一种针对高速列车转向架机械结构的沉浸式可视化系统的实现方法

本发明涉及数字孪生技术中的沉浸可视化与人机交互领域，具体涉及高速列车转向架机械结构的沉浸式可视化导览方法与系统。

背景技术：

1、随着中国铁路的发展，铁路里程的不断延长且范围逐渐扩大，铁路运维迎来了更为严峻的挑战。在这一背景下，远程运维技术和数字孪生技术的引入正在深刻地改变着铁路系统的运维方式。传统的现场运维在面对铁路系统的规模和多样性时显得力不从心。远程运维技术通过构建高效的网络通信系统，将中国铁路各个节点密切相连，实现了对庞大铁路网络的实时监测和数据汇聚。数字孪生技术以虚拟模型为支撑，可为中国铁路系统提供精确的仿真和实时建模，适应不断增长的铁路规模。数据的采集与分析为规模不断扩大的铁路系统带来了更为高效的预防性维护支持，有力地削减了维护成本，提升了设备的可用性。智能化的故障诊断系统结合数字孪生技术，为中国铁路系统提供了即时故障定位和修复的能力。

2、高速列车转向架是高速动车上的一个关键组件，它位于动车车辆的底部，负责支撑和连接动车的车体和车轮。其主要功能是使动车能够在铁路轨道上平稳运行并在需要时完成转向。转向架通常由一系列机械零部件组成，包括悬挂系统、转向装置、轮轴等。悬挂系统用于减缓动车通过不平整轨道时的震动，而转向装置则允许动车在铁路交叉口、道岔等地方进行转向操作。

3、保证转向架的正常工作对高速动车的安全和稳定运行至关重要。首先，转向架直接影响动车的操控性能，确保动车能够按照预定的路径行驶，避免脱轨等意外事件的发生。其次，通过有效的悬挂系统和转向装置，转向架能够减轻动车行驶中的颠簸和震动，提高乘客的乘坐舒适度。此外，正常工作的转向架还有助于减少动车在弯道行驶时的侧向力，提高动车的稳定性，从而降低了车辆的磨损和能耗。

4、随着铁路系统的远程运维技术的发展，如何使技术人员更有效地参与转向架的运维成为一个重要的问题。首先，远程运维系统需要提供高度灵活的可视化界面，支持技术人员实时转向架运行状态的监控。通过数字孪生技术，系统可以生成精确的虚拟模型，展示转向架内部结构和各个零部件的运行情况。此外，远程运维系统应该整合传感器数据和实时监测信息，提供综合的健康状况评估，使技术人员能够全面了解转向架的性能和运行情况。

5、此外，解决远程运维中技术人员参与转向架运维工作需综合考虑远程运维的实现环境。目前挑战在于技术人员难以直观感知转向架的结构和运行状态，缺乏实地操作的便利性。因此，迫切需要一种创新性的解决方案，以提高技术人员的操作效率和运维质量。通过引入沉浸式虚拟现实技术，技术人员可以远程进入转向架的虚拟环境，深度体验其中的运行情况，从而更直观地感知结构和状态的细节。这种身临其境的沉浸式体验将为技术人员提供更丰富的感知信息，为他们在远程环境中进行转向架运维工作创造更加实用和高效的操作方式。通过交互性的设计，可以使技术人员以更自然、直观的方式与虚拟环境中的转向架进行互动，包括手势、触控等方式。这样的沉浸式交互方式将为技术人员提供新的运维体验，使其能够更好地参与到转向架的远程运维中，解决当前的运维挑战。

