、可視化、仿真等多種技術(shù)綜合運用于裝配和制造過程的虛擬仿真領(lǐng)域,取得了豐碩的研究成果,已經(jīng)廣泛用于NASA哈勃望遠(yuǎn)鏡的虛擬維修訓(xùn)練、戴姆勒-克萊斯勒公司的汽車維修性評價系統(tǒng)[9]、水輪發(fā)電機組檢修的計算機仿真[6]、汽輪機組檢修培訓(xùn)[7]、民用飛機的維修性評估[8]等多個領(lǐng)域,可以肯定,同樣的技術(shù)可以為CRH3動車組轉(zhuǎn)向架運用、檢修、維護(hù)人員提供更多的技術(shù)支持。

1 CRH3動車組轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點及其系統(tǒng)需求

1.1 CRH3動車組轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向架和非動力轉(zhuǎn)向架各占50%,所有轉(zhuǎn)向架的主要模塊相同,通過對每輛車重心和總重的個別調(diào)整以及對懸掛系統(tǒng)彈簧的個別調(diào)整,獲得最佳運行特性。由于轉(zhuǎn)向架采用模塊化設(shè)計,因而看似簡潔的結(jié)構(gòu)中蘊含著復(fù)雜性和多變性,給轉(zhuǎn)向架使用、維護(hù)、檢修人員帶來很大困難。由表1所示,根據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)架/拖車構(gòu)架、動車輪對/拖車輪對等,很容易識別。而可選模塊配置規(guī)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(guī)則比較復(fù)雜,通常與動車組其他系統(tǒng)相關(guān),而且往往是細(xì)微之處的不同,很難靠記憶把不同車、不同位置、不同轉(zhuǎn)向架中某個組成的某個零件具體區(qū)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(tǒng)診斷傳感器密切相關(guān),很難從外觀判斷不同軸端結(jié)構(gòu)以及連線,見圖1所示。

表1 模塊化結(jié)構(gòu)的CRH3動車組轉(zhuǎn)向架配置

1.2 系統(tǒng)需求和技術(shù)需求

(1)結(jié)構(gòu)特點及其表達(dá)需求

CRH 3動車組8輛編組16個轉(zhuǎn)向架共有10種,從表1可知,模塊化結(jié)構(gòu)看似簡潔卻蘊含著復(fù)雜性和多變性,如何使運用、檢修、維護(hù)人員能夠清晰、快速地了解其結(jié)構(gòu)特點,明確辨別出相同點和不同點,需要采用適當(dāng)?shù)姆绞綄RH3動車組編組信息、轉(zhuǎn)向架模塊化結(jié)構(gòu)、不同配置的不同點與相同點等表達(dá)出來,作為相關(guān)人員能迅速了解轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的途徑。

(2)裝配特點及其表達(dá)需求

轉(zhuǎn)向架是動車組的重要組成部分,零部件的數(shù)量多,裝配過程復(fù)雜且裝配要求高,即為了保證運行安全性,必須嚴(yán)格執(zhí)行裝配順序,在裝配過程中采用專用潤滑膏、裝配扭矩數(shù)值等都有明確規(guī)定,完整表達(dá)這些信息非常關(guān)鍵。尤其對于1級、2級檢修作業(yè)時間短、工作量大、涉及運行維護(hù)人員廣的情形下需求更加迫切。

圖1 CRH3動車組轉(zhuǎn)向架軸端配置

(3)信息查詢需求

按照鐵道部規(guī)定,高速動車組采用5級檢修,每級檢修修程都明確規(guī)定具體的檢修計劃、檢修限度和檢修內(nèi)容,檢修內(nèi)容包括檢修項目、檢修周期、列車狀態(tài)、作業(yè)人員、作業(yè)時間、作業(yè)工具、作業(yè)程序等,這些信息的表達(dá)對于運用、檢修、維護(hù)人員非常關(guān)鍵,直接關(guān)系到高速動車組的運行安全性。

(4)人員培訓(xùn)需求

上述需求都需要相關(guān)人員必須掌握,因此,采用多媒體、虛擬現(xiàn)實、計算機仿真技術(shù)開發(fā)一個高標(biāo)準(zhǔn)和高效率的、培訓(xùn)用多媒體信息系統(tǒng),使得人們在非現(xiàn)場環(huán)境下,直觀、清晰地了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、裝配過程、裝配工藝要求、檢修要求等信息,在實習(xí)階段就能虛擬實現(xiàn)產(chǎn)品的裝配過程,直觀展示裝配過程中零部件的運動形態(tài)和空間位置關(guān)系,在轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)問題時能夠在最短的時間內(nèi)查詢相關(guān)的檢修資料,將為企業(yè)大大節(jié)省不必要的人力物力,達(dá)到利潤的最大化。

