基于VR技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)動車組虛擬檢修系統(tǒng)設(shè)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(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

基于VR技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)動車組虛擬檢修系統(tǒng)設(shè)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(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

為了解決傳統(tǒng)動車組檢修設(shè)計和培訓(xùn)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(yīng)動車組制造企業(yè)、檢修基地大批量產(chǎn)品檢修培訓(xùn)和作業(yè)要求.針對標(biāo)準(zhǔn)動車組模塊化設(shè)計制造特點(diǎn)，提出了模塊化LOD檢修模型構(gòu)建方法、基于模型與仿真驅(qū)動文件分離方法、復(fù)用性虛擬檢修仿真生成方法，實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)動車組虛擬檢修系統(tǒng).應(yīng)用結(jié)果表明：虛擬檢修系統(tǒng)提高了模塊化產(chǎn)品檢修仿真的生成效率，使檢修內(nèi)容更加明晰，減少了操作真實(shí)樣機(jī)進(jìn)行檢修設(shè)計和培訓(xùn)的成本，提高了檢修效率.

標(biāo)準(zhǔn)動車組；虛擬現(xiàn)實(shí)；虛擬檢修；模塊化

0 引言

隨著信息時代的快速發(fā)展，中國動車組產(chǎn)品逐步走進(jìn)國際市場，像標(biāo)準(zhǔn)動車組這類新型大型復(fù)雜產(chǎn)品，應(yīng)具備在較短時間內(nèi)，在國內(nèi)、國外市場能培養(yǎng)出大量高水平檢修保障能力隊伍的快速響應(yīng)能力.但是，傳統(tǒng)動車組檢修教學(xué)模式存在培訓(xùn)效率低、受限因素多、投入消耗大等問題與快速形成響應(yīng)能力之間形成了越來越大的矛盾.傳統(tǒng)動車組檢修教學(xué)手段，是通過紙質(zhì)檢修卡中的文字和圖片來說明檢修操作步驟.由于標(biāo)準(zhǔn)動車組裝備精密復(fù)雜、模塊眾多，這種方式因?yàn)槊枋霾恢庇^、難于理解，會導(dǎo)致出現(xiàn)檢修培訓(xùn)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(shí)樣機(jī)進(jìn)行檢修設(shè)計和培訓(xùn)，由于各種限制，如培訓(xùn)用車數(shù)量少，因安全性要求打開裙板手續(xù)繁瑣，檢修空間狹小無法多人同時受訓(xùn)，無法拆解復(fù)雜設(shè)備并了解內(nèi)部構(gòu)造等，還將花費(fèi)更多的時間、人力和物力，無論在生產(chǎn)企業(yè)還是在動車所，都會大大增加產(chǎn)品的檢修力量投入和運(yùn)維成本.因此，迫切需要引入計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR技術(shù))應(yīng)用

于動車組的檢修培訓(xùn)中.VR技術(shù)具有直觀、靈活等特點(diǎn)，具備傳統(tǒng)紙質(zhì)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(nèi)了解檢修對象和掌握檢修技巧，節(jié)約采用真實(shí)樣機(jī)培訓(xùn)的成本，還能為設(shè)計師帶來真實(shí)的沉浸式體驗(yàn)，進(jìn)一步改進(jìn)拆裝步驟等檢修設(shè)計.目前，VR技術(shù)已運(yùn)用于交通、環(huán)境、航天等多個領(lǐng)域，而在動車組檢修方面的應(yīng)用還很少.

動車組檢修分為五級修程，特點(diǎn)是專業(yè)化、集約化、社會化和程序化[1]. 如果采用傳統(tǒng)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(jìn)行檢修過程模擬，不但會因?yàn)檐囕v模型過大、模塊數(shù)量龐大而使軟件運(yùn)行緩慢、無法操作，而且還將花費(fèi)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(gòu)建方法、快速檢修仿真生成方法等方法，旨在滿足標(biāo)準(zhǔn)動車組大型模型顯示、快速生成檢修過程仿真，服務(wù)于檢修培訓(xùn)及設(shè)計的要求.

1 虛擬檢修系統(tǒng)總體框架

標(biāo)準(zhǔn)動車組虛擬檢修系統(tǒng)是通過人機(jī)交互、VR仿真實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的檢修培訓(xùn)及設(shè)計.系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1，分為界面層、應(yīng)用層、對象層和支撐層.

(1)支撐層為實(shí)現(xiàn)虛擬檢修系統(tǒng)提供軟硬件環(huán)境，包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、計算機(jī)硬件和VR軟硬件等.

圖1 虛擬檢修系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

(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(yīng)用層針對需求進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn).在虛擬環(huán)境中對檢修對象操作，實(shí)現(xiàn)檢修演示培訓(xùn)、拆裝序列及路徑規(guī)劃等功能.

