面向用戶的軌道車輛制動(dòng)系統(tǒng)虛擬技術(shù)研究

摘 ?要：以地鐵車輛架控式制動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，開展關(guān)于面向地鐵運(yùn)營(yíng)用戶可用于數(shù)字虛擬教學(xué)、虛擬維護(hù)與檢修的虛實(shí)融合的制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的研究?；谧钚】筛鼡Q單元（LRU）、三維爆炸圖、零部件索引等技術(shù)，映射系統(tǒng)作用過(guò)程與虛擬部位，同時(shí)結(jié)合部件真實(shí)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)用狀態(tài)，使產(chǎn)品的維護(hù)、維修過(guò)程更為直觀，操作訓(xùn)練過(guò)程更為高效，滿足下一代城市軌道交通車輛機(jī)電設(shè)備的智能運(yùn)維需求。

關(guān)鍵詞：虛擬技術(shù);軌道交通;制動(dòng)系統(tǒng);檢修工藝

中圖分類號(hào)：TP274.4;TP391.9 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）13-0065-03

Abstract：Taking the bogie controlled braking system of metro vehicles as the research object，this paper carries out the research on the braking system training platform which can be used for digital virtual teaching，virtual maintenance and repair for metro operation users. Based on the technology of LRU，3D exploded view，parts index，etc.，the systems function process and virtual parts are mapped. At the same time，combining the real structure of the component and its operating state，the product maintenance and operation training process is intuitive and efficient，which meets the development demand of intelligent operation and maintenance of the next generation of urban rail transit vehicle electromechanical equipment.

Keywords：virtual technology;rail traffic;braking system;maintenance technology

0 ?引 ?言

制動(dòng)系統(tǒng)是現(xiàn)代城市軌道交通車輛的基本安全保障。地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修時(shí)間緊迫、現(xiàn)場(chǎng)演練困難、維修人員缺乏經(jīng)驗(yàn)、維修流程缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題。隨著我國(guó)城市軌道交通的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)地鐵車輛行車的教學(xué)培訓(xùn)模式已經(jīng)無(wú)法滿足車輛制動(dòng)設(shè)備檢修工藝及實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的需求。

近年來(lái)，由于虛擬技術(shù)在精密制造、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，世界各國(guó)都對(duì)虛擬技術(shù)給予了高度的重視，并投入了大量的人力物力進(jìn)行研究。在軌道車輛方面，馬然等[1]設(shè)計(jì)開發(fā)了現(xiàn)代軌道交通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心設(shè)備，陳文等[2]研究實(shí)現(xiàn)了地鐵車輛與環(huán)境虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)，肖乾等[3]開發(fā)了基于Unity 3D的虛實(shí)結(jié)合的鐵道單車制動(dòng)實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)系統(tǒng)。

本文基于CATIA數(shù)字虛擬裝配技術(shù)在地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)用中的研究成果，選取如圖1所示的某國(guó)產(chǎn)EPB型架控式制動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，旨在研究與探索面向地鐵運(yùn)營(yíng)用戶的軌道車輛制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)字虛擬技術(shù)應(yīng)用，以模擬現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境及運(yùn)用操作為目標(biāo)，借助計(jì)算機(jī)模擬的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，并結(jié)合主要部件實(shí)物，開發(fā)基于單車虛實(shí)融合的制動(dòng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，為創(chuàng)新現(xiàn)代地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)的維護(hù)檢修工藝及技能訓(xùn)練方法打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

1 ?基于虛擬樣機(jī)的制動(dòng)維護(hù)檢修

虛擬裝配就是在虛擬環(huán)境中利用數(shù)字虛擬技術(shù)將設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行預(yù)裝配，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的三維仿真與實(shí)際設(shè)備制造、裝配過(guò)程的統(tǒng)一[4]。德國(guó)Fraunhofer工業(yè)工程研究所[5]較早開展了對(duì)虛擬裝配規(guī)劃系統(tǒng)的研究，其系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在虛擬環(huán)境中執(zhí)行裝配操作（包括交互式裝配和拆卸零部件）以及成本分析等。

虛擬樣機(jī)（Virtual Prototype）是相對(duì)于物理原型機(jī)而言的，它是最終產(chǎn)品或系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)虛擬模型[6]。同物理原型機(jī)相比，它具有制作速度快、成本低的特點(diǎn)，可以用來(lái)很好地論證工程分析及工藝參數(shù)的有效性，給用戶呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)觀察視角及內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析。此外，虛擬樣機(jī)技術(shù)還能用于多種途徑，包括通過(guò)反饋信息對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改設(shè)計(jì)、讓訓(xùn)練工人進(jìn)行虛擬裝配等等，其應(yīng)用場(chǎng)景已擴(kuò)展到產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)及生產(chǎn)制造的全過(guò)程。

