CN115762251B - 基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力机车组装技术领域，尤其是涉及一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法，方法应用于电力机车组装过程中，方法包括：对电力机车各部件现场数据采集，构建电力机车各部件的基础模型；对基础模型进行优化处理，确定各基础模型的组装关系；进行动画库划分，分层设计三维工艺动画库框架；对三维动画库架构中的模型进行属性编辑；调用动画的数据，运用ID3决策树算法构造决策树，预测组装过程中各个状态下部件需要进行的下一步工艺；通过该方法提高了不同工作人员实际组装作业效率，降低了作业人员的失误率，解决在检修后组装作业中存在的员工相关技能薄弱，实操能力不够，组装时失误的随机化、高频化出现等问题。

Description

基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法

技术领域

本发明涉及电力机车组装技术领域，尤其是涉及一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法。

背景技术

目前,我国铁路主要由“和谐”型大功率交流电力机车承担电气化线路的普速客货运输任务。在较高的使用频率和较大牵引载荷的运行工况下，其维修保养就成为一个比较复杂和重要的工程，特别是对于电力机车C6修，要求能够将运行了200万km或是12年的电力机车恢复至该车出厂时的同等性能。要达到此目标，需要电力机车检修部门在对车辆进行组装时对电力机车各大系统进行组装统筹，保证组装质量和组装效率，从而大幅提升电力机车运行效率和运行品质。

所谓“VR技术”，VR是VirtualReality的缩写，翻译为虚拟现实，虚拟现实技术是一种能够创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，它利用计算机生成一种交互式的三维动态视景，其实体行为的仿真系统能够使用户沉浸到该环境中。虚拟现实技术作为二十一世纪末才兴起的一门综合性信息技术，它融合了计算机图学、传感器技术、多媒体技术、数字图像处理等多个信息技术分支，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。目前已经被广泛运用于医疗、科学、教育、军事、工业等多个领域，但在国内外轨道交通领域内正式投入运营的案例较少，大部分还处于研发试验阶段。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。

基于电力机车现场组装工序复杂繁琐、并且不同的部件组装对应不同的作业人员，由于操作人员技能有限而导致实际组装作业效率较低，易出现失误的现场状况。本发明将VR技术应用于机车车辆的维修后组装，开发一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法，解决在检修后组装作业中存在的员工相关技能薄弱，实操能力不够，组装时失误的随机化、高频化出现等问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法。

根据本发明第一方面实施例的一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法,包括如下步骤：

步骤S100：对电力机车各部件现场数据采集，创建检修工具、检修设备及检修场景虚拟模型，构建电力机车部件的基础模型；

步骤S200：对创建的基础模型进行优化处理，根据电力机车实际组装工艺确定各基础模型的组装关系；

步骤S300：根据电力机车主要系统组成，进行动画库划分，根据各个部件所处的系统，分层设计三维工艺动画库框架；

步骤S400：对所述三维工艺动画库框架中的各个模型进行属性编辑；

步骤S500：通过调用存储在三维工艺动画库中每个组装过程的动画的数据，运用ID3决策树算法构造决策树，预测组装过程中各个状态下部件需要进行的下一步工艺；将不同工艺动画进行智能分配，并最终显示终端设备。

根据本发明实施例的一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法，通过对电力机车各部件基础模型创建并优化，设计三维工艺动画库框架并对所述三维动画库架构中的各个模型进行属性编辑，应用ID3决策树算法预测组装过程中各个状态下部件需要进行的下一步工艺；将不同工艺动画进行智能分配，使不同的部件组装对应不同的作业人员能够在终端设备进行在线学习参考，提高了实际组装作业效率，降低了作业人员的失误率，解决在检修后组装作业中存在的员工相关技能薄弱，实操能力不够，组装时失误的随机化、高频化出现等问题。

根据本发明的一些实施例，所述步骤S200中对模型优化处理包括：对模型进行优化、删除多余的重叠面、细节处通过贴图来进行替代等多种方式降低模型面数， 减小模型在存储介质中所占的内存，有利于模型在交互界面中流畅显示，同时也增加了作业人员对模型的可操作性。

根据本发明的一些实施例，对优化处理基础模型多角度三维展示及基础模型放缩处理，所述多角度三维展示通过 unity3d 调用触摸操作 API 实现触摸滑动旋转模型角度，双手扩张滑动缩放模型。

根据本发明的一些实施例，所述步骤S400中对所述三维动画库架构中的各个模型进行属性编辑，根据电力机车各个系统的组装工艺工时及所需作业的人员种类、数量进行参数确定。不同模型根据电力机车各个系统的组装工艺工时及所需作业的人员种类、数量进行属性编辑，使模型属性编辑更加真实，同时更有利于不同作业人员对相应的部件组装进行实时学习了解。

