利用增强现实技术提高铁路运输装备故障诊断和维修效率_SNaidoo Lingamanaik%0A.pdf

第期 年月 国际视野文章编号：（）利用增强现实技术提高铁路运输装备故障诊断和维修效率 ，（澳）摘要：在重载运输领域，维修的安全性、效率和成本等方面面临诸多挑战。由于现在的机械和电气系统更加复杂，对更长寿命周期的需求增加，维修记录和说明在地理空间上呈分散状态，故上述挑战日趋增加。增强现实技术（）正成为严苛环境下为维修人员提供支持的理想工具。典型的增强现实技术系统通过交互界面将真实和虚拟对象连接在一起。本文介绍了为辅助重载运输装备维修而开发的基于增强现实技术的人机界面（），模型包括三大件式重载货车转向架和矿石试验车状态监测系统的增强现实维护。增强现实技术系统自动识别对象（转向架部件），为维修人员提供了历史运用记录和维修安全工作说明书。为矿石试验车开发的增强现实模型概述了状态监测系统的布置和步进式故障诊断方法。运用实践表明；通过提供按需信息和取消纸质手册，可以提高现场工作效率；系统中显示的信息易于修改；可以推广到其他重载运输设备及其相应的运行需求。关键词：重载运输；增强现实技术；人机界面；故障诊断；维修中图分类号：文献标志码：，（）：，（），（）（）（）：；收稿日期：概述有文献表明，维修费用最高可占铁路装备总生命周期费用的 。过去，在提高各种系统和部件的可靠性、安全性和可用性方面已经做出了很多努力。随着客运和货运需求的增加，铁路系统变得更加复杂，维修规程还没有跟上新技术的步伐。当前的维修流程不顾用户的体验而过分依赖持续更新的参考手册、部件数据和安全信息。这可以用于解释这个流程利用增强现实技术提高铁路运输装备故障诊断和维修效率 ，（澳）成本趋于无效的原因。最近，有人批评铁路行业的财务状况以及不断增加的维修运营成本。使用增强现实（）技术是解决维修过程中面临的一些成本和运营难题的良策。在增强现实技术中，虚拟对象实时叠加在真实世界的物理环境上，借助于头盔（）就可以创建出沉浸式培训和维修环境。增强现实技术已经应用于诸多领域，如医学、教育和娱乐等。目前它在铁路方面的应用还非常有限。维修工作可以从该项技术中获益，即借助于穿戴技术，工人们可以更安全、更有效地完成维修工作。本文介绍了重载铁路装备领域基于增强现实技术所提出的维修方案：包括增强现实技术在三大件式重载货车转向架拆卸作业中的应用，以及将增强现实技术用于澳大利亚西澳铁路矿石试验车（图）的维修情况。本文第二部分介绍了增强现实技术的开发方法。第三部分介绍了增强现实技术在转向架拆卸过程中的应用。第四部分介绍了为矿石试验车的车载硬件控制系统维修而采用的增强现实技术。第五部分讨论了未来使用增强现实技术进行维修的相关工作。结论部分总结了转向架和矿石试验车采用增强现实技术所带来的核心优势。图澳大利亚西澳铁路矿石试验车增强现实技术的开发方法本文所介绍的增强现实技术是使用 和 软件专为手机设备开发的。软件应用程序将最终的增强现实体验交付给最终用户，使用几何图形或预定义的图案来跟踪真实的物体。软件将 插图功能与 几何图形结合起来提供配置特定的图形信息，用这种信息记录操作流程和服务。将增强现实技术有效应用于三大件式货车转向架和矿石试验车主要依赖于以下大模块。（）跟踪模块典型的增强现实维修应用流程如下：当摄像机识别出预定义的图案或几何图形时，增强现实系统会在其存储库中寻找多模式信息和与之相关的标记。多模式信息包含与之相关的任何信息或指令。（）检修模块这种体验创建方式必须符合逻辑，必须清楚地突出指出用户感兴趣的领域，并提示用户按照明确的流程进行维修或培训。（）简单解释指示器及其相关属性（箭头和颜色）的选择是按照没有任何技术背景或经验的人都可以操作的方式来设计的。这是用户体验的关键部分，需要仔细思考。增强现实应用程序利用模式识别算法进行工作。可以使用模型目标或标记来启动体验。