CRH5動車組轉向架仿真系統設計與實現

轉向架的三維模型是利用CAD/CAM軟件CATIA創建的，而裝配過程的仿真在Cosmo Worlds可視化平臺上實現。由于CATIA和Cosmo Worlds的笛卡爾坐標系不同，如圖5(a)、(b)所示，所以在實現裝配仿真之前，需要進行坐標變換。然后利用CATIA的標準接口進行模型格式的轉換，對轉向架的構架、輪對和一系懸掛等五個大部件分別將其零部件模型逐一輸出為.wrl格式文件。

3.2.2 裝配仿真的實現

在實現虛擬裝配仿真之前，首先要進行總體規劃，確定零部件的裝配順序和路徑，這是進行裝配仿真的重要環節。轉向架零部件的裝配順序是按照裝配工藝規程確定的，裝配路徑的規劃是確定零部件在裝配時的運動軌跡，使其避免發生干涉。

對轉向架裝配過程的仿真，是基于VRML在Cosmo Worlds平臺上通過制作動畫實現的。利用VRML各種插補器節點，通過改變節點的域值以及路由對事件的傳遞，使零部件發生平移和旋轉，視點發生切換或放大或縮小，從而實現轉向架各大部件以及總體的虛擬裝配。

主要步驟包括：用Inline方式導入模型→創建仿真動畫→定義動畫指針→添加動作→定義關鍵幀→賦材質→生成動畫文件。然后利用Photoshop制作文字標注，用Premiere將文字和圖像等合成為.avi動畫文件，這樣生成的轉向架裝配仿真動畫可以生動、形象地表達零部件的安裝順序、工藝要求以及裝配關系。圖6所呈現的是按照裝配順序將構架、制動系統、牽引、一系懸掛、二系懸掛、輪對組成、管路布置和輔助裝置等零部件裝配組成的動車轉向架。

3.3 交互技術

系統利用Authorware的熱區、按鈕和文本等交互響應方式，為用戶提供了交互功能。

(1)以圖文并茂的形式清晰地表達了轉向架的總體

概況、主要技術參數和結構特點等，用戶可以通過鼠標點擊，瀏覽查看這些信息。

(2)利用DirectMedia-Xtra 插件提供了裝配仿真視頻的播放和暫停功能，還可以通過拖動滑動條，快進到感興趣的裝配畫面，以便用戶在觀看時根據需要隨時控制視頻的播放。

(3)利用熱區響應，設置開關控制背景音樂，用戶可以通過點擊背景音樂圖標，控制它的開啟和關閉。

(4)利用翻頁、返回和退出按鈕響應，用戶可以實現頁面間的跳轉以及系統的退出。

3.4 多媒體技術

系統采用多媒體技術將轉向架的各種信息呈現給用戶，使用戶通過文本和圖片，了解轉向架的技術信息、結構特點以及識別零部件等。通過裝配仿真視頻演示，觀看轉向架的大部件和總體的虛擬裝配過程，詳細了解轉向架的結構、安裝順序、工藝技術要求以及各零部件的空間位置關系，幫助用戶加深對轉向架的認識和對裝配的理解與記憶，縮短認知過程。

系統借助于基于流程線和圖標設計方式的Authorware多媒體開發工具，利用顯示、交互和計算等圖標，將轉向架的文本、圖形、圖像、聲音和視頻等信息嵌入到各功能圖標中，并通過函數和變量的使用，有效地集成了轉向架的多媒體信息，為動車組轉向架相關人員提供了一個多媒體的可視化信息平臺。

3.5 數據壓縮技術

系統采用多媒體技術使得信息更加豐富，通常數據量也比較大，信息中的冗余數據會影響系統的運行速度，有必要利用數據壓縮技術[5]對文件進行優化壓縮處理。

(1)VRML文件的優化

對于VRML文件，雖然占據的存儲空間比其他格式文件小得多，但還有優化的空間。系統采用以下優化方法：①使用重用機制，對相同的部分利用DEF(重定義節點)與USE(重用節點)很大程度地簡化了文件。②利用Inline節點減少文件的體積，提高了代碼的重用率。

(2)圖像文件的壓縮

圖像壓縮技術分為靜態圖像與動態圖像壓縮技術。靜態圖像壓縮技術主要是對空間信息進行壓縮，而動態圖像壓縮技術，除了對空間信息進行壓縮外，還要對時間信息進行壓縮。JPEG和MPEG是國際標準化組織(ISO)制定的壓縮標準。

靜態圖像壓縮標準JPEG適用于連續色調彩色或灰度圖像，其壓縮技術能夠去除冗余圖像和彩色數據，在獲得極高壓縮率的同時，還能展現豐富生動的圖像，平均壓縮比為20:1。系統轉向架的結構均用JPEG靜態圖像文件來表達，很大程度地減少了文件的存儲空間，同時還保持了圖像文件的高質量。

動態圖像壓縮標準MPEG適用于不同帶寬和數字影像質量，采用了幀內和幀間圖像數據壓縮技術，以減少空域和時域冗余，圖像壓縮比高達200:1，同時圖像數據失真很小。以轉向架總體裝配視頻文件為例，通過WinAVIVideoConverter專業視頻編、解碼軟件，采用XviD MPEG-4壓縮后，由2.1 GB壓縮為50 MB，而且保持了原有的視頻質量。

CRH5動車組轉向架虛擬仿真系統的開發，不僅為動車組轉向架的維護和人員培訓提供了一個可視化的多媒體信息平臺，也為其他場合的交流提供了直觀的溝通方式，取得了很好的實際使用效果。系統采用的多媒體、虛擬裝配和仿真技術，使得它能夠以文本、圖形和圖

像方式清晰地呈現轉向架的技術信息和結構特點，形象、生動地展示轉向架各大部件及總體的安裝順序、工藝要求和復雜裝配關系。這些特點在實際使用過程中得到了用戶的充分肯定。

當然，還需進一步完善系統的交互功能和信息呈現方式，從而更好地支持圍繞轉向架維護檢修的各種應用需求。

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