基于VR技术的标准动车组虚拟检修系统设计

张海峰,周韶泽，崔凯,宗振龙，杨文庆，张军

(1.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062；2.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)*

基于VR技术的标准动车组虚拟检修系统设计

张海峰1,周韶泽2，崔凯1,宗振龙2，杨文庆2，张军2

(1.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062；2.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)*

为了解决传统动车组检修设计和培训方式效率低、周期长和难于理解等问题，满足信息时代快速响应动车组制造企业、检修基地大批量产品检修培训和作业要求.针对标准动车组模块化设计制造特点，提出了模块化LOD检修模型构建方法、基于模型与仿真驱动文件分离方法、复用性虚拟检修仿真生成方法，实现并应用了基于虚拟现实的标准动车组虚拟检修系统.应用结果表明：虚拟检修系统提高了模块化产品检修仿真的生成效率，使检修内容更加明晰，减少了操作真实样机进行检修设计和培训的成本，提高了检修效率.

标准动车组；虚拟现实；虚拟检修；模块化

0 引言

随着信息时代的快速发展，中国动车组产品逐步走进国际市场，像标准动车组这类新型大型复杂产品，应具备在较短时间内，在国内、国外市场能培养出大量高水平检修保障能力队伍的快速响应能力.但是，传统动车组检修教学模式存在培训效率低、受限因素多、投入消耗大等问题与快速形成响应能力之间形成了越来越大的矛盾.传统动车组检修教学手段，是通过纸质检修卡中的文字和图片来说明检修操作步骤.由于标准动车组装备精密复杂、模块众多，这种方式因为描述不直观、难于理解，会导致出现检修培训及操作效率低、周期长和容易出错等问题.此外，如果采用真实样机进行检修设计和培训，由于各种限制，如培训用车数量少，因安全性要求打开裙板手续繁琐，检修空间狭小无法多人同时受训，无法拆解复杂设备并了解内部构造等，还将花费更多的时间、人力和物力，无论在生产企业还是在动车所，都会大大增加产品的检修力量投入和运维成本.因此，迫切需要引入计算机虚拟现实技术(VR技术)应用

于动车组的检修培训中.VR技术具有直观、灵活等特点，具备传统纸质文档的文字、二维图表无法比拟的解析能力，不但清晰直观的表述检修过程，使检修操作人员在短时间内了解检修对象和掌握检修技巧，节约采用真实样机培训的成本，还能为设计师带来真实的沉浸式体验，进一步改进拆装步骤等检修设计.目前，VR技术已运用于交通、环境、航天等多个领域，而在动车组检修方面的应用还很少.

动车组检修分为五级修程，特点是专业化、集约化、社会化和程序化[1]. 如果采用传统3DS MAX图形软件或者PRO/E、CATIA等CAD软件对各级修程的每个检修对象进行检修过程模拟，不但会因为车辆模型过大、模块数量庞大而使软件运行缓慢、无法操作，而且还将花费过长的制作周期和巨大的制作成本.为了解决这些问题，本文研究了模块化虚拟模型构建方法、快速检修仿真生成方法等方法，旨在满足标准动车组大型模型显示、快速生成检修过程仿真，服务于检修培训及设计的要求.

1 虚拟检修系统总体框架

标准动车组虚拟检修系统是通过人机交互、VR仿真实现产品的检修培训及设计.系统体系结构如图1，分为界面层、应用层、对象层和支撑层.

(1)支撑层为实现虚拟检修系统提供软硬件环境，包括操作系统、数据库、计算机硬件和VR软硬件等.

图1 虚拟检修系统体系结构

(2)对象层由各类涉及虚拟检修的文件资源，包括用于检修模型、检修资源模型(包括装配车间和工具模型)、检修流程文档，还包含虚拟检修中生成的检修仿真过程文件等.

(3)应用层针对需求进行仿真实现.在虚拟环境中对检修对象操作，实现检修演示培训、拆装序列及路径规划等功能.

(4)界面层响应用户的鼠标、键盘，以及VR设备的事件，为仿真应用提供友好的交互式界面.

2 动车组虚拟检修系统的建立

2.1 模块化建模及轻量化

(1)检修模型和检修资源模型建模

使用CAD软件建立动车组零部件模型，以及检修车间、检修工具等的检修资源模型.

(2)建立模块化LOD检修模型

为保证虚拟检修仿真的高效进行，需要将CAD模型转换成为轻量化的检修可视化模型.首先，将CAD模型转化为中性模型文件(如STEP、OBJ等).然后，读取中性模型文件并使用边折叠等模型简化算法将模型转换成为轻量化的检修可视化模型.其次，按照标准动车组部件模块建立独立的检修模块化模型，如变压器LOD模型模块、变流器LOD模型模块.每个模块的LOD模型用场景图父子关系保留产品设计装配树：装配树顶端为根装配体，末端为零件子节点.每个零件子节点都建立LOD节点，该LOD节点的子节点为该零件的各层分辨率的LOD几何模型，LOD结构如图2.