当采用模型目标模式时，通过图像相关算法将目标的三维 视图叠加到真实目标上。一旦图像相关算法跟踪到了目标，增强现实体验就启动了，用户可以逐步执行一组动画指令，指导他们完成任何预定义的活动。这些活动可以通过培训、维修、故障诊断和故障修复来帮助使用者。创建增强现实体验的关键是确保用户交互简单，交流信息简洁明了。转向架的拆卸任务分析澳大利亚莫纳什大学铁路技术研究院（）有一个三大件式货车转向架展品，可以帮助学生熟悉相关部件及其功能，见图。该转向架是非常典型的在用三大件式货车转向架。因为难于获得全尺寸的转向架，所以用这个展品转向架来创建转向架拆卸交互式增强现 实 体 验。转 向架大修可能 需 要 部 分 或 全 部拆卸，因此，拆卸顺序的增强现实体验是非常有用的。图莫纳什大学增强现实体验研发中使用的全尺寸三大件式重载货车转向架第 卷第期 年月这个问题的复杂性体现在拆卸转向架时，转向架组装团队可能并不在场。过去借助冗长的手册才能完成转向架的组装过程。现在，借助增强现实技术就可以引导用户完成转向架拆卸步骤和相应流程。增强现实体验建立增强现实拆卸体验的第一步是建立各种转向架部件的 模型。将这些部件组装在一起，就得到一个完整的转向架 模型。很难在文献中查到各种部件的详细几何信息。然而，用于定位和将转向架模型叠加到真正的转向架组成上的技术与匹配复杂几何细节的模型无关。通过对参数进行研究，发现在开发 模型时，长宽比的匹配是更为关键的因素。长宽比是指不同长度相对于绝对尺寸的比率。考虑到这一点，就可以简化 模型，从而便于在增强现实体验中进行建模和处理。将转向架模型导入到 软件的增强现实体验中。采用模型目标方法将增强后的转向架锁定在真实转向架上。初始锁定方向的巧妙选择可以明显降低模型所需的详细几何细节。一旦把增强现实模型锁定到真正的转向架目标上，用户就可以自由地在转向架周围移动，查看转向架的各种部件。用户可以在移动设备上通过触摸的方式进行交互。为了便于突出显示用户要识别的部件，在选择过程中，会突出显示相关部件，其他部件在拆卸过程中则被“遮挡”。根据用户的角色和需求的不同，本文所描述的相关部件还可以增加更多的细节。图是用户在增强现实体验中选择的转向架侧架，用红色来突出侧架并调整其透明度，这样，侧架就不会被摇枕或轮对遮挡住。这种可以识别各种部件的特性将有助于操作者轻松地遵循拆卸顺序，顺利完成拆卸作业。当用户执行拆卸流程时，会突出显示相应的部件。由于用户可以逐步执行拆卸作业，在按照相应步骤进行之前，各个阶段转向架组成外观都可以很容易地想象出来。图给出了拆卸闸瓦销的步骤示例。研发的工具包包括模型的爆炸图，这有助于用户更好地了解和想象拆卸过程。除了拆卸作业，为了适应维修操作，维修历程也可以与增强现实关联起来，其接口可以完全定制，界面的实体模型如图所示。可以实时给出进行过哪些维修、维修时间和维修人员的相关信息，不再需要用书面文件、手册或维修历史记录来承载这些信息。此外，可以根据用户的需要将需要用到的信息添加到工具中。图三大件货车转向架突出侧架的增强现实体验图拆卸三大件货车转向架闸瓦销的增强现实体验图通过增强现实体验存取维修记录利用增强现实技术提高铁路运输装备故障诊断和维修效率 ，（澳）矿石试验车车载硬件控制系统任务分析澳大利亚莫纳什大学铁路技术研究院为世界各地的重载运输和客运运营商订制和管理许多试验车，这些试验车利用一系列的惯性传感器，提供近乎实时的轨道状态、车辆响应和运行状态测试数据。已经有文献报道了利用试验车监测轨道状态的优点，特别是当轨道存在多种缺陷的情况下，利用车辆响应作为一种量化轨道状况的手段，已经显示出独特的优势。试验车上的各种传感器与车载硬件控制系统相连。硬件控制系统连同各种辅助通信和电源管理的部件安装在一块安装板上。由于每次订制都由客户指定，因此对其进行维护是非常多样化的，因为所有试验车的安装板不可能按照相同的方式组装。图为一辆试验车典型的车载硬件控制系统安装板的实物照片。