施國(guó)平，譚喜堂，申朝旭

SHI Guo-ping，TAN Xi-tang，SHEN Zhao-xu

（同濟(jì)大學(xué) 電子信息與工程學(xué)院 電系工程系，上海 201804 ）

0 前言

隨著我國(guó)城市鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，地鐵車輛的產(chǎn)量將不斷增加，參與城軌運(yùn)營(yíng)的人員也會(huì)不斷增多，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及其檢修信息是運(yùn)用、檢修人員必須掌握的知識(shí)[1]。沈陽地鐵車輛采用的CCDZ50型動(dòng)力轉(zhuǎn)向架兩軸上分別安裝了兩臺(tái)三相四線制鼠籠式牽引電機(jī)[2]。所以與傳統(tǒng)機(jī)車轉(zhuǎn)向架相比，檢修修成有很大的不同，因而在教學(xué)方面必須使用新設(shè)備。采用物理樣機(jī)進(jìn)行檢修培訓(xùn)不但成本巨大，而且浪費(fèi)人力物力。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)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(guān)內(nèi)容的“城軌車輛轉(zhuǎn)向架檢修教學(xué)系統(tǒng)”將具有安全、高效、成本低、可重復(fù)、便于攜帶和進(jìn)行突發(fā)事件及故障狀態(tài)模擬等重要意義[3,4]。

1 虛擬檢修技術(shù)及系統(tǒng)具有的功能特點(diǎn)

虛擬檢修技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展分支，其已經(jīng)成為提高檢修技術(shù)水平的研究熱點(diǎn)。用于指導(dǎo)實(shí)踐的虛擬檢修技術(shù)的基本思想就是從檢修工藝的角度，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立一個(gè)高逼真度的檢修工藝仿真環(huán)境，用戶可以在虛擬環(huán)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(dǎo)實(shí)踐[5,6]。

虛擬檢修系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能特點(diǎn)：

1）系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向架模型能夠真實(shí)準(zhǔn)確地表達(dá)CCDZ50型轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)；

2）集成轉(zhuǎn)向架三級(jí)修相關(guān)的故障情況和檢修內(nèi)容，能夠全面滿足檢修教學(xué)要求；

3）檢修模塊除了能通過自動(dòng)檢修模式演示整個(gè)檢修過程，直觀真實(shí)的演示零件的檢修步驟和緊固動(dòng)作外還能通過人機(jī)交互模式實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境利用鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行交互并對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行虛擬拆裝檢修的功能。

4）集成語音、文字標(biāo)注、檢修文檔和圖片等信息對(duì)檢修內(nèi)容做出更全面直觀的表達(dá)。

5）培訓(xùn)過程控制系統(tǒng)可以對(duì)學(xué)員的模擬檢修過程進(jìn)行全程監(jiān)控并對(duì)檢修結(jié)果給出快速準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

2 轉(zhuǎn)向架虛擬檢修系統(tǒng)的制作方案

該體系結(jié)構(gòu)主要包括模型顯示系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和三維虛擬檢修系統(tǒng)四部分。系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向架模型和檢修基地場(chǎng)景模型格式為*.osg，用Pro/E建立的三維實(shí)體模型通過模型導(dǎo)入模塊轉(zhuǎn)換為*.osg格式作為系統(tǒng)的幾何數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)用來存儲(chǔ)和顯示產(chǎn)品的檢修層次模型，同時(shí)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)選用SQL Server 2000作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。三維虛擬檢修系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品檢修仿真的場(chǎng)所，用OSG，VC++ 2005和Windows XP操作系統(tǒng)建立虛擬環(huán)境，在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)虛擬檢修。

整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程為：首先，在CAD系統(tǒng)中建立產(chǎn)品的三維幾何數(shù)據(jù)模型，通過模型轉(zhuǎn)換工具將模型轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以讀取的數(shù)據(jù)，在虛擬檢修系統(tǒng)中提取三維幾何數(shù)據(jù)；建立信息集成的裝配模型，生成產(chǎn)品檢修樹和零件屬性的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；然后，建立虛擬三維仿真系統(tǒng)，在虛擬環(huán)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(biāo)和鍵盤對(duì)零部件進(jìn)行檢修操作，實(shí)現(xiàn)檢修過程；然后在零部件的檢修過程當(dāng)中實(shí)時(shí)的對(duì)零部件之間以及零部件與操作臺(tái)之間的檢修動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整，并將檢修結(jié)果輸出到用戶窗口；檢修結(jié)束后，系統(tǒng)以數(shù)據(jù)和檢修動(dòng)畫的方式輸出給用戶。