(5)技術(shù)需求

由于多媒體技術(shù)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(jié)構(gòu)的動態(tài)性等特點,可以將CRH3動車組轉(zhuǎn)向架的信息借助多媒體技術(shù)傳達(dá)給用戶,用戶通過顯示的文本來了解CRH3動車組轉(zhuǎn)向架的技術(shù)參數(shù)、編組信息、檢修信息等;通過圖片能夠熟悉CRH 3動車組轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架零部件的裝配過程,以及詳細(xì)的操作工藝要求,使復(fù)雜的裝配關(guān)系得到清晰的表達(dá)。通過嵌入的虛擬現(xiàn)實技術(shù)展示CRH3動車組轉(zhuǎn)向架零部件的三維模型,用戶可以對三維模型實現(xiàn)平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作來了解三維模型的結(jié)構(gòu)特征。最終希望《CRH3動車組轉(zhuǎn)向架多媒體信息系統(tǒng)》制作為單張DVD光盤,便于廣泛推廣和使用。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上需求分析,針對目前CRH 3動車組轉(zhuǎn)向架檢修業(yè)務(wù),選用多媒體技術(shù)作為開發(fā)平臺,將聲音、文本、視頻、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)應(yīng)用到CRH 3動車組轉(zhuǎn)向架多媒體信息系統(tǒng),開發(fā)了培訓(xùn)與檢修用的人機交互式多媒體信息系統(tǒng)。系統(tǒng)主要用于高速動車組檢修基地對檢修人員的培訓(xùn),便于檢修人員在脫離現(xiàn)場的環(huán)境下迅速地掌握CRH3動車組轉(zhuǎn)向架的檢修技術(shù)。

系統(tǒng)主要功能如下:

(1)對CRH 3動車組轉(zhuǎn)向架的技術(shù)參數(shù)、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(dá)。

(2)利用當(dāng)今流行的虛擬現(xiàn)實技術(shù)對三維模型建立虛擬場景,使場景與操作者發(fā)生交互,實現(xiàn)操作者對動車組轉(zhuǎn)向架零部件的結(jié)構(gòu)特征全面了解。

(3)應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)對CRH3動車組轉(zhuǎn)向架各大部件的裝配過程虛擬仿真,并配合詳細(xì)的裝配解說,使復(fù)雜的裝配關(guān)系得到清晰的表達(dá)。

(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(nèi)容等常規(guī)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(dāng)今的W indow s XP/W indow s Vista主流操作系統(tǒng)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 多媒體系統(tǒng)開發(fā)工具

多媒體系統(tǒng)的開發(fā)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(biāo)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(jié)構(gòu)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(huán)境;(4)以傳統(tǒng)程序語言為基礎(chǔ)的多媒體創(chuàng)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(diào)試?yán)щy。

由于在復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,基于流程的創(chuàng)作工具有利于開發(fā)過程中的調(diào)試,因而被很多系統(tǒng)開發(fā)人員選用,本文選用Authorware作為開發(fā)工具。

2.2.2 動畫制作與處理技術(shù)

動畫制作與處理技術(shù)主要用于形象地展示轉(zhuǎn)向架各大部件和整體的虛擬裝配過程,可以使復(fù)雜的裝配關(guān)系得到清晰的表達(dá),便于人們快速了解轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)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(dǎo)入3DSMAX中→賦材質(zhì)、建立組件→定義關(guān)鍵幀,以使零件按照所需路徑進(jìn)行移動、轉(zhuǎn)動等→經(jīng)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(tǒng)中。

2.2.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

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

CRH 3動車組零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,二維工程圖或靜態(tài)的三維圖已無法形象地表達(dá)清楚零部件的結(jié)構(gòu),虛擬現(xiàn)實技術(shù)以交互的形式把產(chǎn)品動態(tài)地展示出來,使用戶可以以任意角度、任意比例瀏覽對象產(chǎn)品。

系統(tǒng)采用Cult3D虛擬現(xiàn)實軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架零部件的虛擬現(xiàn)實展示。而且Cult3D為Authorware提供了ActiveX控件Cult3D Active XPlayer,通過Cult3D發(fā)布的三維演示文件.co可以加入到Authorware中。首先將已經(jīng)通過CAD軟件完成的裝配件(如Pro/e的裝配文件.asm)導(dǎo)入到3DS M AX,在3DS M AX中為三維模型附材質(zhì)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(jìn)行壓縮保存為*.co文件,該*.co文件就可以嵌入Authorware多媒體產(chǎn)品中。

2.2.4 多媒體信息處理技術(shù)

多媒體信息的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)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(tǒng)中裝配演示的動畫容量大、數(shù)量多,單張4.6 GB的DVD光盤記錄不下整個檢修信息系統(tǒng)。因此壓縮技術(shù)是非常重要和關(guān)鍵的。