根据本发明的一些实施例，所述步骤S500中运用ID3决策树算法构造决策树具体包括如下步骤：

步骤S501：获取电力机车组装相关数据库，并且从中提取样本集Xi和样本集Yi；

步骤S502：创建训练集A，所述训练集A包含样本集Xi和样本集Yi；

步骤S503：创建属性集B，属性集B为所有未完成组装时的部件各种状态集合；

步骤S504：基于函数TG（A,B），对训练集A中数据计算各信息熵及各属性信息增益；选出合适的根节点和中间节点；

步骤S505：根据选定的根节点和中间节点构建决策树；

步骤S506：基于决策树预测出在组装过程中各个状态下部件需要进行的下一步工艺。

具体的，所述步骤S501中样本集Xi为车间内电力机车检修对象的状态；样本集Yi为相关部件是否完成组装。基于决策树预测出在组装过程中各个状态下部件需要进行的下一步工艺；使整个组装过程更加流畅。

根据本发明的一些实施例，所述步骤S500中进行智能分配到终端设备显示还包括如下步骤：

步骤S511：将分配后工艺动画信息分类放入数据库模板中；所述数据库模板对应不同数据接口；

步骤S512：利用visual studio调用数据接口API；通过不同接口的调用，获取到数据信息；

步骤S513：在使用 UGUI 中 text 的tostring接口转化为所需文本格式，最终显示终端设备；

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法的步骤流程图；

图2是根据本发明实施例的一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法的模型创建框架图；

图3是根据本发明实施例步骤S500中ID3决策树算法编程流程图；

图4是根据本发明实施例步骤S500中基于ID3算法构造决策树流程图；

图5是根据本发明实施例步骤S500中由数据到终端显示流程图；

图6是根据本发明实施例接触网检修方案架构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中术语“第一”、“第二”、“第三”等是区别于不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元，或者可选地，还包括没有列出的步骤或单元，或者可选地还包括这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前，应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作（或步骤）描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

在本说明书中使用的术语“部件”、“模块”、“系统”、“单元”等用于表示计算机相关的实体、硬件、固件、硬件和软件的组合、软件或执行中的软件。例如，单元可以是但不限于在处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行文件、执行线程、程序和/或分布在两个或多个计算机之间。此外，这些单元可从在上面存储有各种数据结构的各种计算机可读介质执行。单元可例如根据具有一个或多个数据分组（例如来自与本地系统、分布式系统和/或网络间的另一单元车体组装的第二单元数据。例如，通过信号与其它系统车体组装的互联网）的信号通过本地和/或远程进程来通信。

实施例1

请参阅图1所示，本发明提供了一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法，包括如下步骤：

步骤S100：对电力机车各部件现场数据采集，创建检修工具、检修设备及检修场景虚拟模型，构建电力机车部件的基础模型；

步骤S200：对创建的基础模型进行优化处理，根据电力机车实际组装工艺确定各基础模型的组装关系；

步骤S300：根据电力机车主要系统组成，进行动画库划分，根据各个部件所处的系统，分层设计三维工艺动画库框架；

步骤S400：对所述三维工艺动画库框架中的各个模型进行属性编辑；

步骤S500：通过调用存储在三维工艺动画库中每个组装过程的动画的数据，运用ID3决策树算法构造决策树，预测组装过程中各个状态下部件需要进行的下一步工艺；将不同工艺动画进行智能分配，并最终显示终端设备。

进一步的，所述步骤S200中对模型优化处理包括：对模型删除多余的重叠面、细节处通过贴图来进行替代等多种方式降低模型面数。

进一步的，所述步骤S300进行设计三维工艺动画库的之前，还包括对初始基础模型进行场景渲染。

进一步的，所示步骤S200与所述步骤S300之间还包括：对优化处理后基础模型进行多角度三维展示及放缩设定；所述多角度三维展示通过 unity3d 调用触摸操作 API 实现触摸滑动旋转模型角度，双手扩张滑动缩放模型。

具体的，所述步骤S400中属性编辑根据电力机车各个系统的组装工艺工时及所需作业的人员种类、数量进行参数确定。

实施例2

请参阅图2所示，本实施例在实施例1的基础上对构建目标组装对象的VR初始模型进一步描述其流程，包括如下内容：

首先根据图纸、现场测绘等方式得到现场场景数据，利用三维设计软件Creo5.0创建1：1的三维数据模型，确定其组装关系，导出obj格式并导入3Dmax软件中进行减面处理，然后导入Substance painter软件进行贴图和渲染，这样使得模型的真实度大大提高，更加复原现场设备， 最后导出fbx格式并保存至预设文件夹 。在Unity3D软件中进行场景渲染，根据现场作业环境在3Dmax软件中制作三维工艺动画，特效等多样的效果，直观展示模型组装工作流程及要点。同时进行系统划分包括，在Unity3D软件中根据各个部件所处的系统，分层设计三维动画库架构。

