張嘉鷺， 馬 軍， 邵明輝(江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

0 引 言

轉(zhuǎn)向架位于動(dòng)車(chē)組的最下部，承載著車(chē)體、接觸著軌道，它牽引和引導(dǎo)車(chē)輛沿著軌道行駛，是保證車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)的關(guān)鍵部件。因此在列車(chē)運(yùn)營(yíng)中需要對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行日常及周期性的檢修與維護(hù)，以確保列車(chē)行駛安全[1]。原國(guó)家鐵道部2008年制定的《高速鐵路工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中要求，高速鐵路檢修機(jī)構(gòu)的定員人數(shù)按運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路長(zhǎng)度的指標(biāo)為8-10人/公里，其中轉(zhuǎn)向架檢修人員占比20%以上。而目前的現(xiàn)狀是，開(kāi)設(shè)軌道交通類(lèi)專(zhuān)業(yè)的本科院校數(shù)量較少，招生規(guī)模有限，且實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的相對(duì)匱乏，學(xué)生對(duì)動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架檢修工藝的認(rèn)知僅停留于書(shū)本[2-4]。

鑒于以上情況，本文擬研發(fā)一套面向國(guó)內(nèi)主流車(chē)型(CRH380AL)動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架檢修工藝的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)授課模式缺乏直觀信息呈現(xiàn)手段的問(wèn)題，使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)快速對(duì)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特征形成感觀認(rèn)識(shí)，并掌握復(fù)雜的檢修工藝流程，最終促進(jìn)軌道交通類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的拓展和培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程

本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)原則是要滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架檢修工藝中所有檢修項(xiàng)目的虛擬仿真教學(xué)需求，因此系統(tǒng)的具體開(kāi)發(fā)過(guò)程可概括為以下4個(gè)部分，即：確定工藝、構(gòu)建模型、添加動(dòng)畫(huà)和創(chuàng)建系統(tǒng)。

1.1 檢修工藝的確定

為確保技術(shù)資料的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，筆者多次前往上海鐵路局南京動(dòng)車(chē)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，總結(jié)并梳理了CRH380AL車(chē)型轉(zhuǎn)向架的檢修理論和工藝流程(基于最新版本的《南京動(dòng)車(chē)段企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—CRH380A型動(dòng)車(chē)組二級(jí)修作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》、《南京動(dòng)車(chē)段企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—CRH380A型動(dòng)車(chē)組三級(jí)修作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》)，為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)[5]。

1.2 三維模型的建立

CRH380AL車(chē)型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架的三維模型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。為確保模型尺寸與真車(chē)轉(zhuǎn)向架尺寸完全一致，筆者在動(dòng)車(chē)組檢修基地對(duì)CRH380AL車(chē)型的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了細(xì)致地零部件測(cè)繪，并根據(jù)南京動(dòng)車(chē)運(yùn)用所提供的技術(shù)資料，采用Pro/Engineer軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架的三維模型進(jìn)行了構(gòu)建，并導(dǎo)入3D MAX軟件進(jìn)行渲染及優(yōu)化，最終導(dǎo)出擴(kuò)展名為*.wrl格式的文件[6,7]。轉(zhuǎn)向架三維模型如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架三維模型圖

1.3 交互式檢修步驟的添加

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開(kāi)放性與共享性，本文采用Web 3D技術(shù)對(duì)所建立的三維模型進(jìn)行交互式檢修步驟的添加，以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)在Web網(wǎng)頁(yè)上對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)的在線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)。

目前應(yīng)用較多的Web 3D技術(shù)開(kāi)發(fā)工具有Unity 3D、Cortona 3D、View point、Atmosphere等。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Cortona 3D軟件可利用其Rapid Manual模塊快速制作IETM(交互式電子技術(shù)手冊(cè))，而IETM是目前國(guó)際上主流的大型裝備技術(shù)文檔的呈現(xiàn)方式[8-10]。因此，本文選用Cortona 3D軟件作為轉(zhuǎn)向架交互式虛擬檢修模型的開(kāi)發(fā)工具[11]。

通過(guò)在Cortona 3D軟件中添加裝配、拆卸、測(cè)量等一系列動(dòng)作，即可生成動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架交互式虛擬檢修模型，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向架交互式虛擬檢修模型

1.4 系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)以Visual Studio 2012為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以SQL Server 2012構(gòu)建后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，采用ASP.NET實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，同時(shí)基于B/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了搭建。如圖3所示，B/S架構(gòu)由顯示層、中間層、數(shù)據(jù)層組成，相對(duì)于常規(guī)的C/S架構(gòu)，該架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程在線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)[12-15]。

