基于VR技術的標準動車組虛擬檢修系統設計

張海峰,周韶澤，崔凱,宗振龍，楊文慶，張軍

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

基于VR技術的標準動車組虛擬檢修系統設計

張海峰1,周韶澤2，崔凱1,宗振龍2，楊文慶2，張軍2

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；2.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

為了解決傳統動車組檢修設計和培訓方式效率低、周期長和難于理解等問題，滿足信息時代快速響應動車組制造企業、檢修基地大批量產品檢修培訓和作業要求.針對標準動車組模塊化設計制造特點，提出了模塊化LOD檢修模型構建方法、基于模型與仿真驅動文件分離方法、復用性虛擬檢修仿真生成方法，實現并應用了基于虛擬現實的標準動車組虛擬檢修系統.應用結果表明：虛擬檢修系統提高了模塊化產品檢修仿真的生成效率，使檢修內容更加明晰，減少了操作真實樣機進行檢修設計和培訓的成本，提高了檢修效率.

標準動車組；虛擬現實；虛擬檢修；模塊化

0 引言

隨著信息時代的快速發展，中國動車組產品逐步走進國際市場，像標準動車組這類新型大型復雜產品，應具備在較短時間內，在國內、國外市場能培養出大量高水平檢修保障能力隊伍的快速響應能力.但是，傳統動車組檢修教學模式存在培訓效率低、受限因素多、投入消耗大等問題與快速形成響應能力之間形成了越來越大的矛盾.傳統動車組檢修教學手段，是通過紙質檢修卡中的文字和圖片來說明檢修操作步驟.由于標準動車組裝備精密復雜、模塊眾多，這種方式因為描述不直觀、難于理解，會導致出現檢修培訓及操作效率低、周期長和容易出錯等問題.此外，如果采用真實樣機進行檢修設計和培訓，由于各種限制，如培訓用車數量少，因安全性要求打開裙板手續繁瑣，檢修空間狹小無法多人同時受訓，無法拆解復雜設備并了解內部構造等，還將花費更多的時間、人力和物力，無論在生產企業還是在動車所，都會大大增加產品的檢修力量投入和運維成本.因此，迫切需要引入計算機虛擬現實技術(VR技術)應用

于動車組的檢修培訓中.VR技術具有直觀、靈活等特點，具備傳統紙質文檔的文字、二維圖表無法比擬的解析能力，不但清晰直觀的表述檢修過程，使檢修操作人員在短時間內了解檢修對象和掌握檢修技巧，節約采用真實樣機培訓的成本，還能為設計師帶來真實的沉浸式體驗，進一步改進拆裝步驟等檢修設計.目前，VR技術已運用于交通、環境、航天等多個領域，而在動車組檢修方面的應用還很少.

動車組檢修分為五級修程，特點是專業化、集約化、社會化和程序化[1]. 如果采用傳統3DS MAX圖形軟件或者PRO/E、CATIA等CAD軟件對各級修程的每個檢修對象進行檢修過程模擬，不但會因為車輛模型過大、模塊數量龐大而使軟件運行緩慢、無法操作，而且還將花費過長的制作周期和巨大的制作成本.為了解決這些問題，本文研究了模塊化虛擬模型構建方法、快速檢修仿真生成方法等方法，旨在滿足標準動車組大型模型顯示、快速生成檢修過程仿真，服務于檢修培訓及設計的要求.

1 虛擬檢修系統總體框架

標準動車組虛擬檢修系統是通過人機交互、VR仿真實現產品的檢修培訓及設計.系統體系結構如圖1，分為界面層、應用層、對象層和支撐層.

(1)支撐層為實現虛擬檢修系統提供軟硬件環境，包括操作系統、數據庫、計算機硬件和VR軟硬件等.

圖1 虛擬檢修系統體系結構

(2)對象層由各類涉及虛擬檢修的文件資源，包括用于檢修模型、檢修資源模型(包括裝配車間和工具模型)、檢修流程文檔，還包含虛擬檢修中生成的檢修仿真過程文件等.

(3)應用層針對需求進行仿真實現.在虛擬環境中對檢修對象操作，實現檢修演示培訓、拆裝序列及路徑規劃等功能.

(4)界面層響應用戶的鼠標、鍵盤，以及VR設備的事件，為仿真應用提供友好的交互式界面.