3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)劃分及功能描述

系統(tǒng)分為一個(gè)主控模塊和四個(gè)功能子模塊，功能子模塊分別為：虛擬環(huán)境建立模塊、模型操作模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和系統(tǒng)界面模塊。系統(tǒng)的四個(gè)模塊受同一主模塊控制，系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。各模塊的主要功能如下：

圖1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

1）系統(tǒng)主控模塊：協(xié)調(diào)和控制以下四個(gè)模塊的運(yùn)行。

2）數(shù)據(jù)庫管理模塊：用來管理系統(tǒng)全部數(shù)據(jù)。另外，根據(jù)產(chǎn)品模型進(jìn)行數(shù)據(jù)庫整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模型顯示和對(duì)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)管理和檢修結(jié)果處理等相關(guān)功能。

3）虛擬環(huán)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(huán)境，并包括攝影機(jī)視口的相關(guān)動(dòng)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(duì)虛擬環(huán)境中的物體模型進(jìn)行操作，是進(jìn)行虛擬檢修的關(guān)鍵模塊，通過該模塊完成對(duì)操作對(duì)象的點(diǎn)選、旋轉(zhuǎn)和拖拽等功能；另一方面又能用實(shí)體圖（Face）或線框圖（wireframe）觀看物體。

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

4 教學(xué)系統(tǒng)制作過程中關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

4.1 創(chuàng)建用戶界面應(yīng)用程序

用戶操作界面是檢修系統(tǒng)的重要組成內(nèi)容，用戶操作系統(tǒng)時(shí)直接面對(duì)的就是系統(tǒng)界面，系統(tǒng)界面應(yīng)該包括操作檢修系統(tǒng)所需要的功能鍵和用于虛擬檢修的虛擬環(huán)境。在進(jìn)入系統(tǒng)后，用戶可以使用鼠標(biāo)及功能鍵對(duì)界面上的按鈕進(jìn)行點(diǎn)選等動(dòng)作以完成相應(yīng)的指令。這里選取Windows XP操作系統(tǒng)與VC++2005和Qt三者相結(jié)合的方式創(chuàng)建系統(tǒng)操作界面。

根據(jù)Qt提供的組件，設(shè)計(jì)了三類與系統(tǒng)相關(guān)的組件：系統(tǒng)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(jié)構(gòu)列表組件、狀態(tài)欄組件等。它們之間通信合作的關(guān)系如圖2 所示。通過Qt創(chuàng)建的虛擬檢修教學(xué)系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)組件之間的通信關(guān)系

圖3 通過Qt創(chuàng)建的虛擬檢修教學(xué)系統(tǒng)界面

4.2 轉(zhuǎn)向架模型建立

轉(zhuǎn)向架虛擬檢修的實(shí)現(xiàn)采用基于模型方法建立虛擬檢修環(huán)境，其中，幾何模型是構(gòu)建虛擬檢修環(huán)境的基礎(chǔ)。現(xiàn)在主流的工業(yè)建模軟件Pro/E、CATIA等都能提供專業(yè)、簡(jiǎn)潔、精確的工業(yè)模型繪制功能，更適合轉(zhuǎn)向架模型的建立?？紤]目前學(xué)校的軟件配置，在Pro/E中建立三維模型、裝配零件和進(jìn)行干涉檢查是一種較為合理的方法。

4.3 虛擬檢修系統(tǒng)中的交互設(shè)計(jì)

在虛擬檢修過程當(dāng)中，用戶直接面對(duì)的就是檢修視口，用戶對(duì)轉(zhuǎn)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(jī)平移、旋轉(zhuǎn)和鏡頭拉近拉遠(yuǎn)功能。在用戶與轉(zhuǎn)向架的交互方面，用戶需要標(biāo)識(shí)屏幕上的物體，然后移動(dòng)、操縱這些物體，以便進(jìn)行檢修的基本操作。

4.3.1 檢修視口的創(chuàng)建

檢修視口的創(chuàng)建以及視口與用戶交互的創(chuàng)建是通過OSG中的osgViewer類建立的。osgViewer視口類支持使用多個(gè)視口和渲染器的多線程程序。osgViewer視口類提供對(duì)攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)，事件處理的支持。

本系統(tǒng)需要單一視口和單一攝影機(jī)對(duì)虛擬檢修的過程進(jìn)行交互和觀看，但考慮到以后系統(tǒng)功能有可能升級(jí)為多部攝影機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向架的拆裝過程進(jìn)行記錄，所以這里需要Viewer：Viewer類建立虛擬檢修的環(huán)境視口。Viewer：Viewer類用于管理多個(gè)同步攝像機(jī)，可從多個(gè)方向渲染單一的視口。根據(jù)底層圖形系統(tǒng)的能力，Viewer可以創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)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(tǒng)上運(yùn)行。

