本發(fā)明涉及數字孿生技術中的沉浸可視化與人機交互領域，具體涉及高速列車轉向架機械結構的沉浸式可視化導覽方法與系統(tǒng)。

背景技術：

1、隨著中國鐵路的發(fā)展，鐵路里程的不斷延長且范圍逐漸擴大，鐵路運維迎來了更為嚴峻的挑戰(zhàn)。在這一背景下，遠程運維技術和數字孿生技術的引入正在深刻地改變著鐵路系統(tǒng)的運維方式。傳統(tǒng)的現場運維在面對鐵路系統(tǒng)的規(guī)模和多樣性時顯得力不從心。遠程運維技術通過構建高效的網絡通信系統(tǒng)，將中國鐵路各個節(jié)點密切相連，實現了對龐大鐵路網絡的實時監(jiān)測和數據匯聚。數字孿生技術以虛擬模型為支撐，可為中國鐵路系統(tǒng)提供精確的仿真和實時建模，適應不斷增長的鐵路規(guī)模。數據的采集與分析為規(guī)模不斷擴大的鐵路系統(tǒng)帶來了更為高效的預防性維護支持，有力地削減了維護成本，提升了設備的可用性。智能化的故障診斷系統(tǒng)結合數字孿生技術，為中國鐵路系統(tǒng)提供了即時故障定位和修復的能力。

2、高速列車轉向架是高速動車上的一個關鍵組件，它位于動車車輛的底部，負責支撐和連接動車的車體和車輪。其主要功能是使動車能夠在鐵路軌道上平穩(wěn)運行并在需要時完成轉向。轉向架通常由一系列機械零部件組成，包括懸掛系統(tǒng)、轉向裝置、輪軸等。懸掛系統(tǒng)用于減緩動車通過不平整軌道時的震動，而轉向裝置則允許動車在鐵路交叉口、道岔等地方進行轉向操作。

3、保證轉向架的正常工作對高速動車的安全和穩(wěn)定運行至關重要。首先，轉向架直接影響動車的操控性能，確保動車能夠按照預定的路徑行駛，避免脫軌等意外事件的發(fā)生。其次，通過有效的懸掛系統(tǒng)和轉向裝置，轉向架能夠減輕動車行駛中的顛簸和震動，提高乘客的乘坐舒適度。此外，正常工作的轉向架還有助于減少動車在彎道行駛時的側向力，提高動車的穩(wěn)定性，從而降低了車輛的磨損和能耗。

4、隨著鐵路系統(tǒng)的遠程運維技術的發(fā)展，如何使技術人員更有效地參與轉向架的運維成為一個重要的問題。首先，遠程運維系統(tǒng)需要提供高度靈活的可視化界面，支持技術人員實時轉向架運行狀態(tài)的監(jiān)控。通過數字孿生技術，系統(tǒng)可以生成精確的虛擬模型，展示轉向架內部結構和各個零部件的運行情況。此外，遠程運維系統(tǒng)應該整合傳感器數據和實時監(jiān)測信息，提供綜合的健康狀況評估，使技術人員能夠全面了解轉向架的性能和運行情況。

5、此外，解決遠程運維中技術人員參與轉向架運維工作需綜合考慮遠程運維的實現環(huán)境。目前挑戰(zhàn)在于技術人員難以直觀感知轉向架的結構和運行狀態(tài)，缺乏實地操作的便利性。因此，迫切需要一種創(chuàng)新性的解決方案，以提高技術人員的操作效率和運維質量。通過引入沉浸式虛擬現實技術，技術人員可以遠程進入轉向架的虛擬環(huán)境，深度體驗其中的運行情況，從而更直觀地感知結構和狀態(tài)的細節(jié)。這種身臨其境的沉浸式體驗將為技術人員提供更豐富的感知信息，為他們在遠程環(huán)境中進行轉向架運維工作創(chuàng)造更加實用和高效的操作方式。通過交互性的設計，可以使技術人員以更自然、直觀的方式與虛擬環(huán)境中的轉向架進行互動，包括手勢、觸控等方式。這樣的沉浸式交互方式將為技術人員提供新的運維體驗，使其能夠更好地參與到轉向架的遠程運維中，解決當前的運維挑戰(zhàn)。

技術實現思路

1、為了實現本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種針對高速列車轉向架機械結構的沉浸式可視化系統(tǒng)的實現方法。