通过Substance painter软件进行纹理和材质的贴图制作；具体实现时，为减少高逼真模型在渲染过程中的开销，采用贴图的方式呈现机车模型的具体细节，本发明采用专用贴图软件Substance painter软件中进行贴图的绘制，利用Substance painter软件制作出来的贴图可使得模型的真实度大大提高，使制作的三维工艺流程动画更加复原实际结构、现场场景、作业流程，将设备模型进行切UV、展UV等基础技术操作后，就会得到一个与虚拟模型相对应的平面，通过一张纹理贴图即可表现出一个三维模型的表面复杂纹理状况；同时，如若采用一张凹凸贴图来表现设备表面的凹凸细节变化，相比于通过添加模型面数来表现细节，这样不但能够达到低模高精的效果，同时还能在一定程度上减少计算机内存的占用，提高系统运行的流畅度。 本发明的模型纹理加工主要是依靠添加材质贴图来完成，根据部件的具体特征可通过3Dmax软件内置的材质球属性来调节模型的反光度、金属性、材料特性等，贴图则是需要附在材质球上，其来源主要为实物照片。贴图前需对模型的UV进行合理拆解，并通过UV快照将其导入Substance painter软件中进行绘制并导出。

具体地，在进行构建三维工艺动画库的步骤之前，还包括通过Unity3D软件创建文件夹，并将所述VR初始模型模型导入Unity3D软件渲染引擎进行场景渲染。

具体地，在Unity3D软件中根据电力机车主要系统组成，进行系统划分包括：在Unity3D软件中根据各个部件所处的系统，分层设计三维动画库架构。

根据相关系统组装的作业工时、作业人员安排等编辑划分单元属性包括：根据电力机车各个系统的组装工艺工时及所需的人员种类、数量对所述三维动画库架构中的各个模型进行属性编辑。

搭建能够发布于移动端的工艺智能分配平台，为作业班组智能分配相关工作，优化作业顺序，提升作业效率，保障作业质量包括：对入库车辆的运行状况评估记录、各班组作业内容的智能分配，以及提供组装过程三维工艺动画。需要说明的是，所述搭建能够发布于移动端的工艺智能分配平台的步骤还包括分析讨论对于平台中资源内容的工艺智能分配方法进行优化。

以上所述的工艺智能分配主要是指将平台中所置入的工艺动画，结合班组的任务安排进行智能分配（即根据不同的检修作业班组，以及不同的作业任务，作业对象，为其提供相对应的工艺动画）通过此类方式，能够有效的提高系统的利用率和辅助作业水平和效率。

实施例3

请参阅图3-图5所示，本实施例在实施例1的基础上对步骤步骤S500中ID3决策树算法编程构造决策树过程进一步描述，具体步骤如下：

步骤S501：获取电力机车组装相关数据库，并且从中提取样本集Xi和样本集Yi；

步骤S502：创建训练集A，所述训练集A包含样本集Xi和样本集Yi；

步骤S503：创建属性集B，属性集B为所有未完成组装时的部件各种状态集合；

步骤S504：基于函数TG（A,B），对训练集A中数据计算各信息熵及各属性信息增益；选出合适的根节点和中间节点；

步骤S505：根据选定的根节点和中间节点构建决策树；

步骤S506：基于决策树预测出在组装过程中各个状态下部件需要进行的下一步工艺。

基于ID3决策树算法的接触网检修方案架构分为三层，第一层是人机交互的表示层，由部件装配状态管理、检修班组管理、检修方案等组成。第二层是业务逻辑层，由表示层中所有相关信息之间的业务逻辑组成，实现逻辑判断和相应处理。第三层是访问层，完成相关功能与部件组装状态的采集（主要通过系统管理员来施加初始状态）。使用系统的用户包括检修作业人员，机车厂的技术总工和系统管理人员。

通过调用存储在三维动画库中每个组装过程的动画的数据，使用C#来编写程序，运用ID3决策树算法来构造决策树，训练集，其中，/>为车间内检修对象的状态，/>,i/>(1，...，m）；/>为该部件是否完成组装，/>；属性集/>，其中bi为对应的未完成组装时的部件各种状态，i/>(1，...，d），B为所有未完成组装时的部件各种状态集合。过程：函数TG（A,B），生成node节点；if：A中检修对象状态样本均属于类型C；将node节点标记为C类节点； endif；利用信息增益，比较属性集B中各属性信息增益值，值最大的属性/>为最优划分属性；for： b的每一个值/>为node节点生成一个分支，令/>表示A在/>上取值为/>的未完成组装时的部件状态样本子集；/>，if：Av为空，将此分支节点标记为叶子结点，类型标记为A中样本最多的类；else；将作为分支节点；endif；end for；输出：生成以node为根节点的一棵决策树。