图2 模块化LOD检修模型结构示意图

上述LOD检修模型零件LOD节点绘制重要性因子f如下，该因子决定绘制零件模型的层次及是否绘制该几何，f值越小，模型分辨率越低：

(1)

式中，cfocus为是否为当前检修对象，如2为是，1为不是；cdistance为当前场景中视点和零件距离所确定的该LOD零件模型的分辨率级别，如高分辨率为3，中分辨率为2，低分辨率为1；cpixel表示该零件在屏幕上的投影大小是否小于某阈值，如小于50像素为2，小于20像素为1，小于8像素为0.

(3)动态加载模块化LOD模型

根据检修内容动态加载与检修内容相关的模块化LOD检修模型.例如，如果检修内容为某节车中的设备舱模块，则系统动态先加载检修车间资源模型加入场景，再将车体模块化LOD模型以及设备舱模块化LOD模型动态加入场景图，构成虚拟检修环境.

2.2 检修模拟仿真

(1)模型与仿真驱动文件分离

三维空间中，每个装配体节点或零件节点均有一个表示当前节点位姿的局部变化矩阵M0，当前装配体或零件在世界坐标下的的位姿是通过级联装配体矩阵Mn-i(i=1,2,…,n)一直到根装配体变化矩阵Mn得到，如式(2).

(2)

检修中的拆装等运动，实际上就是节点的旋转和平移运动，多个运动的叠加可以通过多矩阵联乘获得，如几何齐次坐标顶点V经过矩阵M变换得到V′：

(3)

表达式表示对装配体的平移(Mtranslate)、旋转(Mrotate)操作，以实现叠加拆装仿真过程.检修中装配体和零件的拆装仿真运动通过不断更新该节点变换矩阵M实现.图3为零部件运动仿真的矩阵变换，通过将模型与仿真驱动文件分离实现模型的检修拆装仿真.

图3 模型文件与仿真驱动文件分离

(2)检修仿真过程树

仿真驱动文件必须按照检修拆装顺序组织起来，它的结构是检修仿真过程树，如图4.它通过新建重构装配体记录仿真每一步的运动零部件名称、运动关键点位姿(包括位置和旋转角度)、运动时间和效果设置等.检修仿真过程树建立后，通过获得每个运动零件和装配体的关键点位姿和时间间隔，通过线性插值算法生成插值位置矩阵，Slerp算法生成旋转矩阵，更新模型文件对应的零部件变换矩阵即可实现检修拆装仿真.

图4 检修仿真过程树结构

(3)仿真的建立、编辑、驱动和复用

图5为检修系统可复用性仿真过程生成流程.当新建仿真过程时，按照上步检修卡中的作业程序按既定的检修顺序建立仿真过程.

图5 可复用性检修仿真过程生成流程

Step1,导入模块化LOD模型、场地模型构成检修虚拟现实环境.

Step2,如果有已有相似检修仿真过程树文件，导入复用，进入Step4.如果没有

Step3，按照检修卡的检修操作步骤，新建检修仿真过程树.

Step4，修改检修模型设计装配树中的装配体名称和零件名称，记录虚拟环境中重构装配体移动前后的位姿的关键点，并设置时间间隔，最终形成检修仿真过程树.

Step5，系统通过记录的两个关键点生成插值路径,设置闪动、透明等设置，实现检修对象的平移、旋转、闪动、透明显示等的检修过程仿真.通过调整重构装配树，调整关键点、间隔时间的方法规划检修的顺序和路径，在虚拟现实环境中可视化地编辑.

Step6，仿真结果不满意返回Step3.仿真结果满意将仿真过程树结果以文件形式进行保存.

如果在仿真过程中，从数据库中找到与该部件模块相似的检修仿真过程树文件.模块相同时(即模块名称相同)，原有检修仿真树就可以作用于新的部件上.当模块相似时，将重构装配体中模块不同部分调整(包括拷贝、添加、修改和删除)成为新模块的装配体和零件名称，就可形成新的检修仿真过程树.此外，如果检修过程中有零部件拆装过程，且装拆过程互为逆过程，生成拆卸文件后，将检修仿真过程树文件逆向转置即可生成装配文件.在很多情况下，拆卸和装配并不完全为逆过程，逆过程生成的仿真文件还得根据实际需要进行少量编辑才能符合逆过程要求.