圖3 B/S三層架構(gòu)圖

本系統(tǒng)將技術(shù)說(shuō)明書(shū)、檢修作業(yè)指導(dǎo)書(shū)、交互式虛擬檢修模型等技術(shù)資料有機(jī)地集成，架設(shè)在專(zhuān)門(mén)的高性能高穩(wěn)定性的服務(wù)器中。用戶(hù)操作任意Web瀏覽器(如IE瀏覽器)對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，通過(guò)點(diǎn)擊Web頁(yè)面的相應(yīng)鏈接，即可對(duì)服務(wù)器內(nèi)的技術(shù)資源進(jìn)行調(diào)用。

為便于學(xué)生查閱和使用本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本文借鑒了IETM的技術(shù)規(guī)范構(gòu)建了動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架檢修工藝虛擬仿真系統(tǒng)的頁(yè)面流程圖以及最終的前端網(wǎng)頁(yè)呈現(xiàn)方式，供學(xué)生進(jìn)行交互式的操作和查閱，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)頁(yè)面流程圖

2 系統(tǒng)使用說(shuō)明

2.1 系統(tǒng)界面組成

系統(tǒng)基于IETM技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)，操作界面采用標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器窗口，且為典型的三框架結(jié)構(gòu)，層次分明，結(jié)構(gòu)合理。系統(tǒng)包括“維修計(jì)劃”、“技術(shù)說(shuō)明書(shū)”、“檢修作業(yè)指導(dǎo)書(shū)”、“交互式工藝流程模塊”等10個(gè)模塊，學(xué)生可選擇相應(yīng)的模塊進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。系統(tǒng)主界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主界面

2.2 轉(zhuǎn)向架交互式工藝流程模塊應(yīng)用實(shí)例

轉(zhuǎn)向架交互式工藝流程模塊是虛擬仿真系統(tǒng)的核心，也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的集中體現(xiàn)。在這一模塊中，共含有“動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架分解裝配”、“拖車(chē)轉(zhuǎn)向架分解裝配”、“研磨子更換”、“制動(dòng)閘盤(pán)更換”等30余項(xiàng)訓(xùn)練項(xiàng)目，可滿(mǎn)足轉(zhuǎn)向架檢修工藝中所有檢修項(xiàng)目的虛擬仿真教學(xué)需求。操作界面依次由項(xiàng)目選擇區(qū)、文檔提示區(qū)和虛擬仿真區(qū)3個(gè)框架組成。限于篇幅，本文以“動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架分解”項(xiàng)目為例介紹，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)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(xué)習(xí)模式。該模式下，學(xué)生以練習(xí)檢修工藝的流程為目的，學(xué)生可根據(jù)文檔部分的步驟提示以及零件定位提示進(jìn)行操作，每操作完成一個(gè)步驟，動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架即可分解相應(yīng)零部件一組，直至分解完成。如圖7(a)所示。

(2) 考核模式。學(xué)生采用該模式可以對(duì)自己的學(xué)習(xí)過(guò)程在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行自測(cè)，此時(shí)界面左側(cè)的文檔部分不會(huì)有任何步驟提示以及零件定位提示，全憑學(xué)生自行操作，考核完畢后，考核成績(jī)自動(dòng)生成，學(xué)生可以通過(guò)“成績(jī)”功能菜單察看。如圖7(b)所示。

(a) 學(xué)習(xí)模式(b) 考核模式

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)目前軌道交通車(chē)輛虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)匱乏的情況，本文借助虛擬現(xiàn)實(shí)、三維建模和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出一套的適用于CRH380AL型動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架檢修工藝的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以將動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架檢修工藝流程在Web網(wǎng)頁(yè)中以交互方式直觀呈現(xiàn)，使學(xué)生在虛擬場(chǎng)景中快速理解和認(rèn)知轉(zhuǎn)向架的技術(shù)信息、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝配順序以及檢修工藝流程，較大程度上提高了學(xué)習(xí)效率，降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本。

本系統(tǒng)的應(yīng)用市場(chǎng)定位為各鐵路局車(chē)輛(動(dòng)車(chē))運(yùn)用單位以及開(kāi)設(shè)機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)的大中專(zhuān)院校等，主要用于員工的職前培訓(xùn)和高校專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)輔助。目前，本系統(tǒng)已在江蘇師范大學(xué)、徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院、徐州技師學(xué)院等開(kāi)設(shè)相關(guān)課程的院校推廣使用，學(xué)生的工程實(shí)踐能力得到了提升，應(yīng)用前景廣闊。

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