多媒体技术在动车组转向架检修信息系统中的应用

米小珍，戴杰，吕 超，金 燕，马思群，周韶泽，蒋 慧

（大连交通大学交通运输工程学院，大连116028）

CRH3动车组是目前我国轮轨运营级别最高的运输机型，采用CW300/CW300D型转向架，8辆列车编组中动力转向架和非动力转向架各占50%，最高运行速度为350 km/h。CRH3动车组因其运行速度高、运输密度大、维修停时短、利用率高的特点对检修业务提出了更高的要求。转向架作为保证车辆行运安全重要部件，其检修业务也得到了空前重视。如何迅速而准确地对故障作出响应已成为检修所面临的迫切任务。CRH3动车组转向架是高新技术集成体、技术含量高、装备复杂，运用维修方式与既有机车车辆有较大差异，呈现高度的专业化、程序化、集约化和系统化特点。及时、准确、完整地获得信息是高速动车组检修分析与正确决策的前提[1]，因此，需建立检修信息系统管理CRH3动车组转向架检修信息。

多媒体技术是计算机声音处理技术、图形、图像处理技术，信息处理技术和计算机存储技术的综合[2]。它的关键特性是信息媒体的多样性、交互性和集成性，从而使机器处理的信息多维化，使用户能更有效地控制和使用多媒体，为应用开辟了更加广阔的空间。声音、图形、图像、动画和视频等多媒体元素在CRH3动车组转向架检修信息系统中的综合应用，使其具有良好的人机界面和丰富的表达方式，与传统的检修手册、维修卡片、装配图纸等单纯文字符号信息相比更具有简洁、高效、直观等优点。

1 CRH3动车组转向架检修信息系统分析

CRH3动车组为动力分散型高速动车组，由8辆车组成，编组为4动4拖，每辆车有一位端（CE1）和二位端（CE2）两个转向架，共16个分10种。动车转向架（CW300D）由9部分组成，而拖车转向架（CW300）由8部分组成。每种转向架均存在不同程度的差异，大到模块配置差异，小到数千种零部件尺寸的差异。

针对上述现，状研究并开发了应用于动车组检修基地检修人员培训以及检修信息查询的CRH3动车组转向架检修信息系统。针对CRH3动车组转向架的结构特点、装配信息以及检修信息采用多媒体信息的形式集成为一个演示系统。采用图文交互式介绍转向架的技术参数、编组信息、动/拖车模块配置和各组成部件的结构特点信息等，配合超链接和热区响应展示10种轴端在转向架的分布位置及三维爆炸图。通过建模技术、模型转换技术、模型压缩技术和虚拟现实技术的综合运用，为转向架九大组成部件建立模拟环境，用户与环境交互，实现转向架组成部件以动态、全方位、三维立体方式的展示。借助虚拟装配技术，对CRH3动车组10种转向架的各组成部件以及整体进行装配仿真，并生成装配演示动画。结合多种交互方式人机交互查询转向架的检修周期、检修计划、检修限度以及转向架各组成部件的各级修程信息。系统功能模块如图1。

系统采用基于流程的多媒体创作工具Authorware开发，将CRH3动车组转向架的结构特点、装配过程、检修信息通过多媒体文本、图像、图形、声音和动画形式表达，利用Authorware脚本创作。具体地说：

（1）文本：用来表达CRH3动车组转向架的结构特点、技术要求、检修信息等一些专业领域的数据、规则、事实和经验等信息。

（2）图像：大量采用图像的形式表达转向架的结构特征、装配要求以及各部件的检修部位和典型故障症状等图片信息。

（3）图形：CRH3动车组转向架多媒体信息系统将建立一个图形文件库，用于存放转向架的构架、轮对、制动等主要部件的三维装配模型。

（4）声音：系统中包括背景音乐、配音解说、异常声响等。

图1 系统功能模块

（5）动画：CRH3动车组转向架结构复杂，部件繁多，装配关系复杂，很难用传统的手段加以表达和讲解。借助于动画对CRH3动车组转向架的装配过程进行模拟仿真可很好地展示装配过程。

2 多媒体技术在系统中的应用

2.1 交互技术在系统中的应用

Authorware提供了按钮交互、热区交互、目标区域交互和文本交互等11种交互方式，如图2。为了便于用户从总体和局部了解CRH3动车组转向架的结构特点和检修信息，系统提供了转向架选择、轴端类型选择、检修信息查询等方面的交互功能，用户可以利用键盘、鼠标操作交互选择所要了解的内容。图3为一系悬挂检修信息热区交互界面，用户只需将鼠标移动到想要了解的零部件区域，系统会迅速作出响应，将该零部件的检修信息反馈给用户。

2.2 装配仿真技术在系统中的应用

系统借助动画演示转向架各部件的装配过程，使转向架各部件内部结构及装配关系以直观表达。

系统中的动画采用三维动画制作软件3DS MAX制作。3DS MAX中的制作过程分为建模、附材质、设置灯光和相机、编辑关键帧、渲染5个基本步骤：

图2 交互类型选择

图3 热区交互在系统中的应用

（1）建模：3DS MAX拥有一个集成的建模环境，可该完成复杂的三维建模。本系统的建模过程是在CAD建模软件Pro/E中完成，借助接口软件PolyTrans将CAD模型导入到3DS MAX。

