鐵路貨車車輛轉(zhuǎn)向架虛擬仿真平臺研究與開發(fā)

張楠

（中國鐵路太原局集團(tuán)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(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，鐵路貨運(yùn)在社會物質(zhì)生產(chǎn)過程中起著重要作用，具有運(yùn)送量大，速度快，成本較低等優(yōu)勢。轉(zhuǎn)向架屬于貨運(yùn)列車的關(guān)鍵部件，安全系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)要求較高，需要大量的工作者每日對轉(zhuǎn)向架進(jìn)行檢修和維護(hù)，而貨車轉(zhuǎn)向架各種類、型號、參數(shù)及修程規(guī)定存在較大差異，轉(zhuǎn)向架的檢修與維護(hù)工作量較大，涉及的人員較多，相關(guān)的組織管理工作和培訓(xùn)教學(xué)工作的難度也較大。

本文針對我段現(xiàn)有培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)存在的問題和難點(diǎn)，對轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究分析，設(shè)計(jì)開發(fā)基于轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)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(shù)、多媒體技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等前沿技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)集三維動畫和人機(jī)交互功能于一體的具有較高逼真度的仿真培訓(xùn)平臺，以多媒體演示和人機(jī)交互方式，實(shí)現(xiàn)對貨車用轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理及其動態(tài)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(xùn)教學(xué)。

2 平臺需求、結(jié)構(gòu)及功能

針對貨車轉(zhuǎn)向架各種類、型號、參數(shù)及修程規(guī)定存在較大差異，相關(guān)技術(shù)信息量較大，平臺需要滿足四個(gè)方面的需求：①檢修工作者及其他相關(guān)人員能夠通過平臺了解各類型轉(zhuǎn)向架的技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特征及其異同點(diǎn)；于轉(zhuǎn)向架模型能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)瀏覽轉(zhuǎn)向架各部件及其空間位置；③可查詢各型轉(zhuǎn)向架的各級修程信息及相關(guān)規(guī)定要求裝配工藝流程；④在多媒體平臺上可以對轉(zhuǎn)向架進(jìn)行交互式拆裝操作，模擬真實(shí)檢修規(guī)定要求和拆裝流程，在虛擬環(huán)境中全方位觀察轉(zhuǎn)向架組成部件的拆卸裝配過程[1]。

根據(jù)以上需求分析、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及真實(shí)檢修相關(guān)技術(shù)，選用多媒體技術(shù)作為開放平臺，采用了模塊化設(shè)計(jì)，主要由總體概述、結(jié)構(gòu)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(yīng)的子模塊組成。

根據(jù)以上論述的工作者對平臺需求，結(jié)合平臺設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)目標(biāo)，平臺將以交互的方式提供以下功能：①提供轉(zhuǎn)向架技術(shù)參數(shù)查詢功能，對各型轉(zhuǎn)向架以圖文并茂的形式，表達(dá)各型轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特征、技術(shù)參數(shù)及差異性特征等信息；于在虛擬環(huán)境中可動態(tài)瀏覽轉(zhuǎn)向架的三維模型，多角度解讀轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)及相對空間位置關(guān)系；③提供各型轉(zhuǎn)向架的各級修程信息及規(guī)定要求，或以視頻演示的方式表達(dá)轉(zhuǎn)向架的裝配流程及工藝要求；④能在虛擬平臺上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的交互式拆裝操作學(xué)習(xí)，可用于現(xiàn)場教學(xué)工作和新工作者的操作學(xué)習(xí)[2]。

3 關(guān)鍵技術(shù)及功能實(shí)現(xiàn)

3.1 三維建模技術(shù)

根據(jù)鐵路貨車車輛轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的二維圖紙并結(jié)合車間現(xiàn)有真實(shí)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形態(tài)，分析各零部件之間的幾何關(guān)系和裝配關(guān)系，利用SolidWorks2012三維建模軟件將轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的各零部件二維圖形轉(zhuǎn)化成三維模型，再對建模完成的轉(zhuǎn)向架各零部件進(jìn)行裝配，獲得轉(zhuǎn)向架的裝配體模型，便于后續(xù)的渲染處理和交互拆裝制作。