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

2 動車組虛擬檢修系統(tǒng)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(jìn)行，需要將CAD模型轉(zhuǎn)換成為輕量化的檢修可視化模型.首先，將CAD模型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成為輕量化的檢修可視化模型.其次，按照標(biāo)準(zhǔn)動車組部件模塊建立獨(dú)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(guān)系保留產(chǎn)品設(shè)計裝配樹：裝配樹頂端為根裝配體，末端為零件子節(jié)點(diǎn).每個零件子節(jié)點(diǎn)都建立LOD節(jié)點(diǎn)，該LOD節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)為該零件的各層分辨率的LOD幾何模型，LOD結(jié)構(gòu)如圖2.

圖2 模塊化LOD檢修模型結(jié)構(gòu)示意圖

上述LOD檢修模型零件LOD節(jié)點(diǎn)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(dāng)前檢修對象，如2為是，1為不是；cdistance為當(dāng)前場景中視點(diǎn)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(tài)加載模塊化LOD模型

根據(jù)檢修內(nèi)容動態(tài)加載與檢修內(nèi)容相關(guān)的模塊化LOD檢修模型.例如，如果檢修內(nèi)容為某節(jié)車中的設(shè)備艙模塊，則系統(tǒng)動態(tài)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(shè)備艙模塊化LOD模型動態(tài)加入場景圖，構(gòu)成虛擬檢修環(huán)境.

2.2 檢修模擬仿真

(1)模型與仿真驅(qū)動文件分離

三維空間中，每個裝配體節(jié)點(diǎn)或零件節(jié)點(diǎn)均有一個表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)位姿的局部變化矩陣M0，當(dāng)前裝配體或零件在世界坐標(biāo)下的的位姿是通過級聯(lián)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(yùn)動，實(shí)際上就是節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動，多個運(yùn)動的疊加可以通過多矩陣聯(lián)乘獲得，如幾何齊次坐標(biāo)頂點(diǎn)V經(jīng)過矩陣M變換得到V′：

(3)

表達(dá)式表示對裝配體的平移(Mtranslate)、旋轉(zhuǎn)(Mrotate)操作，以實(shí)現(xiàn)疊加拆裝仿真過程.檢修中裝配體和零件的拆裝仿真運(yùn)動通過不斷更新該節(jié)點(diǎn)變換矩陣M實(shí)現(xiàn).圖3為零部件運(yùn)動仿真的矩陣變換，通過將模型與仿真驅(qū)動文件分離實(shí)現(xiàn)模型的檢修拆裝仿真.

圖3 模型文件與仿真驅(qū)動文件分離

(2)檢修仿真過程樹

仿真驅(qū)動文件必須按照檢修拆裝順序組織起來，它的結(jié)構(gòu)是檢修仿真過程樹，如圖4.它通過新建重構(gòu)裝配體記錄仿真每一步的運(yùn)動零部件名稱、運(yùn)動關(guān)鍵點(diǎn)位姿(包括位置和旋轉(zhuǎn)角度)、運(yùn)動時間和效果設(shè)置等.檢修仿真過程樹建立后，通過獲得每個運(yùn)動零件和裝配體的關(guān)鍵點(diǎn)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(zhuǎn)矩陣，更新模型文件對應(yīng)的零部件變換矩陣即可實(shí)現(xiàn)檢修拆裝仿真.

圖4 檢修仿真過程樹結(jié)構(gòu)

(3)仿真的建立、編輯、驅(qū)動和復(fù)用

圖5為檢修系統(tǒng)可復(fù)用性仿真過程生成流程.當(dāng)新建仿真過程時，按照上步檢修卡中的作業(yè)程序按既定的檢修順序建立仿真過程.

圖5 可復(fù)用性檢修仿真過程生成流程

Step1,導(dǎo)入模塊化LOD模型、場地模型構(gòu)成檢修虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境.

Step2,如果有已有相似檢修仿真過程樹文件，導(dǎo)入復(fù)用，進(jìn)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(shè)計裝配樹中的裝配體名稱和零件名稱，記錄虛擬環(huán)境中重構(gòu)裝配體移動前后的位姿的關(guān)鍵點(diǎn)，并設(shè)置時間間隔，最終形成檢修仿真過程樹.

Step5，系統(tǒng)通過記錄的兩個關(guān)鍵點(diǎn)生成插值路徑,設(shè)置閃動、透明等設(shè)置，實(shí)現(xiàn)檢修對象的平移、旋轉(zhuǎn)、閃動、透明顯示等的檢修過程仿真.通過調(diào)整重構(gòu)裝配樹，調(diào)整關(guān)鍵點(diǎn)、間隔時間的方法規(guī)劃檢修的順序和路徑，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中可視化地編輯.

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

如果在仿真過程中，從數(shù)據(jù)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(dāng)模塊相似時，將重構(gòu)裝配體中模塊不同部分調(diào)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(zhuǎn)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(jù)實(shí)際需要進(jìn)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(huán)境中，根據(jù)檢修修程級別及項(xiàng)目，系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)庫中檢修模型和對應(yīng)仿真過程文件進(jìn)行檢修仿真和交互演示.