技术实现思路

1、为了实现本发明的目的，本发明提供一种针对高速列车转向架机械结构的沉浸式可视化系统的实现方法。

2、所述沉浸式可视化系统的实现方法，包括以下步骤：

3、步骤1、动车转向架机械结构模型预处理；

4、步骤2、面向复杂机械结构的连接矩阵构建与机械连接检测；

5、步骤3、基于复杂拓扑图分割的机械零件集合生成；

6、步骤4、基于几何特征的模型拆分方向矫正；

7、步骤5、基于机械结构拓扑图的层次结构生成；

8、步骤6、沉浸式远程运维环境构建。

9、进一步地，步骤1中，动车转向架机械结构模型预处理，包括：

10、步骤1.1动车转向架模型由3dface组成，这些数据结构在几何上表示三维平面，三维平面为三角形或四边形，在cad中，定义一个3dface需要顺序指定3dface的四个顶点，四个顶点通常按顺时针或逆时针的顺序排列，在读取cad文件后，将3dface结构解析为一组点和边，一个3dface对应一组点和一组边，分别对应3dface的相应顶点之间的连接关系；

11、步骤1.2考虑到cad文件记录了三维机械模型的详细结构，并应真实且准确地反映机械的所有零件之间以及零件内部的关系，构成机械的各个零件之间不存在共同的顶点，也就是在cad文件中呈现的整体机械结构和构成cad文件的3dface结构之间存在一个新的零件层次，这个层次的元素对应于独立的零件结构，引导将零件组装成整个车身的过程，为了生成零件层次，需要获取每个零件对应的3dface，由于构成机械的各个零件之间不存在共同的顶点，对于任何机械零件，顶点和边应形成一个强连通图：构成机械零件的任何顶点都能够通过边达到另一个顶点；并且不同机械零件的相应绘图之间没有连接；

12、步骤1.3在整个系统读取3d cad图纸后，获得了整个图纸上的点集p和边集l，对于每条边li，能够在点集中找到相应的点pi1和pi2，基于此，确定这两个点属于同一独立集，即这两个点属于同一零件，得到一个新的集合q，其中的每个元素都是一个点集，且有一条边连接属于该集合的点，以确定q中的每个元素是独立零件顶点集的子集，在系统中，基于边集e建立了一个集合p，并不断检查集合p中不同集合之间是否有共享点，如果有共同的顶点，则将这两个集合合并，重复以上过程，直到集合p中不同集合之间没有共同顶点为止，此时，p中的每个元素都是每个独立零件的点集，对于p中的每个元素p，找到其所有顶点都在p中的边e，然后，将边和顶点组合在一起以生成每个零件的cad数据partcad，再生成partcad。

13、进一步地，步骤2中，面向复杂机械结构的连接矩阵构建与机械连接检测：

14、步骤2.1在动车转向架机械系统中，使用连接矩阵来记录动车转向架机械结构的连接信息，连接矩阵用于描述动车转向架机械系统中不同部件之间的干涉或碰撞关系，矩阵中的行和列代表动车转向架机械系统中的不同部件，而每个元素表示相应部件之间是否存在干涉或碰撞，通常以二进制值表示，创建连接矩阵涉及对动车转向架机械系统的几何形状、运动路径和工作空间进行详细分析，将面临3d图纸与实际动车转向架机械结构的不一致，3d模型的不准确性源自动车转向架机械工程图纸中连接表示的不确定性以及三维图纸上的视觉表示与实际结构不匹配；

15、步骤2.2考虑到创建连接矩阵的难度，采用一种特定方法来识别和提取动车转向架机械系统中部件之间的连接，通过分析两个动车转向架机械部件的3d模型，当它们存在重叠体积时，表明存在干涉配合或过渡配合，这种方法通过识别体积重叠的区域来确定部件之间的连接关系，为了应对间隙配合，将对动车转向架机械部件的3d模型进行轻微扩展，将间隙配合转换为其他配合方法，基于标准的物理引擎，使用生成的网格碰撞器来扩展和检测重叠体积，从而提取连接信息，整体上，通过连接检测算法实现了对动车转向架机械结构的可视化呈现，将连接信息更新到连接矩阵中；

16、步骤2.3为了更全面地表示动车转向架机械结构，生成动车转向架机械结构拓扑图，动车转向架机械结构拓扑图通过将连接矩阵转化为图形表示，其中节点代表动车转向架机械部件，边表示这些部件之间的连接，边上的权重表示动车转向架机械部件之间的距离，这个过程为用户提供了直观的动车转向架机械结构全貌，方便了对动车转向架结构的理解和分析。