將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到城軌車輛制動(dòng)設(shè)備的日常檢修工藝的設(shè)計(jì)中，可以在虛實(shí)結(jié)合的環(huán)境中，為用戶真實(shí)反映設(shè)備的實(shí)際安裝位置、空間結(jié)構(gòu)及檢修工藝要求等，提高作業(yè)效率。

借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立城軌車輛制動(dòng)裝置各部件的三維模型，生成制動(dòng)系統(tǒng)的虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)用戶與環(huán)境之間的信息交互。用戶可以通過(guò)交互設(shè)備進(jìn)入到整車虛擬場(chǎng)景中，根據(jù)實(shí)際需求完成現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工藝設(shè)計(jì)、實(shí)際操作演練模擬，脫離了傳統(tǒng)的圖紙及工藝文件設(shè)計(jì)模式[7]。

首先，通過(guò)CATIA軟件分別建立制動(dòng)系統(tǒng)的主要模塊（風(fēng)源裝置、制動(dòng)控制裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、滑行控制裝置）的零部件數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)主要加工零部件賦予基本特性（包括Item序列號(hào)、材料屬性、表面處理工藝等）。各部件可進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，結(jié)構(gòu)均按照實(shí)物1：1比例建立，反映的材質(zhì)與真實(shí)車輛完全相同。在計(jì)算機(jī)上通過(guò)人機(jī)界面，可以實(shí)現(xiàn)各總成的零部件本身以及位置關(guān)系的表達(dá)。

其次，基于可拆卸可裝配理論原則（拆卸是裝配的逆過(guò)程），通過(guò)將約束好的模型進(jìn)行可行性拆卸、編排裝配流程序列，將該模型劃分成多個(gè)子裝配體。由零件和組件先裝配成子裝配體，再由子裝配體和連接件裝配成整個(gè)模型，最后規(guī)劃仿真路徑、創(chuàng)建相關(guān)仿真信息，并進(jìn)行干涉檢查，從而驗(yàn)證裝配路徑是否滿足實(shí)際操作空間的要求。裝配過(guò)程如圖2所示。

最后，通過(guò)三維交互式的檢修場(chǎng)景，按照地鐵公司的實(shí)際檢修流程實(shí)現(xiàn)日檢、定修、月檢。將VR/AR技術(shù)與裝配技術(shù)充分結(jié)合，最大化模擬擰緊裝配與測(cè)量過(guò)程，幫助操作者快速熟悉整套系統(tǒng)的操作及工藝流程;通過(guò)模擬擰緊裝配與測(cè)量過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，例如組裝順序、使用物料、擰緊過(guò)程等工藝流程問(wèn)題，以及模擬裝配系統(tǒng)的常見故障及處置預(yù)案，為用戶提供設(shè)備維護(hù)方案。制動(dòng)設(shè)備車底檢修作業(yè)虛擬裝配如圖3所示。

2 ?基于虛實(shí)融合的制動(dòng)綜合訓(xùn)練

基于對(duì)運(yùn)營(yíng)安全的考量，運(yùn)營(yíng)公司內(nèi)部的地鐵車輛行車教學(xué)培訓(xùn)基本采用師帶徒的方式，并且對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備的操作訓(xùn)練以及故障應(yīng)急處理的培訓(xùn)完全采用純理論教學(xué)方式，無(wú)法在正線開展綜合實(shí)訓(xùn)。相比傳統(tǒng)的VR虛擬現(xiàn)實(shí)制動(dòng)操作演練系統(tǒng)，基于單車虛實(shí)融合的地鐵車輛制動(dòng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可以讓運(yùn)營(yíng)人員面對(duì)真實(shí)設(shè)備進(jìn)行仿真操作演練，具有更高的學(xué)習(xí)效率，更適合面向希望掌握制動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的用戶。

針對(duì)高校及鐵路行業(yè)相關(guān)企業(yè)的互動(dòng)式教學(xué)需求，采用虛實(shí)結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，核心部件使用與真車一致的設(shè)備，并根據(jù)不同車型定制開發(fā)控制軟件，在滿足列車實(shí)際運(yùn)行的各項(xiàng)功能基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)整車制動(dòng)系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)和工作原理展示、虛擬拆裝、故障模擬和排除以及檢修流程的實(shí)訓(xùn)、教學(xué)和考核。

將司機(jī)控制器、線路管路、風(fēng)源裝置、制動(dòng)控制裝置、制動(dòng)風(fēng)缸、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置以及空氣管路按照軌道車輛單車轉(zhuǎn)向架上的連接方式連接，在線路管路上安裝控制器，空氣管路上接入壓力傳感器，使其分別與一體化總線式控制和采集模塊的兩端連接。基于單車虛實(shí)融合的制動(dòng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)如圖4所示，組成部分分別為：（1）司機(jī)控制臺(tái)（含司機(jī)控制器）;（2）顯示屏;（3）電器柜;（4）風(fēng)源裝置;（5）制動(dòng)控制裝置;（6）輔助控制裝置;（7）基礎(chǔ)制動(dòng)裝置;（8）空氣彈簧。

