多媒體技術(shù)在動車組轉(zhuǎn)向架檢修信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

米小珍，戴杰，呂 超，金 燕，馬思群，周韶澤，蔣 慧

（大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，大連116028）

CRH3動車組是目前我國輪軌運(yùn)營級別最高的運(yùn)輸機(jī)型，采用CW300/CW300D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(yùn)行速度為350 km/h。CRH3動車組因其運(yùn)行速度高、運(yùn)輸密度大、維修停時短、利用率高的特點(diǎn)對檢修業(yè)務(wù)提出了更高的要求。轉(zhuǎn)向架作為保證車輛行運(yùn)安全重要部件，其檢修業(yè)務(wù)也得到了空前重視。如何迅速而準(zhǔn)確地對故障作出響應(yīng)已成為檢修所面臨的迫切任務(wù)。CRH3動車組轉(zhuǎn)向架是高新技術(shù)集成體、技術(shù)含量高、裝備復(fù)雜，運(yùn)用維修方式與既有機(jī)車車輛有較大差異，呈現(xiàn)高度的專業(yè)化、程序化、集約化和系統(tǒng)化特點(diǎn)。及時、準(zhǔn)確、完整地獲得信息是高速動車組檢修分析與正確決策的前提[1]，因此，需建立檢修信息系統(tǒng)管理CRH3動車組轉(zhuǎn)向架檢修信息。

多媒體技術(shù)是計算機(jī)聲音處理技術(shù)、圖形、圖像處理技術(shù)，信息處理技術(shù)和計算機(jī)存儲技術(shù)的綜合[2]。它的關(guān)鍵特性是信息媒體的多樣性、交互性和集成性，從而使機(jī)器處理的信息多維化，使用戶能更有效地控制和使用多媒體，為應(yīng)用開辟了更加廣闊的空間。聲音、圖形、圖像、動畫和視頻等多媒體元素在CRH3動車組轉(zhuǎn)向架檢修信息系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用，使其具有良好的人機(jī)界面和豐富的表達(dá)方式，與傳統(tǒng)的檢修手冊、維修卡片、裝配圖紙等單純文字符號信息相比更具有簡潔、高效、直觀等優(yōu)點(diǎn)。

1 CRH3動車組轉(zhuǎn)向架檢修信息系統(tǒng)分析

CRH3動車組為動力分散型高速動車組，由8輛車組成，編組為4動4拖，每輛車有一位端（CE1）和二位端（CE2）兩個轉(zhuǎn)向架，共16個分10種。動車轉(zhuǎn)向架（CW300D）由9部分組成，而拖車轉(zhuǎn)向架（CW300）由8部分組成。每種轉(zhuǎn)向架均存在不同程度的差異，大到模塊配置差異，小到數(shù)千種零部件尺寸的差異。

針對上述現(xiàn)，狀研究并開發(fā)了應(yīng)用于動車組檢修基地檢修人員培訓(xùn)以及檢修信息查詢的CRH3動車組轉(zhuǎn)向架檢修信息系統(tǒng)。針對CRH3動車組轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝配信息以及檢修信息采用多媒體信息的形式集成為一個演示系統(tǒng)。采用圖文交互式介紹轉(zhuǎn)向架的技術(shù)參數(shù)、編組信息、動/拖車模塊配置和各組成部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)信息等，配合超鏈接和熱區(qū)響應(yīng)展示10種軸端在轉(zhuǎn)向架的分布位置及三維爆炸圖。通過建模技術(shù)、模型轉(zhuǎn)換技術(shù)、模型壓縮技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合運(yùn)用，為轉(zhuǎn)向架九大組成部件建立模擬環(huán)境，用戶與環(huán)境交互，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架組成部件以動態(tài)、全方位、三維立體方式的展示。借助虛擬裝配技術(shù)，對CRH3動車組10種轉(zhuǎn)向架的各組成部件以及整體進(jìn)行裝配仿真，并生成裝配演示動畫。結(jié)合多種交互方式人機(jī)交互查詢轉(zhuǎn)向架的檢修周期、檢修計劃、檢修限度以及轉(zhuǎn)向架各組成部件的各級修程信息。系統(tǒng)功能模塊如圖1。

系統(tǒng)采用基于流程的多媒體創(chuàng)作工具Authorware開發(fā)，將CRH3動車組轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝配過程、檢修信息通過多媒體文本、圖像、圖形、聲音和動畫形式表達(dá)，利用Authorware腳本創(chuàng)作。具體地說：

（1）文本：用來表達(dá)CRH3動車組轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求、檢修信息等一些專業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)、規(guī)則、事實和經(jīng)驗等信息。

（2）圖像：大量采用圖像的形式表達(dá)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特征、裝配要求以及各部件的檢修部位和典型故障癥狀等圖片信息。