4.3.2 攝影機(jī)的創(chuàng)建

攝影機(jī)創(chuàng)建是通過Viewer類在內(nèi)部創(chuàng)建了一個(gè)osg：：Camera攝像機(jī)對(duì)象來管理OSG的模型-視圖矩陣。設(shè)置Camera對(duì)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(dòng)作。

4.3.3 用戶選擇

由于繪制在屏幕上的物體通常經(jīng)過了旋轉(zhuǎn)、平移、縮放和透視變化，因此要確定哪個(gè)物體被操作者選中是一件比較困難的事。OSG提供的最簡(jiǎn)單的形式為用戶將鼠標(biāo)移動(dòng)到場(chǎng)景中特定的位置并點(diǎn)擊鼠標(biāo)，程序內(nèi)部將進(jìn)行運(yùn)算，以便將2D的鼠標(biāo)XY坐標(biāo)位置映射到正確的3D場(chǎng)景圖形節(jié)點(diǎn)上，并保存節(jié)點(diǎn)地址以便將來使用。

4.3.4 零件的操作

OSG包含了一系列實(shí)用的類和工具，其中用于基本的拖拽和旋轉(zhuǎn)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(yīng)用到零件的檢修操作中：

TabPlaneTrackballDragge 可平移的軌跡球旋轉(zhuǎn)TrackballDragger 軌跡球旋轉(zhuǎn)TranslateAxisDragger 三維拖動(dòng)

當(dāng)程序需要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能時(shí)只需對(duì)其調(diào)用就可以了。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)上述介紹的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及各個(gè)功能模塊綜合建立了虛擬檢修教學(xué)系統(tǒng)的主界面效果如圖3所示。系統(tǒng)中進(jìn)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(cè)是需檢修零件名稱顯示區(qū)；右側(cè)是用來顯示三維實(shí)體的檢修顯示環(huán)境，所有的檢修過程都將在此環(huán)境中實(shí)現(xiàn)并顯示；

當(dāng)需要對(duì)某一部分進(jìn)行檢修時(shí)，只需在樹狀列表中對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)選，界面右側(cè)的檢修環(huán)境中對(duì)應(yīng)的模塊就會(huì)以高亮的方式顯示，同時(shí)其它模塊會(huì)變成半透明形態(tài)用以突出選中模塊。如圖4中選中空氣彈簧模塊時(shí)系統(tǒng)的顯示效果。

用戶與虛擬環(huán)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(shí)現(xiàn)的。當(dāng)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)的人機(jī)交互形式是操控?cái)z影機(jī)，這時(shí)鼠標(biāo)左鍵的功能是旋轉(zhuǎn)，中間的功能是平移攝影機(jī)，右鍵的功能是縮放攝影機(jī)。當(dāng)按下Tab鍵或?qū)@示中的勾選去掉之后就進(jìn)入了對(duì)數(shù)據(jù)模型的操控狀態(tài)。這時(shí)用鼠標(biāo)在模型上點(diǎn)選，鼠標(biāo)會(huì)捕獲點(diǎn)選的零件并在零件上形成三維的拖拽器，用戶可以用其對(duì)零件進(jìn)行拆裝檢修操作。圖5為對(duì)空氣彈簧零件進(jìn)行拖拽操作時(shí)拖拽器效果。

圖5 對(duì)空氣彈簧零件進(jìn)行拖拽操作

在檢修過程中，每檢修進(jìn)行一步，系統(tǒng)便將其標(biāo)記，檢修完成之后，菜單欄“查看”下面的“檢修過程”按鈕將會(huì)由灰顯變?yōu)閷?shí)顯，點(diǎn)擊此按鈕，系統(tǒng)將己經(jīng)記錄的檢修結(jié)果以文本的方式顯示給用戶。

6 結(jié)論

城軌交通大發(fā)展需要一大批高素質(zhì)的車輛維修技術(shù)人員。本文提出了轉(zhuǎn)向架檢修教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，闡述了系統(tǒng)的工作原理，并基于以上技術(shù)針對(duì)沈陽地鐵車輛CCDZ50型轉(zhuǎn)向架檢修設(shè)計(jì)了“城軌車輛轉(zhuǎn)向架檢修教學(xué)系統(tǒng)”。該教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、功能完備、性價(jià)比高。其設(shè)計(jì)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(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

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