CRH5动车组转向架仿真系统设计与实现

转向架的三维模型是利用CAD/CAM软件CATIA创建的，而装配过程的仿真在Cosmo Worlds可视化平台上实现。由于CATIA和Cosmo Worlds的笛卡尔坐标系不同，如图5(a)、(b)所示，所以在实现装配仿真之前，需要进行坐标变换。然后利用CATIA的标准接口进行模型格式的转换，对转向架的构架、轮对和一系悬挂等五个大部件分别将其零部件模型逐一输出为.wrl格式文件。

3.2.2 装配仿真的实现

在实现虚拟装配仿真之前，首先要进行总体规划，确定零部件的装配顺序和路径，这是进行装配仿真的重要环节。转向架零部件的装配顺序是按照装配工艺规程确定的，装配路径的规划是确定零部件在装配时的运动轨迹，使其避免发生干涉。

对转向架装配过程的仿真，是基于VRML在Cosmo Worlds平台上通过制作动画实现的。利用VRML各种插补器节点，通过改变节点的域值以及路由对事件的传递，使零部件发生平移和旋转，视点发生切换或放大或缩小，从而实现转向架各大部件以及总体的虚拟装配。

主要步骤包括：用Inline方式导入模型→创建仿真动画→定义动画指针→添加动作→定义关键帧→赋材质→生成动画文件。然后利用Photoshop制作文字标注，用Premiere将文字和图像等合成为.avi动画文件，这样生成的转向架装配仿真动画可以生动、形象地表达零部件的安装顺序、工艺要求以及装配关系。图6所呈现的是按照装配顺序将构架、制动系统、牵引、一系悬挂、二系悬挂、轮对组成、管路布置和辅助装置等零部件装配组成的动车转向架。

3.3 交互技术

系统利用Authorware的热区、按钮和文本等交互响应方式，为用户提供了交互功能。

(1)以图文并茂的形式清晰地表达了转向架的总体

概况、主要技术参数和结构特点等，用户可以通过鼠标点击，浏览查看这些信息。

(2)利用DirectMedia-Xtra 插件提供了装配仿真视频的播放和暂停功能，还可以通过拖动滑动条，快进到感兴趣的装配画面，以便用户在观看时根据需要随时控制视频的播放。

(3)利用热区响应，设置开关控制背景音乐，用户可以通过点击背景音乐图标，控制它的开启和关闭。

(4)利用翻页、返回和退出按钮响应，用户可以实现页面间的跳转以及系统的退出。

3.4 多媒体技术

系统采用多媒体技术将转向架的各种信息呈现给用户，使用户通过文本和图片，了解转向架的技术信息、结构特点以及识别零部件等。通过装配仿真视频演示，观看转向架的大部件和总体的虚拟装配过程，详细了解转向架的结构、安装顺序、工艺技术要求以及各零部件的空间位置关系，帮助用户加深对转向架的认识和对装配的理解与记忆，缩短认知过程。

系统借助于基于流程线和图标设计方式的Authorware多媒体开发工具，利用显示、交互和计算等图标，将转向架的文本、图形、图像、声音和视频等信息嵌入到各功能图标中，并通过函数和变量的使用，有效地集成了转向架的多媒体信息，为动车组转向架相关人员提供了一个多媒体的可视化信息平台。

3.5 数据压缩技术

系统采用多媒体技术使得信息更加丰富，通常数据量也比较大，信息中的冗余数据会影响系统的运行速度，有必要利用数据压缩技术[5]对文件进行优化压缩处理。

(1)VRML文件的优化

对于VRML文件，虽然占据的存储空间比其他格式文件小得多，但还有优化的空间。系统采用以下优化方法：①使用重用机制，对相同的部分利用DEF(重定义节点)与USE(重用节点)很大程度地简化了文件。②利用Inline节点减少文件的体积，提高了代码的重用率。

(2)图像文件的压缩

图像压缩技术分为静态图像与动态图像压缩技术。静态图像压缩技术主要是对空间信息进行压缩，而动态图像压缩技术，除了对空间信息进行压缩外，还要对时间信息进行压缩。JPEG和MPEG是国际标准化组织(ISO)制定的压缩标准。

静态图像压缩标准JPEG适用于连续色调彩色或灰度图像，其压缩技术能够去除冗余图像和彩色数据，在获得极高压缩率的同时，还能展现丰富生动的图像，平均压缩比为20:1。系统转向架的结构均用JPEG静态图像文件来表达，很大程度地减少了文件的存储空间，同时还保持了图像文件的高质量。

动态图像压缩标准MPEG适用于不同带宽和数字影像质量，采用了帧内和帧间图像数据压缩技术，以减少空域和时域冗余，图像压缩比高达200:1，同时图像数据失真很小。以转向架总体装配视频文件为例，通过WinAVIVideoConverter专业视频编、解码软件，采用XviD MPEG-4压缩后，由2.1 GB压缩为50 MB，而且保持了原有的视频质量。

CRH5动车组转向架虚拟仿真系统的开发，不仅为动车组转向架的维护和人员培训提供了一个可视化的多媒体信息平台，也为其他场合的交流提供了直观的沟通方式，取得了很好的实际使用效果。系统采用的多媒体、虚拟装配和仿真技术，使得它能够以文本、图形和图

像方式清晰地呈现转向架的技术信息和结构特点，形象、生动地展示转向架各大部件及总体的安装顺序、工艺要求和复杂装配关系。这些特点在实际使用过程中得到了用户的充分肯定。

当然，还需进一步完善系统的交互功能和信息呈现方式，从而更好地支持围绕转向架维护检修的各种应用需求。

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