（3）圖形：CRH3動車組轉(zhuǎn)向架多媒體信息系統(tǒng)將建立一個圖形文件庫，用于存放轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架、輪對、制動等主要部件的三維裝配模型。

（4）聲音：系統(tǒng)中包括背景音樂、配音解說、異常聲響等。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

（5）動畫：CRH3動車組轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件繁多，裝配關(guān)系復(fù)雜，很難用傳統(tǒng)的手段加以表達(dá)和講解。借助于動畫對CRH3動車組轉(zhuǎn)向架的裝配過程進(jìn)行模擬仿真可很好地展示裝配過程。

2 多媒體技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 交互技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

Authorware提供了按鈕交互、熱區(qū)交互、目標(biāo)區(qū)域交互和文本交互等11種交互方式，如圖2。為了便于用戶從總體和局部了解CRH3動車組轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和檢修信息，系統(tǒng)提供了轉(zhuǎn)向架選擇、軸端類型選擇、檢修信息查詢等方面的交互功能，用戶可以利用鍵盤、鼠標(biāo)操作交互選擇所要了解的內(nèi)容。圖3為一系懸掛檢修信息熱區(qū)交互界面，用戶只需將鼠標(biāo)移動到想要了解的零部件區(qū)域，系統(tǒng)會迅速作出響應(yīng)，將該零部件的檢修信息反饋給用戶。

2.2 裝配仿真技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

系統(tǒng)借助動畫演示轉(zhuǎn)向架各部件的裝配過程，使轉(zhuǎn)向架各部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系以直觀表達(dá)。

系統(tǒng)中的動畫采用三維動畫制作軟件3DS MAX制作。3DS MAX中的制作過程分為建模、附材質(zhì)、設(shè)置燈光和相機(jī)、編輯關(guān)鍵幀、渲染5個基本步驟：

圖2 交互類型選擇

圖3 熱區(qū)交互在系統(tǒng)中的應(yīng)用

（1）建模：3DS MAX擁有一個集成的建模環(huán)境，可該完成復(fù)雜的三維建模。本系統(tǒng)的建模過程是在CAD建模軟件Pro/E中完成，借助接口軟件PolyTrans將CAD模型導(dǎo)入到3DS MAX。

（2）附材質(zhì)：在實景中用相應(yīng)的材質(zhì)附于轉(zhuǎn)向架組成部件表面，這樣的目的是使轉(zhuǎn)向架組成部件更具有真實感。

（3）設(shè)置燈光和相機(jī)：為了使轉(zhuǎn)向架組成部件模型更具真實感和達(dá)到特殊的修飾效果，必須為模型加入光照和攝像機(jī)。

（4）編輯關(guān)鍵幀：是指使用動畫記錄器記錄轉(zhuǎn)向架組成部件裝配過程的各個關(guān)鍵幀，在關(guān)鍵幀之間進(jìn)行自動插補(bǔ)計算，得到關(guān)鍵幀之間的動畫幀，形成完整的裝配動畫。

（5）渲染：通過渲染可以將材質(zhì)、光照等效果加入到轉(zhuǎn)向架組成部件模型中生成靜態(tài)的圖像格式。

動畫的最終合成在視頻編輯軟件Premiere中完成，通過Premiere將3DS MAX中渲染輸出的靜態(tài)圖片與裝配解說和文字標(biāo)注等信息合成為完整的裝配動畫，輸出為*.avi格式的視頻文件。系統(tǒng)主要制作了各種轉(zhuǎn)向架的構(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(jī)吊架組成、電機(jī)安裝組成、輔助裝置組成、軸端裝置組成9大組成部件以及整體的裝配動畫片段。

裝配動畫在系統(tǒng)中的播放可由DirectMedia-Xtra插件來實現(xiàn)，它所支持的媒體類型有Mpeg、AVI、Quicktime、WAV、 MIDI等，系統(tǒng)為裝配動畫播放建立了播放模塊，用以控制裝配動畫的播放、暫停、停止等，關(guān)鍵語句如下：

SetIconProperty(@"DirectMediaXtra",#file,FileLocation^"*.avi")—指定裝配動畫文件位置

CallSprite(@"DirectMedia Xtra ", #videoplay)—播放

CallSprite(@"DirectMedia Xtra ", #videopause)—暫停

CallSprite(@"DirectMedia Xtra ", #videoseek,time)—搜索播放時間，變量time為0時停止播放

CallSprite(@"DirectMedia Xtra ", #setvolume,volume)—音量調(diào)節(jié)