17、进一步地，步骤3中，基于复杂拓扑图分割的机械零件集合生成：

18、步骤3.1以机械结构拓扑图为基础，利用图分割来将机械结构划分并生成机械集合，图分割的过程过程中，通过中心扩展创建图分割的初始解决方案，基于k-algorithm对初始解决方案进行优化；

19、步骤3.2为生成更符合机械结构理解的机械集合，指定中心节点以生成初始解决方案，基于中心节点，通过中心扩展生成初始聚类集合，初始聚类集合通过迭代过程进行更新，在每次迭代中，对于图中不属于任何初始聚类的每个节点，将该节点添加到与其相邻且具有最短距离的初始聚类中，距离的定义是连接该节点到初始聚类的边的最小权重，处理完所有节点后，生成动车转向架机械结构拓扑图的初始解决方案的分割；

20、步骤3.3基于初始解决方案，应用k-algorithm来优化分割结果，k-algorithm源自传统的k均值算法，但采用增量方法将节点分配给最近的聚类，而不是计算到聚类平均值的距离，为了优化分割结果，k-algorithm计算将指定节点j从旧聚类x移动到新聚类y的增量值，增量值通过计算x和y中成本函数的变化得到，成本函数定义为：

21、δf(j，x，y)＝f(c′x)+f(c′y)-f(cx)-f(cy)

22、......(1)，

23、通过选择逆内部权重iiw作为损失函数，则：

24、

25、其中：m是带权图结构中边权的的总和，wi是聚类i中内部权重的总和，k的值代表了聚类的数量，在这个成本函数中，较小的结果表示更好的分割，基于这个成本函数，逆加权在成本函数的导数中提供了负值，能够平衡不同聚类中节点的数量，此外，由于空聚类具有无穷大的iiw值，iiw成本函数能够有效减少空聚类的存在，通过将iiw应用到增量值，得到k-algorithm的增量函数，如下式(2)所示：

26、

27、基于中心扩展和k-algorithm，能够在动车转向架机械结构拓扑图中获得一个优化的图分割结果，这一结果对应于机械结构中的不同机械集合，构成了机械系统层次结构中机械集合层次的基础，综合中心扩展和k-algorithm，获得了优化的图分割结果，这一结果对应于机械结构中的不同机械集合，构成了机械系统层次结构中机械集合层次的基础。

28、进一步地，步骤4中，基于机械结构拓扑图的层次结构生成，基于机械零件拓扑序的分类和管理方法，旨在解决机械零件聚类中存在大量机械部件以及它们内部结构缺乏清晰性：

29、在机械零件集合生成的基础上，对机械部件进行了全面的分类，基于机械零件集合，通过将这一点与基于机械结构生成的整体连接矩阵相结合，提取与每个机械零件集合对应的单独的连接矩阵和动车转向架机械结构拓扑图，生成的结构图是整体机械结构结构图的子图代表了机械集内部的连接关系；

30、在机械零件集合生成部分，每个机械零件集合都有一个中央机械部件，对应于拓扑图上的中央节点，这允许计算从拓扑上的每个节点到中央节点的拓扑距离，将节点及其拓扑距离映射到相应的机械集，基于其拓扑距离为机械集内的每个机械部件进行标记，以允许对机械集内的机械部件进行分类；

31、基于拓扑距离的机械分类反映了机械结构内部机械部件之间的层次关系，拓扑距离较小的类别中的机械部件与中央机械部件关系更密切，表明它们形成了围绕中央部件聚集的机械部件核心结构，反之，拓扑距离较大的机械部件与中央机械部件的关系较远，表明它们分散在机械集的外围，起到支持和辅助连接的作用；