图矿石试验车硬件控制系统实物照片基于增强现实技术的维修和故障诊断模块将大大简化维修人员的工作。此外，由于这些安装板是直接安装在试验车上的，在固定地点，特别是在重载运输环境下，难以直接接触这些安装板。拥有一个基于增强现实技术的维修方案则意味着日常维修和基本故障诊断不再需要非常熟悉设备的人来进行，并易于获得进行了哪些维修、维修的时间以及维修人员等相关信息，根本不需要书面文件、手册或维修记录。当然，根据用户的需要，可以在工具中添加更多的信息。为此，开发了一个增强现实模块来帮助识别矿石试验车安装板的各种组件，用于帮助维修人员完成各种日常维修和故障诊断工作。增强现实体验与转向架拆卸的增强现实体验一样，第一步是建立各种部件的 模型。然后组装部件代表特定的安装板模型。转向架拆卸和安装板之间的一个关键区别是，后者体验是使用“”模式启动和定向，而不是与安装板的 模型匹配。图是用 来启动矿石试验车安装板的增强现实体验。这样做的优点是“”可以单独地链接到安装板的各种构建版本上，这样链接到指定试验车体验就会在扫描“”时启动。因此，维修者不必担心所识别安装板组件的特定构建版本。图用 来启动矿石试验车安装板的 体验一旦识别出模型，就可以通过触摸方式获得各个部件的信息。显示的信息包括指定零件的生产日期、型号、供应商信息和指定零件的名称等。图为增强现实体验界面。用户可以点击各个部件上的信息图标，以确定名称、功能和相关的维修计划。图采用增强现实技术的矿石试验车安装板组装视图第 卷第期 年月为安装板创建的增强现实附加功能包括维修活动。下面以开发增强现实体验技术替换串行调制解调器为例进行讨论。利用串行调制解调器向硬件控制系统发送远程命令来管理电源。调制解调器的更换是从识别调制解调器开始的。通过改变屏幕上虚拟单元的颜色，维修者的注意力可以很容易地指向特定的感兴趣的部件。用户可以通过使用屏幕上的图标轻松地从一个步骤切换到下一个步骤。每一步都突出显示相关的部件，并以动画的形式显示任意要完成的任务。与维修有关的安全说明也可以集成到增强现实体验中。例如，在更换调制解调器时，一条重要提示就是在拆卸之前一定要断电。为了方便用户理解，增强现实不仅包括安全说明也包括视频中的动画。图是更换调制解调器几个步骤的截屏图。通过改变部件、箭头和动画的颜色，可以将用户的注意力吸引到不同的部件上。图增强现实体验显示替换调制解调器的步骤增强现实系统的有效性测试是通过要求不熟悉矿石试验车安装板的人员更换调制解调器来验证的。用户能够在安装板上识别出相应的组件，并以安全和及时的方式更换调制解调器。下一步工作本文介绍的增强现实技术在维修、培训和工作指导场景中的成功体验，通过减少对维修和故障分析专业人员的需求，为提供更好的培训和节约巨大的成本提供了很多思路。此外，维修或组装的可视化演示可以有效降低出错率。在今后开展的研发工作中，维修记录和状态监测仪表盘的数据库将与增强现实体验相关联，这将在组装、维修、故障分析和拆卸过程中提供唯一性的信息源。另一个正在开发的专项是与人员远程交流增强现实体验的能力。这可以带来与远程专家进行远程会诊的机会。专家向维修人员提出建议，或者如果需要进一步支持时，一起进行故障诊断。结论本文讨论了增强现实技术在各种铁路系统培训、维修、故障诊断和拆卸过程中的开发过程和相关展示。本文专门讨论了三件式货车转向架的拆卸和矿石试验车安装板子系统的维修。上述工作只是增强现实技术在铁路培训、维修和故障诊断领域的早期展示。增强现实技术已经在许多其他工程部门的维修中得到应用，但在铁路部门更大规模的应用仍然偏少。三大件式货车转向架的拆卸体验证明使用增强现实技术可以更好地理解铁路子系统，这也表明无论任务多么复杂，都可以通过使用增强现实技术进行更好的沟通和解决。针对安装板开发的增强现实系统，解决了矿石试验车维修过程中的重大难题，显著降低了维修成本和系统停机时间。李立东 苏小珂翻译