2 動車組虛擬檢修系統的建立

2.1 模塊化建模及輕量化

(1)檢修模型和檢修資源模型建模

使用CAD軟件建立動車組零部件模型，以及檢修車間、檢修工具等的檢修資源模型.

(2)建立模塊化LOD檢修模型

為保證虛擬檢修仿真的高效進行，需要將CAD模型轉換成為輕量化的檢修可視化模型.首先，將CAD模型轉化為中性模型文件(如STEP、OBJ等).然后，讀取中性模型文件并使用邊折疊等模型簡化算法將模型轉換成為輕量化的檢修可視化模型.其次，按照標準動車組部件模塊建立獨立的檢修模塊化模型，如變壓器LOD模型模塊、變流器LOD模型模塊.每個模塊的LOD模型用場景圖父子關系保留產品設計裝配樹：裝配樹頂端為根裝配體，末端為零件子節點.每個零件子節點都建立LOD節點，該LOD節點的子節點為該零件的各層分辨率的LOD幾何模型，LOD結構如圖2.

圖2 模塊化LOD檢修模型結構示意圖

上述LOD檢修模型零件LOD節點繪制重要性因子f如下，該因子決定繪制零件模型的層次及是否繪制該幾何，f值越小，模型分辨率越低：

(1)

式中，cfocus為是否為當前檢修對象，如2為是，1為不是；cdistance為當前場景中視點和零件距離所確定的該LOD零件模型的分辨率級別，如高分辨率為3，中分辨率為2，低分辨率為1；cpixel表示該零件在屏幕上的投影大小是否小于某閾值，如小于50像素為2，小于20像素為1，小于8像素為0.

(3)動態加載模塊化LOD模型

根據檢修內容動態加載與檢修內容相關的模塊化LOD檢修模型.例如，如果檢修內容為某節車中的設備艙模塊，則系統動態先加載檢修車間資源模型加入場景，再將車體模塊化LOD模型以及設備艙模塊化LOD模型動態加入場景圖，構成虛擬檢修環境.

2.2 檢修模擬仿真

(1)模型與仿真驅動文件分離

三維空間中，每個裝配體節點或零件節點均有一個表示當前節點位姿的局部變化矩陣M0，當前裝配體或零件在世界坐標下的的位姿是通過級聯裝配體矩陣Mn-i(i=1,2,…,n)一直到根裝配體變化矩陣Mn得到，如式(2).

(2)

檢修中的拆裝等運動，實際上就是節點的旋轉和平移運動，多個運動的疊加可以通過多矩陣聯乘獲得，如幾何齊次坐標頂點V經過矩陣M變換得到V′：

(3)

表達式表示對裝配體的平移(Mtranslate)、旋轉(Mrotate)操作，以實現疊加拆裝仿真過程.檢修中裝配體和零件的拆裝仿真運動通過不斷更新該節點變換矩陣M實現.圖3為零部件運動仿真的矩陣變換，通過將模型與仿真驅動文件分離實現模型的檢修拆裝仿真.

圖3 模型文件與仿真驅動文件分離

(2)檢修仿真過程樹

仿真驅動文件必須按照檢修拆裝順序組織起來，它的結構是檢修仿真過程樹，如圖4.它通過新建重構裝配體記錄仿真每一步的運動零部件名稱、運動關鍵點位姿(包括位置和旋轉角度)、運動時間和效果設置等.檢修仿真過程樹建立后，通過獲得每個運動零件和裝配體的關鍵點位姿和時間間隔，通過線性插值算法生成插值位置矩陣，Slerp算法生成旋轉矩陣，更新模型文件對應的零部件變換矩陣即可實現檢修拆裝仿真.

圖4 檢修仿真過程樹結構

(3)仿真的建立、編輯、驅動和復用

圖5為檢修系統可復用性仿真過程生成流程.當新建仿真過程時，按照上步檢修卡中的作業程序按既定的檢修順序建立仿真過程.

圖5 可復用性檢修仿真過程生成流程

Step1,導入模塊化LOD模型、場地模型構成檢修虛擬現實環境.

Step2,如果有已有相似檢修仿真過程樹文件，導入復用，進入Step4.如果沒有

Step3，按照檢修卡的檢修操作步驟，新建檢修仿真過程樹.

Step4，修改檢修模型設計裝配樹中的裝配體名稱和零件名稱，記錄虛擬環境中重構裝配體移動前后的位姿的關鍵點，并設置時間間隔，最終形成檢修仿真過程樹.