32、基于机械结构拓扑图的层次结构生成策略，在展示复杂机械结构时单独呈现机械集内部部件的拓扑结构，以能够分析机械聚类内部结构，在拓扑层的基础上，在机械集合层次上重新管理了机械部件，每个机械集匹配相应的机械部件拓扑结构，避免在整体连接图上进行机械连接分析和机械结构可视化的复杂性，对聚类内机械部件的分类操作实现了机械聚类内部部件的层次组织也增强了机械聚类与单个机械部件之间的层次关系，以为后续对机械结构的可视化和解剖操作提供了指导。

33、进一步地，步骤5中，基于几何特征的模型拆分方向矫正：

34、为实现机械设备内部结构的可视化，需要设计一组可视化方法，基于机械部件的聚类，选择拆卸动画作为最直观的可视化方法，具体为：

35、为创建拆卸动画，需要解决拆卸动画中机械部件的运动顺序和每个机械部件的拆卸方向，设计一种从最高拓扑层到最低拓扑层执行的拆卸策略，同时对同一拓扑层的机械部件进行拆卸，解决了机械部件运动顺序的问题，较高拓扑层的机械部件通常是最外层的机械结构的部分，从这些部分开始拆卸有助于观察者逐渐深入了解机器的内部结构，能够感知机器不同层之间的组装关系，在由大量部件组成的区域，同时拆卸同一拓扑层的部件不仅缩短了动画的持续时间，还使观察者能够集中注意力于一组机械部件的相互连接，有助于更好地理解特定的机械区域；

36、为确定机械部件的拆卸方向，提出了一种基于部件中心和轴向定向的策略，对于指定的机械部件，利用在拓扑层生成部分生成的层次结构，获取与指定机械部件相关联的所有相互连接的机械部件，在考虑机械部件的拆卸动画时，通过移动最外层的机械部件来显示内部部件，以定义指示方向，对于每个机械连接的部件，指示方向表示指定机械部件应拆卸的最佳方向，由于机械部件之间的互连和基于拓扑层的层次结构，首先移除最外层的机械部件，对于位于下一层的任何机械部件，构造一个干扰矢量，记为i，基于其几何中心与指定机械部件的几何中心的矢量差异，干扰矢量表示机械部件对指定机械部件的拆卸的影响；

37、为确保平滑的拆卸过程并消除已拆卸部件的影响，堆叠和标准化与指定部件一层下的所有机械部件相对应的所有干扰矢量i，这个过程得到了一个优化的指导方向d，表示移动机械部件以展示机械结构的最佳方向；

38、通过提出一个校正轴，记为a，来调整最佳指导方向d，这种校正旨在通过解决最佳指导方向d与机械部件实际形状之间的不匹配，优化拆卸动画，鉴于部件通常具有复杂的形状，没有可供使用的通用模板，为了为机械部件统一定义校正轴a，首先对机械部件进行广泛的分类，对于那些具有明显轴向特征的部件(例如轴和车轮)，将其分类为具有轴向特征，另一方面，对于缺乏明显轴向特征的机械部件(例如齿轮箱和刹车卡钳)分类为非轴向部件，基于机械部件的定向边界框的分类，为复杂机械部件的3d模型获取最小边界框，然后根据生成的立方体进行分类，便于对复杂机械模型进行轴向分类；

39、基于轴向分类，对于具有轴向特征的机械部件，提取与定向边界框相对应的轴向方向，这个提取的轴向方向充当校正轴a，允许机械部件沿其轴向方向移动，这种校正使部件的运动与机械结构的实际组装和拆卸方向对齐；另一方面，对于非轴向部件，定义校正轴a为最大模块的矢量dg，矢量dg是最佳指导方向d在相对空间坐标轴上的投影之间的投影，这确保了在最佳运动方向不确定时，非轴向部件被引导沿着空间轴扩展，使动画与观察者的视角对齐；

40、基于校正轴a，构造最佳指导方向dg在a上的投影矢量dp，表示机械部件的校正运动方向，以提高拆卸动画的准确性和连贯性，确保机械部件的运动与其实际组装和拆卸方向或观察者的视角相一致，生成后，将拆卸方向附加到机械部件层的相应机械部件上，以增强交互导航中的拆卸动画。