（2）附材质：在实景中用相应的材质附于转向架组成部件表面，这样的目的是使转向架组成部件更具有真实感。

（3）设置灯光和相机：为了使转向架组成部件模型更具真实感和达到特殊的修饰效果，必须为模型加入光照和摄像机。

（4）编辑关键帧：是指使用动画记录器记录转向架组成部件装配过程的各个关键帧，在关键帧之间进行自动插补计算，得到关键帧之间的动画帧，形成完整的装配动画。

（5）渲染：通过渲染可以将材质、光照等效果加入到转向架组成部件模型中生成静态的图像格式。

动画的最终合成在视频编辑软件Premiere中完成，通过Premiere将3DS MAX中渲染输出的静态图片与装配解说和文字标注等信息合成为完整的装配动画，输出为*.avi格式的视频文件。系统主要制作了各种转向架的构架组成、轮对组成、一系悬挂组成、二系悬挂组成、牵引装置组成、基础制动装置组成、电机吊架组成、电机安装组成、辅助装置组成、轴端装置组成9大组成部件以及整体的装配动画片段。

装配动画在系统中的播放可由DirectMedia-Xtra插件来实现，它所支持的媒体类型有Mpeg、AVI、Quicktime、WAV、 MIDI等，系统为装配动画播放建立了播放模块，用以控制装配动画的播放、暂停、停止等，关键语句如下：

SetIconProperty(@"DirectMediaXtra",#file,FileLocation^"*.avi")—指定装配动画文件位置

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

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

CallSprite(@"DirectMedia Xtra ", #videoseek,time)—搜索播放时间，变量time为0时停止播放

CallSprite(@"DirectMedia Xtra ", #setvolume,volume)—音量调节

2.3 虚拟现实技术在系统中的应用

CRH3动车组转向架零部件结构复杂，二维工程图或静态的三维图无法完整清楚地表达零部件的结构。虚拟现实技术以交互的形式实现CRH3动车组转向架组成部件的动态展示，在虚拟环境中用户可任意地缩放、旋转和平移转向架组成部件的三维模型，更全面的获取转向架组成部件的结构信息。

系统采用Cult3D虚拟现实软件实现转向架零部件的虚拟现实展示。Cult3D对象的制作过程如图4。

图4 Cult3D制作流程

（1）采用CAD造型软件Pro/E为转向架各组成部件建模，装配模型*.asm可通过接口软件PolyTrans导入到3DS MAX，在3DS MAX中为模型附材质、设置光照和摄像机、剪面处理、建立虚拟场景，并通过接口软件Cult3D Exporter输出*.c3d文件。（2）在Cult3D Designer中进行Cult3D对象的交互设计，包括场景设置，物体旋转、平移、缩放、复位等事件的设置。（3）经压缩保存格式为*.co的文件。语句CallSprite(@"ActiveX ",#Loadcult3d,FileLocation^" *.co")即可将指定的Cult3D对象*.co调入展示Cult3D在系统中的实现如图5。

图5 Cult3D在系统中的实现

3 多媒体信息处理技术

多媒体信息的数据量远比其它的信息要大，这使得不管是对多媒体信息的存贮，传输和处理都提出更高的要求。特别是系统中的装配演示动画容量大，数量多，单张DVD光盘4.6 GB的容量记录不下整个检修信息系统。因此压缩技术非常关键。

3.1 视频压缩技术

视频压缩方法采用的是一种减少图像冗余信息的压缩算法，它提供的压缩比可以高达200：1，同时图像和音响的质量也非常高。现有3个版本：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4以适用于不同带宽和数字影像质量的要求。它的显著优点是兼容性好、压缩比高、数据失真小。通过3DS MAX制作的装配动画输出格式为*.avi的视频文件，其容量比较大，如CRH3动车组转向架EC01/08-CE1，未经压缩的二系悬挂装配动画视频为1.7 GB，通过专业视频编、解码软件WinAVI选择MPEG-4压缩方法压缩后减少到80 MB，压缩后视频没有明显的失真现象。

3.2 图片压缩技术

系统中用到大量静态图片，CAD软件的截图以及3DS MAX渲染图片一般较大，通过专业图像处理软件Photoshop将图片裁剪到所需尺寸并经压缩存储为JPEG标准，能很大程度上提升系统的运行速度[3]。

4 结束语

本系统针对CRH3动车组转向架检修业务而开发，采用多媒体软件作为开发平台，将文本、声音、图像等媒体元素集成于系统，有效地获取CRH3动车组转向架的技术参数、编组信息、模块配置、检修信息等；并利用动画对转向架各组成部件进行装配仿真，使用户在脱离现场的环境下全面地获取各零部件的装配关系，装配要求等信息；在虚拟场景中展示CRH3动车组组成部件的三维模型，通过缩放、平移、旋转等交互动作实现转向架组成部件结构信息的全方位展示。此外，系统集成了热区响应、热物体响应、按钮响应等多种交互方式，使系统拥有良好的交互性和操控性；引入了AutoIt脚本语言实现系统运行环境检测和必要插件自动安装功能，增强了系统的运行可靠性与兼容性。

目前，高速动车组大量投入使用，动车组检修基地正在紧张建设中，基于多媒体技术的高速动车组转向架检修信息系统将有助于中国高速铁路的安全运营和维护，具有良好的应用前景。

[1] 董锡明. 高速列车维修及其保障技术[M] . 北京：中国铁道出版社，2008：258-263.

[2] 蒋亚南，楼应侯. 多媒体技术在汽油发动机故障诊断专家系统中的应用[J] ．科技通报，2002，18（4）：299-303.

[3] 刘光然. 多媒体技术与应用[M] . 北京：人民邮电出版社，2005：60-142.

[4] 孙雪姣，葛正义，张春. 高速铁路动车组检修计划方案的探讨[J] . 铁道建筑，2004（12）：73-75.