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

標(biāo)準(zhǔn)動車組虛擬檢修系統(tǒng)采用VC++工具基于OpenSceneGraph(OSG)圖形庫開發(fā).OSG是仿真領(lǐng)域常用的三維圖形開發(fā)庫，具有高效的渲染能力和功能強(qiáng)大的三維圖形開發(fā)庫支持.

以下以標(biāo)準(zhǔn)動車組設(shè)備艙牽引變流器三級修為例，討論檢修系統(tǒng)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(gòu)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(tǒng)將上述模型轉(zhuǎn)換成為模塊化LOD部件模型.再根據(jù)檢修內(nèi)容，通過基于 OSG 場景圖技術(shù)動態(tài)調(diào)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(xiàn)實(shí)環(huán)境的檢修模型，如圖6、圖7.根據(jù)檢修卡中的作業(yè)程序步驟生成檢修仿真過程樹的驅(qū)動文件.

圖6 設(shè)備艙模塊化LOD設(shè)備模型

圖7 標(biāo)準(zhǔn)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(huán)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(guī)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(gòu)檢修仿真樹，并可按仿真裝配樹從上到下的順序?qū)崟r運(yùn)行模擬檢修步驟.右方為“三維虛擬交互”視口，可在虛擬環(huán)境中平移、旋轉(zhuǎn)、點(diǎn)擊和拖拽虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)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(yè)中某步驟“通過螺栓、彈簧墊圈和圓盤將機(jī)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(guī)劃樹視口建立重構(gòu)裝配體.在重構(gòu)裝配樹上各移動關(guān)鍵點(diǎn)記錄該重構(gòu)裝配體中所有安裝螺栓和墊片的位姿關(guān)鍵點(diǎn).在重構(gòu)裝配體中開啟螺栓零件擰緊、閃動的效果設(shè)置.

執(zhí)行“仿真”命令，系統(tǒng)讀取檢修規(guī)劃樹，依照重構(gòu)裝配樹從上到下順序進(jìn)行仿真驅(qū)動.零部件、裝配體和攝影機(jī)根據(jù)不同的位姿關(guān)鍵幀插值，使檢修對象和攝影機(jī)沿關(guān)鍵點(diǎn)平滑運(yùn)動.如果仿真結(jié)果不滿意，通過不斷編輯、調(diào)整檢修過程樹，最終獲得檢修仿真結(jié)果.保存“檢修規(guī)劃樹”內(nèi)容成為檢修仿真驅(qū)動文件，所有仿真驅(qū)動文件存入仿真過程數(shù)據(jù)庫中.基于這些仿真驅(qū)動文件，其他裝有該牽引變流器的車廂可以直接復(fù)用該檢修仿真結(jié)果.依據(jù)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(qū)動文件.當(dāng)要查看某級檢修修程的內(nèi)容時，直接調(diào)用該級檢修驅(qū)動文件即可.

在系統(tǒng)虛擬環(huán)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(jié)構(gòu)，并對模型進(jìn)行選擇、隱藏、拖拽和旋轉(zhuǎn)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(huán)境中體驗(yàn)沉浸式的仿真結(jié)果，獲得更真實(shí)檢修模擬體驗(yàn)、不斷進(jìn)行改進(jìn)檢修設(shè)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(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在長客股份有限公司檢修開發(fā)部進(jìn)行檢修培訓(xùn)和研發(fā).軟件能夠系統(tǒng)地、快速地生成標(biāo)準(zhǔn)動車組的設(shè)備檢修仿真.相關(guān)人員在接觸產(chǎn)品之前就可以較全面快速了解該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其檢修.除此之外，通過虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸演示，還可幫助工程人員更好地規(guī)劃檢修作業(yè)，改進(jìn)檢修設(shè)計.系統(tǒng)的應(yīng)用提高了動車組檢修的效率，取到了良好的效果.

4 結(jié)論

本文采用OSG圖形庫、VC++開發(fā)工具開發(fā)和實(shí)現(xiàn)了基于VR的動車組虛擬檢修系統(tǒng).用戶可以按照檢修作業(yè)程序，通過建立模塊化LOD檢修模型，采用基于模型與仿真驅(qū)動文件分離方

法，復(fù)用檢修仿真結(jié)果等方法高效地建立標(biāo)準(zhǔn)動車組的虛擬檢修過程仿真，進(jìn)行檢修培訓(xùn)和檢修設(shè)計的改進(jìn).系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實(shí)的方式使檢修內(nèi)容更明晰，降低了操作真實(shí)樣機(jī)檢修設(shè)計和培訓(xùn)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(xùn)提供了有效的手段.

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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(xiàng)目：中國鐵路總公司科技開發(fā)計劃資助項(xiàng)目(2014J004-O)

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

A