2、所述沉浸式可視化系統(tǒng)的實現方法，包括以下步驟：

3、步驟1、動車轉向架機械結構模型預處理；

4、步驟2、面向復雜機械結構的連接矩陣構建與機械連接檢測；

5、步驟3、基于復雜拓撲圖分割的機械零件集合生成；

6、步驟4、基于幾何特征的模型拆分方向矯正；

7、步驟5、基于機械結構拓撲圖的層次結構生成；

8、步驟6、沉浸式遠程運維環(huán)境構建。

9、進一步地，步驟1中，動車轉向架機械結構模型預處理，包括：

10、步驟1.1動車轉向架模型由3dface組成，這些數據結構在幾何上表示三維平面，三維平面為三角形或四邊形，在cad中，定義一個3dface需要順序指定3dface的四個頂點，四個頂點通常按順時針或逆時針的順序排列，在讀取cad文件后，將3dface結構解析為一組點和邊，一個3dface對應一組點和一組邊，分別對應3dface的相應頂點之間的連接關系；

11、步驟1.2考慮到cad文件記錄了三維機械模型的詳細結構，并應真實且準確地反映機械的所有零件之間以及零件內部的關系，構成機械的各個零件之間不存在共同的頂點，也就是在cad文件中呈現的整體機械結構和構成cad文件的3dface結構之間存在一個新的零件層次，這個層次的元素對應于獨立的零件結構，引導將零件組裝成整個車身的過程，為了生成零件層次，需要獲取每個零件對應的3dface，由于構成機械的各個零件之間不存在共同的頂點，對于任何機械零件，頂點和邊應形成一個強連通圖：構成機械零件的任何頂點都能夠通過邊達到另一個頂點；并且不同機械零件的相應繪圖之間沒有連接；

12、步驟1.3在整個系統(tǒng)讀取3d?cad圖紙后，獲得了整個圖紙上的點集p和邊集l，對于每條邊li，能夠在點集中找到相應的點pi1和pi2，基于此，確定這兩個點屬于同一獨立集，即這兩個點屬于同一零件，得到一個新的集合q，其中的每個元素都是一個點集，且有一條邊連接屬于該集合的點，以確定q中的每個元素是獨立零件頂點集的子集，在系統(tǒng)中，基于邊集e建立了一個集合p，并不斷檢查集合p中不同集合之間是否有共享點，如果有共同的頂點，則將這兩個集合合并，重復以上過程，直到集合p中不同集合之間沒有共同頂點為止，此時，p中的每個元素都是每個獨立零件的點集，對于p中的每個元素p，找到其所有頂點都在p中的邊e，然后，將邊和頂點組合在一起以生成每個零件的cad數據partcad，再生成partcad。

13、進一步地，步驟2中，面向復雜機械結構的連接矩陣構建與機械連接檢測：

14、步驟2.1在動車轉向架機械系統(tǒng)中，使用連接矩陣來記錄動車轉向架機械結構的連接信息，連接矩陣用于描述動車轉向架機械系統(tǒng)中不同部件之間的干涉或碰撞關系，矩陣中的行和列代表動車轉向架機械系統(tǒng)中的不同部件，而每個元素表示相應部件之間是否存在干涉或碰撞，通常以二進制值表示，創(chuàng)建連接矩陣涉及對動車轉向架機械系統(tǒng)的幾何形狀、運動路徑和工作空間進行詳細分析，將面臨3d圖紙與實際動車轉向架機械結構的不一致，3d模型的不準確性源自動車轉向架機械工程圖紙中連接表示的不確定性以及三維圖紙上的視覺表示與實際結構不匹配；

15、步驟2.2考慮到創(chuàng)建連接矩陣的難度，采用一種特定方法來識別和提取動車轉向架機械系統(tǒng)中部件之間的連接，通過分析兩個動車轉向架機械部件的3d模型，當它們存在重疊體積時，表明存在干涉配合或過渡配合，這種方法通過識別體積重疊的區(qū)域來確定部件之間的連接關系，為了應對間隙配合，將對動車轉向架機械部件的3d模型進行輕微擴展，將間隙配合轉換為其他配合方法，基于標準的物理引擎，使用生成的網格碰撞器來擴展和檢測重疊體積，從而提取連接信息，整體上，通過連接檢測算法實現了對動車轉向架機械結構的可視化呈現，將連接信息更新到連接矩陣中；