2.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

CRH3動車組轉(zhuǎn)向架零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，二維工程圖或靜態(tài)的三維圖無法完整清楚地表達(dá)零部件的結(jié)構(gòu)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)以交互的形式實現(xiàn)CRH3動車組轉(zhuǎn)向架組成部件的動態(tài)展示，在虛擬環(huán)境中用戶可任意地縮放、旋轉(zhuǎn)和平移轉(zhuǎn)向架組成部件的三維模型，更全面的獲取轉(zhuǎn)向架組成部件的結(jié)構(gòu)信息。

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。Cult3D對象的制作過程如圖4。

圖4 Cult3D制作流程

（1）采用CAD造型軟件Pro/E為轉(zhuǎn)向架各組成部件建模，裝配模型*.asm可通過接口軟件PolyTrans導(dǎo)入到3DS MAX，在3DS MAX中為模型附材質(zhì)、設(shè)置光照和攝像機(jī)、剪面處理、建立虛擬場景，并通過接口軟件Cult3D Exporter輸出*.c3d文件。（2）在Cult3D Designer中進(jìn)行Cult3D對象的交互設(shè)計，包括場景設(shè)置，物體旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、復(fù)位等事件的設(shè)置。（3）經(jīng)壓縮保存格式為*.co的文件。語句CallSprite(@"ActiveX ",#Loadcult3d,FileLocation^" *.co")即可將指定的Cult3D對象*.co調(diào)入展示Cult3D在系統(tǒng)中的實現(xiàn)如圖5。

圖5 Cult3D在系統(tǒng)中的實現(xiàn)

3 多媒體信息處理技術(shù)

多媒體信息的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)比其它的信息要大，這使得不管是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)中的裝配演示動畫容量大，數(shù)量多，單張DVD光盤4.6 GB的容量記錄不下整個檢修信息系統(tǒng)。因此壓縮技術(shù)非常關(guān)鍵。

3.1 視頻壓縮技術(shù)

視頻壓縮方法采用的是一種減少圖像冗余信息的壓縮算法，它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?，F(xiàn)有3個版本：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4以適用于不同帶寬和數(shù)字影像質(zhì)量的要求。它的顯著優(yōu)點(diǎn)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，如CRH3動車組轉(zhuǎn)向架EC01/08-CE1，未經(jīng)壓縮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WinAVI選擇MPEG-4壓縮方法壓縮后減少到80 MB，壓縮后視頻沒有明顯的失真現(xiàn)象。

3.2 圖片壓縮技術(shù)

系統(tǒng)中用到大量靜態(tài)圖片，CAD軟件的截圖以及3DS MAX渲染圖片一般較大，通過專業(yè)圖像處理軟件Photoshop將圖片裁剪到所需尺寸并經(jīng)壓縮存儲為JPEG標(biāo)準(zhǔn)，能很大程度上提升系統(tǒng)的運(yùn)行速度[3]。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)針對CRH3動車組轉(zhuǎn)向架檢修業(yè)務(wù)而開發(fā)，采用多媒體軟件作為開發(fā)平臺，將文本、聲音、圖像等媒體元素集成于系統(tǒng)，有效地獲取CRH3動車組轉(zhuǎn)向架的技術(shù)參數(shù)、編組信息、模塊配置、檢修信息等；并利用動畫對轉(zhuǎn)向架各組成部件進(jìn)行裝配仿真，使用戶在脫離現(xiàn)場的環(huán)境下全面地獲取各零部件的裝配關(guān)系，裝配要求等信息；在虛擬場景中展示CRH3動車組組成部件的三維模型，通過縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等交互動作實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架組成部件結(jié)構(gòu)信息的全方位展示。此外，系統(tǒng)集成了熱區(qū)響應(yīng)、熱物體響應(yīng)、按鈕響應(yīng)等多種交互方式，使系統(tǒng)擁有良好的交互性和操控性；引入了AutoIt腳本語言實現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境檢測和必要插件自動安裝功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性與兼容性。

目前，高速動車組大量投入使用，動車組檢修基地正在緊張建設(shè)中，基于多媒體技術(shù)的高速動車組轉(zhuǎn)向架檢修信息系統(tǒng)將有助于中國高速鐵路的安全運(yùn)營和維護(hù)，具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 董錫明. 高速列車維修及其保障技術(shù)[M] . 北京：中國鐵道出版社，2008：258-263.

[2] 蔣亞南，樓應(yīng)侯. 多媒體技術(shù)在汽油發(fā)動機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)中的應(yīng)用[J] ．科技通報，2002，18（4）：299-303.

[3] 劉光然. 多媒體技術(shù)與應(yīng)用[M] . 北京：人民郵電出版社，2005：60-142.

[4] 孫雪姣，葛正義，張春. 高速鐵路動車組檢修計劃方案的探討[J] . 鐵道建筑，2004（12）：73-75.