41、进一步地，步骤6中，构建沉浸式远程运维环境：

42、用户通过ui交互界面创建层次导览，并配置相关参数，用户通过拖拽拟展示的机械模型文件到界面中，然后在相应的脚本中附着模型对象，实现对3d模型的替换，设计的本步骤简化了用户对展示模型的操作，使其更加直观；

43、在控制拆分动画生成模块创建的ui界面中，用户通过控制机械零件集合生成脚本中的参数，改变中心机械零件的数量，并通过拖拽中心机械零件的3d模型到指定位置，实现对中心机械零件的自定义，这样的设计使得用户能够灵活地设置用于指导机械零件集合生成的中心机械零件，所述沉浸式可视化系统的实现方法允许用户根据模型的体积和面数进行排序，并删除体积较小的零件，以提高可视化效果，用户通过调整阈值和面数过滤器来定制模型简化的过程，使其更符合用户的习惯和需求；

44、在完成沉浸式环境的配置与构建后，用户以不同的层次与模型发生交互，以更好地查看复杂机械结构的细节，展示可视化配置与用户交互模块的呈现效果，用户在所述沉浸式可视化系统的实现方法中选择不同的交互模式，以适应不同层次的机械结构，具体的交互模式包括整体模式、集合模式和零件模式，整体模式允许用户与整个机械模型进行交互，获取全局视图；集合模式支持用户对由所述沉浸式可视化系统的方法生成的机械零件集合进行探索和操作；零件模式提供对单个机械零件进行交互的操作，基于不同的层次与交互模式，用户使用抓握操作与不同层次的机械结构进行交互，这种自然的交互方式使用户能够直观地体验机械结构，增强了用户的沉浸感，通过抓握交互操作，用户模拟与实际机械的物理交互，包括拼装和检视操作，从而更全面地理解机械结构；

45、以拓扑层次为基础，用户能够在不同交互模式查看机械结构的基础上，通过额外的染色与拆分动画增加对于机械功能区域与机械组装与拆分顺序的理解；

46、在所述沉浸式可视化系统的实现方法中，根据机械结构的层次信息，在沉浸式环境中对机械零件进行染色，这样的设计有助于用户更清晰地识别不同层次的结构，用户还能够通过调整透明度，在需要时减少不同层次之间的遮挡，使得特定层次的结构更为突出；

47、基于生成的拆卸方向，所述沉浸式可视化系统的实现方法提供了拆卸动画的功能，用户选择对整个机械结构或特定的机械零件集合进行拆卸动画，通过滑块控制拆卸的程度，用户能够动态地展示机械结构的拆卸过程，帮助用户理解机械零件之间的连接关系，不仅提供了视觉上的效果，还强化了用户对机械结构的操作感知。

48、本发明所述沉浸式可视化系统的实现方法的优越技术效果如下：

49、1.本发明所述沉浸式可视化系统的实现方法通过多尺度、多实例场景下的高效可视化辅助技术，能够准确建立铁路系统内各个机械部件之间的关联，形成清晰的连接网络，使得复杂的机械结构得以全面而深入的呈现。

50、2.本发明所述沉浸式可视化系统的实现方法在用户交互方面，创造性地提供了整体模式、集合模式和零件模式等多种交互模式，使用户能够灵活地查看机械结构的不同层次，通过自然的抓握操作实现了与不同层次机械结构的直观交互，为用户提供了更全面、更深入地了解机械结构的机会，增强了用户在沉浸式环境中的感知和操作体验。

51、3.本发明所述沉浸式可视化系统的实现方法通过结构层次染色和拆卸动画等创新功能，进一步提升了机械结构的可视化效果。

52、4.本发明所述沉浸式可视化系统的实现方法通过结构层次染色，有助于用户清晰地识别不同层次的结构，而拆卸动画则通过动态展示机械结构的拆卸过程，帮助用户更深入理解机械零件之间的连接关系，强化了用户对机械结构操作的感知。