Step5，系統通過記錄的兩個關鍵點生成插值路徑,設置閃動、透明等設置，實現檢修對象的平移、旋轉、閃動、透明顯示等的檢修過程仿真.通過調整重構裝配樹，調整關鍵點、間隔時間的方法規劃檢修的順序和路徑，在虛擬現實環境中可視化地編輯.

Step6，仿真結果不滿意返回Step3.仿真結果滿意將仿真過程樹結果以文件形式進行保存.

如果在仿真過程中，從數據庫中找到與該部件模塊相似的檢修仿真過程樹文件.模塊相同時(即模塊名稱相同)，原有檢修仿真樹就可以作用于新的部件上.當模塊相似時，將重構裝配體中模塊不同部分調整(包括拷貝、添加、修改和刪除)成為新模塊的裝配體和零件名稱，就可形成新的檢修仿真過程樹.此外，如果檢修過程中有零部件拆裝過程，且裝拆過程互為逆過程，生成拆卸文件后，將檢修仿真過程樹文件逆向轉置即可生成裝配文件.在很多情況下，拆卸和裝配并不完全為逆過程，逆過程生成的仿真文件還得根據實際需要進行少量編輯才能符合逆過程要求.

(4)檢修仿真及交互演示

在VR環境中，根據檢修修程級別及項目，系統調用數據庫中檢修模型和對應仿真過程文件進行檢修仿真和交互演示.

3 系統實現及應用

標準動車組虛擬檢修系統采用VC++工具基于OpenSceneGraph(OSG)圖形庫開發.OSG是仿真領域常用的三維圖形開發庫，具有高效的渲染能力和功能強大的三維圖形開發庫支持.

以下以標準動車組設備艙牽引變流器三級修為例，討論檢修系統的建模與檢修拆裝過程模擬仿真.首先，使用Pro/E軟件建立部件模型，如車體殼模型、牽引變流器模型等.然后，采用Sketchup軟件構建檢修車間、檢修工具等檢修資源模型.其次，采用虛擬檢修系統將上述模型轉換成為模塊化LOD部件模型.再根據檢修內容，通過基于 OSG 場景圖技術動態調入車體殼、 牽引變流器、變壓器等模塊化LOD模型和檢修車間模型，最終建立虛擬現實環境的檢修模型，如圖6、圖7.根據檢修卡中的作業程序步驟生成檢修仿真過程樹的驅動文件.

圖6 設備艙模塊化LOD設備模型

圖7 標準動車組虛擬檢修車間

圖8為交互式虛擬檢修編輯界面.左上方為“可視化模型樹”視口，顯示虛擬環境中的場景樹，包括各模塊模型的裝配樹、檢修模型資源等.下方為“檢修規劃樹”視口，顯示檢修仿真過程樹.在該視口中可新建、修改、刪除等操作重構檢修仿真樹，并可按仿真裝配樹從上到下的順序實時運行模擬檢修步驟.右方為“三維虛擬交互”視口，可在虛擬環境中平移、旋轉、點擊和拖拽虛擬現實環境中的模型等交互式操作.

圖8 牽引變流器的虛擬檢修仿真

檢修作業中某步驟“通過螺栓、彈簧墊圈和圓盤將機座擰緊到牽引變流器安裝軸上”，仿真生成操作是先從可視化模型樹視口裝配樹中拖動零件裝配體到檢修規劃樹視口建立重構裝配體.在重構裝配樹上各移動關鍵點記錄該重構裝配體中所有安裝螺栓和墊片的位姿關鍵點.在重構裝配體中開啟螺栓零件擰緊、閃動的效果設置.

執行“仿真”命令，系統讀取檢修規劃樹，依照重構裝配樹從上到下順序進行仿真驅動.零部件、裝配體和攝影機根據不同的位姿關鍵幀插值，使檢修對象和攝影機沿關鍵點平滑運動.如果仿真結果不滿意，通過不斷編輯、調整檢修過程樹，最終獲得檢修仿真結果.保存“檢修規劃樹”內容成為檢修仿真驅動文件，所有仿真驅動文件存入仿真過程數據庫中.基于這些仿真驅動文件，其他裝有該牽引變流器的車廂可以直接復用該檢修仿真結果.依據這個方法，基于一個檢修對象模型，可以形成多個修程的仿真驅動文件.當要查看某級檢修修程的內容時，直接調用該級檢修驅動文件即可.