(4)检修仿真及交互演示

在VR环境中，根据检修修程级别及项目，系统调用数据库中检修模型和对应仿真过程文件进行检修仿真和交互演示.

3 系统实现及应用

标准动车组虚拟检修系统采用VC++工具基于OpenSceneGraph(OSG)图形库开发.OSG是仿真领域常用的三维图形开发库，具有高效的渲染能力和功能强大的三维图形开发库支持.

以下以标准动车组设备舱牵引变流器三级修为例，讨论检修系统的建模与检修拆装过程模拟仿真.首先，使用Pro/E软件建立部件模型，如车体壳模型、牵引变流器模型等.然后，采用Sketchup软件构建检修车间、检修工具等检修资源模型.其次，采用虚拟检修系统将上述模型转换成为模块化LOD部件模型.再根据检修内容，通过基于 OSG 场景图技术动态调入车体壳、 牵引变流器、变压器等模块化LOD模型和检修车间模型，最终建立虚拟现实环境的检修模型，如图6、图7.根据检修卡中的作业程序步骤生成检修仿真过程树的驱动文件.

图6 设备舱模块化LOD设备模型

图7 标准动车组虚拟检修车间

图8为交互式虚拟检修编辑界面.左上方为“可视化模型树”视口，显示虚拟环境中的场景树，包括各模块模型的装配树、检修模型资源等.下方为“检修规划树”视口，显示检修仿真过程树.在该视口中可新建、修改、删除等操作重构检修仿真树，并可按仿真装配树从上到下的顺序实时运行模拟检修步骤.右方为“三维虚拟交互”视口，可在虚拟环境中平移、旋转、点击和拖拽虚拟现实环境中的模型等交互式操作.

图8 牵引变流器的虚拟检修仿真

检修作业中某步骤“通过螺栓、弹簧垫圈和圆盘将机座拧紧到牵引变流器安装轴上”，仿真生成操作是先从可视化模型树视口装配树中拖动零件装配体到检修规划树视口建立重构装配体.在重构装配树上各移动关键点记录该重构装配体中所有安装螺栓和垫片的位姿关键点.在重构装配体中开启螺栓零件拧紧、闪动的效果设置.

执行“仿真”命令，系统读取检修规划树，依照重构装配树从上到下顺序进行仿真驱动.零部件、装配体和摄影机根据不同的位姿关键帧插值，使检修对象和摄影机沿关键点平滑运动.如果仿真结果不满意，通过不断编辑、调整检修过程树，最终获得检修仿真结果.保存“检修规划树”内容成为检修仿真驱动文件，所有仿真驱动文件存入仿真过程数据库中.基于这些仿真驱动文件，其他装有该牵引变流器的车厢可以直接复用该检修仿真结果.依据这个方法，基于一个检修对象模型，可以形成多个修程的仿真驱动文件.当要查看某级检修修程的内容时，直接调用该级检修驱动文件即可.

在系统虚拟环境中，用户还可以从任何角度和任何位置观察零部件的位置和结构，并对模型进行选择、隐藏、拖拽和旋转等操作.

基于Quad-Buffer、上下或左右立体方法，如图9所示，配合立体投影EH-TW8515C多媒体液晶投影仪及主动立体眼镜，用户还可以在虚拟环境中体验沉浸式的仿真结果，获得更真实检修模拟体验、不断进行改进检修设计.

图9 牵引变流器检修左右立体显示

目前，本检修软件系统已经应用在长客股份有限公司检修开发部进行检修培训和研发.软件能够系统地、快速地生成标准动车组的设备检修仿真.相关人员在接触产品之前就可以较全面快速了解该产品结构特点及其检修.除此之外，通过虚拟现实沉浸演示，还可帮助工程人员更好地规划检修作业，改进检修设计.系统的应用提高了动车组检修的效率，取到了良好的效果.

4 结论

本文采用OSG图形库、VC++开发工具开发和实现了基于VR的动车组虚拟检修系统.用户可以按照检修作业程序，通过建立模块化LOD检修模型，采用基于模型与仿真驱动文件分离方

法，复用检修仿真结果等方法高效地建立标准动车组的虚拟检修过程仿真，进行检修培训和检修设计的改进.系统以虚拟现实的方式使检修内容更明晰，降低了操作真实样机检修设计和培训的成本，提高了动车组检修的效率，为动车组大批量检修培训提供了有效的手段.

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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 基金项目：中国铁路总公司科技开发计划资助项目(2014J004-O)

张海峰(1982-)，男，工程师，学士，主要从事轨道客车检修技术、车辆造修大数据的研究 E- mail:zhanghaifeng@cccar.com.cn.

A