16、步驟2.3為了更全面地表示動車轉向架機械結構，生成動車轉向架機械結構拓撲圖，動車轉向架機械結構拓撲圖通過將連接矩陣轉化為圖形表示，其中節(jié)點代表動車轉向架機械部件，邊表示這些部件之間的連接，邊上的權重表示動車轉向架機械部件之間的距離，這個過程為用戶提供了直觀的動車轉向架機械結構全貌，方便了對動車轉向架結構的理解和分析。

17、進一步地，步驟3中，基于復雜拓撲圖分割的機械零件集合生成：

18、步驟3.1以機械結構拓撲圖為基礎，利用圖分割來將機械結構劃分并生成機械集合，圖分割的過程過程中，通過中心擴展創(chuàng)建圖分割的初始解決方案，基于k-algorithm對初始解決方案進行優(yōu)化；

19、步驟3.2為生成更符合機械結構理解的機械集合，指定中心節(jié)點以生成初始解決方案，基于中心節(jié)點，通過中心擴展生成初始聚類集合，初始聚類集合通過迭代過程進行更新，在每次迭代中，對于圖中不屬于任何初始聚類的每個節(jié)點，將該節(jié)點添加到與其相鄰且具有最短距離的初始聚類中，距離的定義是連接該節(jié)點到初始聚類的邊的最小權重，處理完所有節(jié)點后，生成動車轉向架機械結構拓撲圖的初始解決方案的分割；

20、步驟3.3基于初始解決方案，應用k-algorithm來優(yōu)化分割結果，k-algorithm源自傳統(tǒng)的k均值算法，但采用增量方法將節(jié)點分配給最近的聚類，而不是計算到聚類平均值的距離，為了優(yōu)化分割結果，k-algorithm計算將指定節(jié)點j從舊聚類x移動到新聚類y的增量值，增量值通過計算x和y中成本函數的變化得到，成本函數定義為：

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

22、......(1)，

23、通過選擇逆內部權重iiw作為損失函數，則：

24、

25、其中：m是帶權圖結構中邊權的的總和，wi是聚類i中內部權重的總和，k的值代表了聚類的數量，在這個成本函數中，較小的結果表示更好的分割，基于這個成本函數，逆加權在成本函數的導數中提供了負值，能夠平衡不同聚類中節(jié)點的數量，此外，由于空聚類具有無窮大的iiw值，iiw成本函數能夠有效減少空聚類的存在，通過將iiw應用到增量值，得到k-algorithm的增量函數，如下式(2)所示：

26、

27、基于中心擴展和k-algorithm，能夠在動車轉向架機械結構拓撲圖中獲得一個優(yōu)化的圖分割結果，這一結果對應于機械結構中的不同機械集合，構成了機械系統(tǒng)層次結構中機械集合層次的基礎，綜合中心擴展和k-algorithm，獲得了優(yōu)化的圖分割結果，這一結果對應于機械結構中的不同機械集合，構成了機械系統(tǒng)層次結構中機械集合層次的基礎。

28、進一步地，步驟4中，基于機械結構拓撲圖的層次結構生成，基于機械零件拓撲序的分類和管理方法，旨在解決機械零件聚類中存在大量機械部件以及它們內部結構缺乏清晰性：

29、在機械零件集合生成的基礎上，對機械部件進行了全面的分類，基于機械零件集合，通過將這一點與基于機械結構生成的整體連接矩陣相結合，提取與每個機械零件集合對應的單獨的連接矩陣和動車轉向架機械結構拓撲圖，生成的結構圖是整體機械結構結構圖的子圖代表了機械集內部的連接關系；

30、在機械零件集合生成部分，每個機械零件集合都有一個中央機械部件，對應于拓撲圖上的中央節(jié)點，這允許計算從拓撲上的每個節(jié)點到中央節(jié)點的拓撲距離，將節(jié)點及其拓撲距離映射到相應的機械集，基于其拓撲距離為機械集內的每個機械部件進行標記，以允許對機械集內的機械部件進行分類；

31、基于拓撲距離的機械分類反映了機械結構內部機械部件之間的層次關系，拓撲距離較小的類別中的機械部件與中央機械部件關系更密切，表明它們形成了圍繞中央部件聚集的機械部件核心結構，反之，拓撲距離較大的機械部件與中央機械部件的關系較遠，表明它們分散在機械集的外圍，起到支持和輔助連接的作用；