在系統虛擬環境中，用戶還可以從任何角度和任何位置觀察零部件的位置和結構，并對模型進行選擇、隱藏、拖拽和旋轉等操作.

基于Quad-Buffer、上下或左右立體方法，如圖9所示，配合立體投影EH-TW8515C多媒體液晶投影儀及主動立體眼鏡，用戶還可以在虛擬環境中體驗沉浸式的仿真結果，獲得更真實檢修模擬體驗、不斷進行改進檢修設計.

圖9 牽引變流器檢修左右立體顯示

目前，本檢修軟件系統已經應用在長客股份有限公司檢修開發部進行檢修培訓和研發.軟件能夠系統地、快速地生成標準動車組的設備檢修仿真.相關人員在接觸產品之前就可以較全面快速了解該產品結構特點及其檢修.除此之外，通過虛擬現實沉浸演示，還可幫助工程人員更好地規劃檢修作業，改進檢修設計.系統的應用提高了動車組檢修的效率，取到了良好的效果.

4 結論

本文采用OSG圖形庫、VC++開發工具開發和實現了基于VR的動車組虛擬檢修系統.用戶可以按照檢修作業程序，通過建立模塊化LOD檢修模型，采用基于模型與仿真驅動文件分離方

法，復用檢修仿真結果等方法高效地建立標準動車組的虛擬檢修過程仿真，進行檢修培訓和檢修設計的改進.系統以虛擬現實的方式使檢修內容更明晰，降低了操作真實樣機檢修設計和培訓的成本，提高了動車組檢修的效率，為動車組大批量檢修培訓提供了有效的手段.

[1]高飛 ，潘鈺 ．北京動車組檢修基地與動車檢修 [J]．鐵道機車車輛 ，2010，30(4) ：77-81．

[2]劉鋇鋇 ，田凌 ，楊宇航 ，等 ．航空虛擬維修系統的設計與實現 [J]．計算機集成制造系統, 2011，17(11) ：2324-2332．

[3]楊崗，李芾，吉華 ．基于VR技術的CHR1轉向架虛擬裝配研究[J]．機械設計與制造 ，2013(2) ：74-76．

[4]沈安慰，郭基聯，王卓健 ．基于B/S 結構的航空維修保障訓練系統[J]．計算機應用與軟件 ，2013，30(2) ：253-255．

[5]林積昶，韓國柱，吳松，等 ．基于Pro/E的虛擬拆裝系統[J]．計算機工程 ，2010，36(15) ：230-232．

[6]陳科,彭五四,張紅旗,等 ．基于VR技術的虛擬維修仿真系統設計與應用[J]．工程圖學學報 ，2010(6) ：125-132．

[7]王文舉，李光耀 ．虛擬維修仿真技術的研究與進展[J]．系統仿真學報 ，2011，23(9) ：1751-1757．

[8]楊曉文，韓燮 ．虛擬維修訓練系統關鍵技術研究與應用[J]．計算機應用與軟件 ，2013，30(5) ：208-210．

[9]王銳，錢學雷．OpenSceneGraph三維渲染引擎設計與實踐[M]．北京：清華大學出版社，2010．

Research and Implementation of a Virtual Maintenance System for CEMU based on VR Technology

ZHANGF Haifeng1, ZHOU Shaoze2, CUI Kai1, ZONG Zhenlong2,YANG Wenqing1, ZHANG Jun2

(1.CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd, Changchun130062, China; 2.School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Aiming at low efficiency, long cycle, and difficult to understand of CEMU product using the traditional methods to design and train maintenance, a modular LOD method for creating virtual maintenance models, a separation method of models and simulation-driving files and a reusable maintenance simulation method are proposed. Based on these methods, a virtual maintenance system is established, and the system is implemented. The result of application shows that the system provides a high-efficient creation method of maintenance simulation for modular products, makes clarity of maintenance much more and reduces the cost of real product maintenance design training with an improved maintenance efficiency .

CEMU ; virtual reality; virtual maintenance; modular

1673- 9590(2017)02- 0043- 05

2016-09-23 基金項目：中國鐵路總公司科技開發計劃資助項目(2014J004-O)

張海峰(1982-)，男，工程師，學士，主要從事軌道客車檢修技術、車輛造修大數據的研究 E- mail:zhanghaifeng@cccar.com.cn.

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