采集模塊采集制動(dòng)控制的各種信號(hào)，并將信號(hào)傳送給控制模塊，控制模塊接收并發(fā)送指令給線路管路的控制器，控制器控制制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種制動(dòng)模式的操作以及應(yīng)對(duì)各種故障和應(yīng)急狀況的實(shí)訓(xùn)。

基于單車虛實(shí)融合的地鐵車輛制動(dòng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)充分結(jié)合了VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及模擬試驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)，采用簡(jiǎn)單易懂的圖片和動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理的教學(xué)、典型故障的模擬和排除等功能。

通過(guò)司機(jī)控制臺(tái)、顯示屏和產(chǎn)品的聯(lián)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)列車的常用制動(dòng)、快速制動(dòng)、緊急制動(dòng)等相關(guān)功能的演示;通過(guò)顯示屏可以清晰展示不同制動(dòng)模式下的電氣指令傳遞、風(fēng)管壓力變化、制動(dòng)缸壓力變化、響應(yīng)時(shí)間等主要信息，實(shí)現(xiàn)單車制動(dòng)功能的可視化;此外，通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)單點(diǎn)、多點(diǎn)故障，模擬列車實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中電氣、氣動(dòng)部件故障可能造成的系統(tǒng)故障現(xiàn)象，并結(jié)合實(shí)物實(shí)現(xiàn)日常操作、維護(hù)、故障處理等，如圖5所示。

系統(tǒng)能夠真實(shí)地模擬地鐵列車在各種工況下的運(yùn)行狀況、牽引/制動(dòng)特性以及其他特性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，用戶可以全面掌握列車運(yùn)行的基本操作方法、操作規(guī)程與操作步驟，熟悉列車運(yùn)行過(guò)程中對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)故障及突發(fā)事件的處理方法、步驟和規(guī)程，并能實(shí)現(xiàn)駕駛能力及排除故障能力的全面訓(xùn)練和技術(shù)考核。同時(shí)，還可以采用三維動(dòng)畫的方式來(lái)顯示列車的制動(dòng)過(guò)程，讓實(shí)驗(yàn)人員能夠更加直觀地觀測(cè)制動(dòng)設(shè)備和列車在制動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的運(yùn)行情況，如圖6所示。該系統(tǒng)能解決特殊工況難以展現(xiàn)、實(shí)際操作難以實(shí)現(xiàn)的局限性，為科學(xué)研究提供實(shí)驗(yàn)支撐和數(shù)據(jù)支持。

3 ?結(jié) ?論

制動(dòng)系統(tǒng)作為行車安全的關(guān)鍵子系統(tǒng)，承擔(dān)著保證列車安全、準(zhǔn)確停車的重要職能?；谔摂M裝配與虛實(shí)融合的制動(dòng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，能滿足基于智能化運(yùn)營(yíng)維護(hù)的下一代城市軌道交通車輛的發(fā)展及運(yùn)用需求。其面向目前現(xiàn)代城市軌道交通運(yùn)營(yíng)用戶，能有效解決新線路、新系統(tǒng)、新工藝的培訓(xùn)難題，可在優(yōu)化檢修工藝成本、提升綜合運(yùn)維效率、提升運(yùn)營(yíng)安全性及運(yùn)營(yíng)品質(zhì)等方面獲得卓越成效，將為城市軌道交通帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

本文采用理論研究、計(jì)算機(jī)建模與仿真、實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的技術(shù)路線，開展面向地鐵公司的某國(guó)產(chǎn)EPB型架控式制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)字虛擬教學(xué)、虛擬維護(hù)與檢修方案的研究，基于最小可更換單元（LRU）、三維爆炸圖、零部件索引等技術(shù)，映射系統(tǒng)作用過(guò)程與虛擬部位，借助虛擬環(huán)境使教學(xué)過(guò)程直觀化。根據(jù)產(chǎn)品維護(hù)手冊(cè)，建立制動(dòng)系統(tǒng)的日常故障維修及維護(hù)性維修的數(shù)字化虛擬系統(tǒng)，使用戶直觀形象地掌握產(chǎn)品的使用及維護(hù)方案。采用虛實(shí)結(jié)合的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)軌道車輛制動(dòng)系統(tǒng)各部件的三維建模和虛擬裝配以及控制系統(tǒng)的仿真，且設(shè)計(jì)周期短、效率高，對(duì)軌道車輛檢修數(shù)字化設(shè)計(jì)的研究具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：周其顯（1985.09—），男，漢族，湖北黃岡人，工程師，碩士研究生，研究方向：列車制動(dòng)技術(shù)。