32、基于機械結構拓撲圖的層次結構生成策略，在展示復雜機械結構時單獨呈現機械集內部部件的拓撲結構，以能夠分析機械聚類內部結構，在拓撲層的基礎上，在機械集合層次上重新管理了機械部件，每個機械集匹配相應的機械部件拓撲結構，避免在整體連接圖上進行機械連接分析和機械結構可視化的復雜性，對聚類內機械部件的分類操作實現了機械聚類內部部件的層次組織也增強了機械聚類與單個機械部件之間的層次關系，以為后續(xù)對機械結構的可視化和解剖操作提供了指導。

33、進一步地，步驟5中，基于幾何特征的模型拆分方向矯正：

34、為實現機械設備內部結構的可視化，需要設計一組可視化方法，基于機械部件的聚類，選擇拆卸動畫作為最直觀的可視化方法，具體為：

35、為創(chuàng)建拆卸動畫，需要解決拆卸動畫中機械部件的運動順序和每個機械部件的拆卸方向，設計一種從最高拓撲層到最低拓撲層執(zhí)行的拆卸策略，同時對同一拓撲層的機械部件進行拆卸，解決了機械部件運動順序的問題，較高拓撲層的機械部件通常是最外層的機械結構的部分，從這些部分開始拆卸有助于觀察者逐漸深入了解機器的內部結構，能夠感知機器不同層之間的組裝關系，在由大量部件組成的區(qū)域，同時拆卸同一拓撲層的部件不僅縮短了動畫的持續(xù)時間，還使觀察者能夠集中注意力于一組機械部件的相互連接，有助于更好地理解特定的機械區(qū)域；

36、為確定機械部件的拆卸方向，提出了一種基于部件中心和軸向定向的策略，對于指定的機械部件，利用在拓撲層生成部分生成的層次結構，獲取與指定機械部件相關聯(lián)的所有相互連接的機械部件，在考慮機械部件的拆卸動畫時，通過移動最外層的機械部件來顯示內部部件，以定義指示方向，對于每個機械連接的部件，指示方向表示指定機械部件應拆卸的最佳方向，由于機械部件之間的互連和基于拓撲層的層次結構，首先移除最外層的機械部件，對于位于下一層的任何機械部件，構造一個干擾矢量，記為i，基于其幾何中心與指定機械部件的幾何中心的矢量差異，干擾矢量表示機械部件對指定機械部件的拆卸的影響；

37、為確保平滑的拆卸過程并消除已拆卸部件的影響，堆疊和標準化與指定部件一層下的所有機械部件相對應的所有干擾矢量i，這個過程得到了一個優(yōu)化的指導方向d，表示移動機械部件以展示機械結構的最佳方向；

38、通過提出一個校正軸，記為a，來調整最佳指導方向d，這種校正旨在通過解決最佳指導方向d與機械部件實際形狀之間的不匹配，優(yōu)化拆卸動畫，鑒于部件通常具有復雜的形狀，沒有可供使用的通用模板，為了為機械部件統(tǒng)一定義校正軸a，首先對機械部件進行廣泛的分類，對于那些具有明顯軸向特征的部件(例如軸和車輪)，將其分類為具有軸向特征，另一方面，對于缺乏明顯軸向特征的機械部件(例如齒輪箱和剎車卡鉗)分類為非軸向部件，基于機械部件的定向邊界框的分類，為復雜機械部件的3d模型獲取最小邊界框，然后根據生成的立方體進行分類，便于對復雜機械模型進行軸向分類；

39、基于軸向分類，對于具有軸向特征的機械部件，提取與定向邊界框相對應的軸向方向，這個提取的軸向方向充當校正軸a，允許機械部件沿其軸向方向移動，這種校正使部件的運動與機械結構的實際組裝和拆卸方向對齊；另一方面，對于非軸向部件，定義校正軸a為最大模塊的矢量dg，矢量dg是最佳指導方向d在相對空間坐標軸上的投影之間的投影，這確保了在最佳運動方向不確定時，非軸向部件被引導沿著空間軸擴展，使動畫與觀察者的視角對齊；

40、基于校正軸a，構造最佳指導方向dg在a上的投影矢量dp，表示機械部件的校正運動方向，以提高拆卸動畫的準確性和連貫性，確保機械部件的運動與其實際組裝和拆卸方向或觀察者的視角相一致，生成后，將拆卸方向附加到機械部件層的相應機械部件上，以增強交互導航中的拆卸動畫。