(1)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)

壓縮技術(shù)主要指編碼技術(shù),數(shù)據(jù)在傳輸前經(jīng)過一定的編碼技術(shù)進(jìn)行壓縮,以減少通信信息量,在接收端再進(jìn)行自動解壓,對數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。對多媒體信息進(jìn)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)的總長度,就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)。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(dá)200∶1,同時圖像和音響的質(zhì)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(shù)字影像質(zhì)量的要求,顯著優(yōu)點就是兼容性好、壓縮比高、數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(yè)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(shù)據(jù)壓縮編碼”,用于連續(xù)色調(diào)灰度級或彩色圖像的壓縮標(biāo)準(zhǔn),采用離散余弦變換、量化、行程與哈夫曼編碼等技術(shù),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(shù)據(jù)量(可達(dá)到30∶1的壓縮率,而圖像無明顯的質(zhì)量退化),這就是JPEG標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)中用到大量靜態(tài)圖片,將圖片轉(zhuǎn)換為JPEG標(biāo)準(zhǔn)能很大程度上提升系統(tǒng)的運行速度。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)采用先進(jìn)的多媒體技術(shù),通過文字、圖形、圖像、視頻等方式全方位表達(dá)了CRH3動車組轉(zhuǎn)向架的技術(shù)信息,為眾多高速動車組設(shè)計、工藝、運用、檢修、維護(hù)人員提供方便、快捷的技術(shù)信息平臺。8輛固定編組的CRH 3動車組轉(zhuǎn)向架采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,針對看似簡潔卻蘊含著復(fù)雜性、多變性(16個轉(zhuǎn)向架分為兩類10種)的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點,采用人機交互方式:(1)提供技術(shù)參數(shù)、編組信息、動車模塊配置、拖車模塊配置及結(jié)構(gòu)特點等信息(圖2);(2)展示10種軸端裝置在不同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架之一,均可獲取其各個子模塊的結(jié)構(gòu)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(xiàn)實技術(shù)的三維瀏覽功能可以幫助用戶實現(xiàn)三維模型的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、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(nèi)容。

圖2 CRH3動車組轉(zhuǎn)向架編組信息和結(jié)構(gòu)介紹

圖3 CRH3動車組轉(zhuǎn)向架軸端配置及其結(jié)構(gòu)

圖4 CRH3動車組轉(zhuǎn)向架制動系統(tǒng)裝配

圖5 CRH3動車組轉(zhuǎn)向架電機組成

系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實技術(shù),通過建模、模型轉(zhuǎn)換、模型壓縮技術(shù)和Cult3D技術(shù)的綜合運用,建立起一個具有現(xiàn)場感的CRH3動車組轉(zhuǎn)向架可視化平臺。用戶可通過放大、縮小、拖動、旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架零部件結(jié)構(gòu)特征的全面了解。

系統(tǒng)采用虛擬裝配技術(shù),針對CRH 3動車組10種轉(zhuǎn)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(shù)和技巧的運用,簡化虛擬裝配制作過程,通過材質(zhì)、色彩、色調(diào)突出其結(jié)構(gòu)特征,對CRH 3動車組轉(zhuǎn)向架整體和9大部件即構(gòu)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(chǔ)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(jìn)行虛擬仿真,使得復(fù)雜的裝配關(guān)系、裝配順序和裝配工藝要求得以清晰的表達(dá),為相關(guān)技術(shù)人員提供便捷的、真實感的、可視化的技術(shù)支持。

系統(tǒng)采用AutoIt腳本語言開發(fā)并實現(xiàn)了系統(tǒng)自動檢測功能,并根據(jù)檢測結(jié)果自動安裝所需插件,以支持當(dāng)今主流的W indow s XP和W indow s Vista操作系統(tǒng),系統(tǒng)兼容性強。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)針對我國輪軌商業(yè)運營級別最高的CRH3高速動車組轉(zhuǎn)向架,采用先進(jìn)的多媒體技術(shù),通過文字、圖形、圖像、視頻等方式全方位表達(dá)了CRH 3動車組轉(zhuǎn)向架的編組信息及模塊配置、結(jié)構(gòu)特點及三維瀏覽、模塊組成及裝配演示、各級修程信息。系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立起一個具有現(xiàn)場感的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)特征。系統(tǒng)采用虛擬裝配技術(shù),對轉(zhuǎn)向架整體和9大部件的裝配過程進(jìn)行虛擬仿真,使得復(fù)雜的裝配關(guān)系、裝配順序和裝配工藝要求得以清晰的表達(dá)。為廣大的高速動車組設(shè)計、工藝、運用、檢修、維護(hù)人員提供一個方便、快捷,具有真實感的可視化信息技術(shù)平臺,從而幫助企業(yè)提高效率、降低成本。

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