在电力机车组装过程中各种部件未组装完成的各种状态，是集合A的数据来源。通过ID3算法，可以预测出在组装过程中各个状态下部件需要进行的下一步工艺；在班组进行部件作业时，可以通过此算法获取下一步工艺的具体工艺动画，提升整体作业效率，保障组装质量。

具体地，利用移动端APP开发技术，结合VR、互联网、计算机通信等先进技术将现场作业中的组装工艺放入平台，将平台内容通过移动端进行相关展示，平台通过智能匹配，便于辅助作业人员现场作业，提供相关的三维作业工艺流程，通过制作的三维工艺动画详细展示复杂组装工艺中的作业过程，减少作业失误率，保证现场作业安全，提高效率，实现低成本，高收获。

实施例4

请参阅图6所述，本实施例在实施例1的基础上对从模型数据到终端显示过程进一步描述，具体步骤如下：

步骤S511：将分配后工艺动画信息分类放入数据库模板中；所述数据库模板对应不同数据接口；

步骤S512：利用visual studio调用数据接口API；通过不同接口的调用，获取到数据信息；

步骤S513：在使用 UGUI 中 text 的tostring接口转化为所需文本格式，最终在终端设备上显示。

具体的，所述终端设备包括笔记本电脑和平板。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性可以包含在本实施例申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或是备选的实施例。本领域技术人员可以显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法,其特征在于，包括如下步骤：

步骤S100：对电力机车各部件现场数据采集，创建检修工具、检修设备及检修场景虚拟模型，构建电力机车部件的基础模型；

步骤S200：对创建的基础模型进行优化处理，根据电力机车实际组装工艺确定各基础模型的组装关系；

步骤S300：根据电力机车主要系统组成，进行动画库划分，根据各个部件所处的系统，分层设计三维工艺动画库框架；

步骤S400：对所述三维工艺动画库框架中的各个模型进行属性编辑；

步骤S500：通过调用存储在三维工艺动画库中每个组装过程的动画的数据，运用ID3决策树算法构造决策树，预测组装过程中各个状态下部件需要进行的下一步工艺；将不同工艺动画进行智能分配，并最终显示终端设备；

其中，所述运用ID3决策树算法构造决策树包括：

获取电力机车组装相关数据库，并且从中提取样本集Xi和样本集Yi；

创建训练集A，所述训练集A包括样本集Xi和样本集Yi，其中，所述样本集Xi为车间内电力机车检修对象的状态，所述样本集Yi为相关部件是否完成组装；

创建属性集B，属性集B为所有未完成组装时的部件各种状态集合；

基于函数TG（A,B），对训练集A中数据计算各信息熵及各属性信息增益，且对A中检修对象状态样本属性进行节点标记，以及利用信息增益，比较属性集B中各属性信息增益值，选出根节点和中间节点，根据根节点和中间节点构建决策树；

基于决策树预测出在组装过程中各个状态下部件需要进行的下一步工艺。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法，其特征在于，所述步骤S200中对创建的基础模型进行优化处理包括：对模型删除多余的重叠面、细节处通过贴图进行替代降低模型面数。

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法，其特征在于，所述步骤S300进行分层设计三维工艺动画库框架之前，还包括对初始基础模型进行场景渲染。

4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法，其特征在于，所示步骤S200与所述步骤S300之间还包括：对优化处理后基础模型进行多角度三维展示及放缩设定。

5.根据权利要求4所述的一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法，其特征在于，所述多角度三维展示通过 unity3d 调用触摸操作 API 实现触摸滑动旋转模型角度，双手扩张滑动缩放模型。

6.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法，其特征在于，所述步骤S400中属性编辑根据电力机车各个系统的组装工艺工时及所需作业的人员种类、数量进行参数确定。

7.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法，其特征在于，所述步骤S500中进行智能分配到终端设备显示还包括如下步骤：

步骤S511：将分配后工艺动画信息分类放入数据库模板中；所述数据库模板对应不同数据接口；

步骤S512：利用visual studio调用数据接口API；通过不同接口的调用，获取数据信息；

步骤S513：在使用 UGUI 中 text 的tostring接口转化为所需文本格式，最终在终端设备上显示。

8.根据权利要求7所述的一种基于虚拟现实技术的电力机车车体组装方法，其特征在于，所述终端设备包括笔记本电脑和平板。