3.2 模型環(huán)境渲染

建模完成后的轉(zhuǎn)向架三維模型并不能直接用于交互性功能的實(shí)現(xiàn)，需要導(dǎo)入3ds max三維動畫制作軟件，對轉(zhuǎn)向架三維模型進(jìn)行環(huán)境燈光渲染處理。如圖1所示，能夠?qū)?ds max的文件類型有兩種，分別是*.stl格式和*.wrl格式，經(jīng)導(dǎo)入對比后發(fā)現(xiàn)，*.wrl格式文件導(dǎo)入3ds Max 7的轉(zhuǎn)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(shù)字組合的方式命名，對后續(xù)交互性實(shí)現(xiàn)無法對應(yīng)各零部件，而選擇導(dǎo)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(zhuǎn)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(jìn)行材質(zhì)顏色附著、創(chuàng)建環(huán)境燈光和設(shè)置虛擬場景背景，再經(jīng)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(shí)現(xiàn)

交互性功能的實(shí)現(xiàn)就是在虛擬仿真界面能夠讓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的功能，讓使用者能夠從多個(gè)角度查閱轉(zhuǎn)向架各零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。如圖2所示，將轉(zhuǎn)向架模型的*.c3d格式文件導(dǎo)入Cult 3D動畫制作及交互實(shí)現(xiàn)軟件中進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，在事件規(guī)劃圖中會自動生成好一個(gè)邏輯事件，將“虛擬根”文件替換為左側(cè)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(biāo)拽到事件規(guī)劃圖工作界面中與拆裝工具建立關(guān)系，在動作選項(xiàng)卡中選擇平移XYZ圖標(biāo)，將其拖拽到事件規(guī)劃圖工作界面中，將其與工具建立關(guān)系，此時(shí)要設(shè)置相對應(yīng)的平移參數(shù)，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(yīng)關(guān)系，邏輯事件編輯完成后在顯示窗口單擊運(yùn)行，可驗(yàn)證以上的操作，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架在虛擬仿真平臺可以按順序拆卸、裝配的功能，完成轉(zhuǎn)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(huán)境渲染

圖2 Cult 3D交互功能實(shí)現(xiàn)

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(xiàng)功能，插入文本、圖像、表格、視頻等相關(guān)媒體元素，對相關(guān)文本設(shè)置超級鏈接，完成各模塊之間的轉(zhuǎn)換，使平臺的交互性更強(qiáng)。針對我段現(xiàn)階段檢修車間情況和現(xiàn)場交流學(xué)習(xí)情況，通過對比分析，將采用Microsoft office PPT作為平臺設(shè)計(jì)，其可廣泛適用于新工實(shí)踐教學(xué)、技術(shù)員交流學(xué)習(xí)，且設(shè)計(jì)制作簡單便捷，便于設(shè)計(jì)者和教員及時(shí)更新相關(guān)信息，時(shí)效性較強(qiáng)。該平臺能夠?qū)⒍喾N媒體信息進(jìn)行綜合處理，建立起邏輯關(guān)系，為用戶提供了拓展信息表達(dá)空間，表達(dá)轉(zhuǎn)向架的技術(shù)信息、裝配工藝流程、檢修修程規(guī)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(guān)信息內(nèi)容。

4 結(jié)語

該平臺針對我段檢修車間轉(zhuǎn)向架的檢修工藝流程，表達(dá)了轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起一個(gè)具有現(xiàn)場感的轉(zhuǎn)向架可視化平臺，對轉(zhuǎn)向架整體和各部件組成裝配過程進(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)，為廣大的貨車車輛檢修、運(yùn)用、維護(hù)人員提供一個(gè)方便、快捷，具有真實(shí)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。