41、進一步地，步驟6中，構建沉浸式遠程運維環(huán)境：

42、用戶通過ui交互界面創(chuàng)建層次導覽，并配置相關參數，用戶通過拖拽擬展示的機械模型文件到界面中，然后在相應的腳本中附著模型對象，實現對3d模型的替換，設計的本步驟簡化了用戶對展示模型的操作，使其更加直觀；

43、在控制拆分動畫生成模塊創(chuàng)建的ui界面中，用戶通過控制機械零件集合生成腳本中的參數，改變中心機械零件的數量，并通過拖拽中心機械零件的3d模型到指定位置，實現對中心機械零件的自定義，這樣的設計使得用戶能夠靈活地設置用于指導機械零件集合生成的中心機械零件，所述沉浸式可視化系統(tǒng)的實現方法允許用戶根據模型的體積和面數進行排序，并刪除體積較小的零件，以提高可視化效果，用戶通過調整閾值和面數過濾器來定制模型簡化的過程，使其更符合用戶的習慣和需求；

44、在完成沉浸式環(huán)境的配置與構建后，用戶以不同的層次與模型發(fā)生交互，以更好地查看復雜機械結構的細節(jié)，展示可視化配置與用戶交互模塊的呈現效果，用戶在所述沉浸式可視化系統(tǒng)的實現方法中選擇不同的交互模式，以適應不同層次的機械結構，具體的交互模式包括整體模式、集合模式和零件模式，整體模式允許用戶與整個機械模型進行交互，獲取全局視圖；集合模式支持用戶對由所述沉浸式可視化系統(tǒng)的方法生成的機械零件集合進行探索和操作；零件模式提供對單個機械零件進行交互的操作，基于不同的層次與交互模式，用戶使用抓握操作與不同層次的機械結構進行交互，這種自然的交互方式使用戶能夠直觀地體驗機械結構，增強了用戶的沉浸感，通過抓握交互操作，用戶模擬與實際機械的物理交互，包括拼裝和檢視操作，從而更全面地理解機械結構；

45、以拓撲層次為基礎，用戶能夠在不同交互模式查看機械結構的基礎上，通過額外的染色與拆分動畫增加對于機械功能區(qū)域與機械組裝與拆分順序的理解；

46、在所述沉浸式可視化系統(tǒng)的實現方法中，根據機械結構的層次信息，在沉浸式環(huán)境中對機械零件進行染色，這樣的設計有助于用戶更清晰地識別不同層次的結構，用戶還能夠通過調整透明度，在需要時減少不同層次之間的遮擋，使得特定層次的結構更為突出；

47、基于生成的拆卸方向，所述沉浸式可視化系統(tǒng)的實現方法提供了拆卸動畫的功能，用戶選擇對整個機械結構或特定的機械零件集合進行拆卸動畫，通過滑塊控制拆卸的程度，用戶能夠動態(tài)地展示機械結構的拆卸過程，幫助用戶理解機械零件之間的連接關系，不僅提供了視覺上的效果，還強化了用戶對機械結構的操作感知。

48、本發(fā)明所述沉浸式可視化系統(tǒng)的實現方法的優(yōu)越技術效果如下：

49、1.本發(fā)明所述沉浸式可視化系統(tǒng)的實現方法通過多尺度、多實例場景下的高效可視化輔助技術，能夠準確建立鐵路系統(tǒng)內各個機械部件之間的關聯(lián)，形成清晰的連接網絡，使得復雜的機械結構得以全面而深入的呈現。

50、2.本發(fā)明所述沉浸式可視化系統(tǒng)的實現方法在用戶交互方面，創(chuàng)造性地提供了整體模式、集合模式和零件模式等多種交互模式，使用戶能夠靈活地查看機械結構的不同層次，通過自然的抓握操作實現了與不同層次機械結構的直觀交互，為用戶提供了更全面、更深入地了解機械結構的機會，增強了用戶在沉浸式環(huán)境中的感知和操作體驗。

51、3.本發(fā)明所述沉浸式可視化系統(tǒng)的實現方法通過結構層次染色和拆卸動畫等創(chuàng)新功能，進一步提升了機械結構的可視化效果。

52、4.本發(fā)明所述沉浸式可視化系統(tǒng)的實現方法通過結構層次染色，有助于用戶清晰地識別不同層次的結構，而拆卸動畫則通過動態(tài)展示機械結構的拆卸過程，幫助用戶更深入理解機械零件之間的連接關系，強化了用戶對機械結構操作的感知。