基于3D打印的交通工程設(shè)計教學與實驗系統(tǒng)研究

張智勇 劉云霞 劉 婷 王 東

北京工業(yè)大學 北京 100022

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3D打印技術(shù)的應(yīng)用專題

基于3D打印的交通工程設(shè)計教學與實驗系統(tǒng)研究

張智勇 劉云霞 劉 婷 王 東

北京工業(yè)大學 北京 100022

摘 要：交通工程設(shè)計是交通工程專業(yè)的主干課程，就教學而言，目前國內(nèi)缺乏適用于城市道路交通工程設(shè)計的教材與教具，而現(xiàn)有的教學參考書多以公路交通工程設(shè)施設(shè)計為對象。為提高城市道路交通工程設(shè)計課程的教學效果，本研究基于交通工程設(shè)計專業(yè)知識、相關(guān)規(guī)范標準及3D打印和無線通信技術(shù)，構(gòu)建了一套交通工程設(shè)計教學實驗系統(tǒng)，形成了一種具備教學演示和互動實驗功能的新教學方式，促進了學生對教學內(nèi)容的理解與掌握，推進了交通工程設(shè)計及相關(guān)課程的教學。

關(guān)鍵詞：城市交通；教學實驗系統(tǒng)；3D打印；信號交叉口；交通工程設(shè)計

1　背景

1.1交通工程設(shè)計課程教學實踐中面臨的問題

交通工程設(shè)計是交通工程本科專業(yè)的主干專業(yè)課程，是多門專業(yè)課程的成果具現(xiàn)，也是該專業(yè)學生就業(yè)的主要方向之一，是提升學生的工程設(shè)計能力，適應(yīng)用人單位實際需求的主要課程。該課程在交通工程本科專業(yè)教學體系中具有重要地位。目前，全國有130多所高校設(shè)置交通工程專業(yè)，北京工業(yè)大學是國內(nèi)最早設(shè)置該專業(yè)的院校，也是最早開設(shè)交通工程設(shè)計課程的院校，現(xiàn)已發(fā)展為交通工程設(shè)計本科理論教學課程、交通工程綜合課設(shè)計綜合項目設(shè)計本科實踐課程，以及交通工程設(shè)計技術(shù)研究生課程等系列化課程體系［1］。

隨著我國城鎮(zhèn)化水平快速提高，城市道路交通工程設(shè)計越來越受到重視，然而目前國內(nèi)缺乏適用于城市道路交通工程設(shè)計的教材，現(xiàn)有的教學參考書多以公路交通工程設(shè)施設(shè)計為對象，影響了城市道路交通工程設(shè)計的教學效果。同時，教學手段多以圖紙教學和平面多媒體教學為主，缺乏直觀的三維立體教具，使學生對教學內(nèi)容不易理解難以掌握。采用道路現(xiàn)場教學，人員的大量聚集，易導致交通擁堵，可能會引起交通事故，增加學生人身安全的風險，教學也不理想。

總的來說，現(xiàn)階段交通工程設(shè)計課程的教學方式以理論教學為主，學生缺乏感性認識，且實踐操作性低，致使教學效果大打折扣。因此，亟需完善教具，并結(jié)合更為直觀且內(nèi)容更為完整的教學方式，改善交通工程設(shè)計課程實踐教學現(xiàn)狀。

1.2 3D打印技術(shù)用于教學和實驗的優(yōu)勢

3D打印技術(shù)是一種快速成型的技術(shù)，通過電腦建模可將其3D實物打印出來。該技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計、建筑、工程和施工等領(lǐng)域。將3D打印技術(shù)引入交通工程設(shè)計課程教學當中，既能夠完成教具的制作，又可以實現(xiàn)學生設(shè)計的打印制作。

目前，大多數(shù)實驗室的交叉口模型采用的是沙盤技術(shù)，其制作費用一般在每平方米8 000元左右，制作費用較高，需要依靠專業(yè)制作公司完成制作。而3D打印技術(shù)，根據(jù)其不同的耗材，價格在200～500元/千克不等，制作費用較低，并可自行完成制作。制作過程主要分為兩步，第一步是利用3Dmax軟件進行3D建模；第二步是用3D打印機完成3D模型打印。總體來說，3D打印技術(shù)在制作費用上花費較低，制作過程上易操作，將其應(yīng)用于教學實驗可實現(xiàn)交叉口3D模型教具的制作。此外，根據(jù)3D打印技術(shù)的特點，為學生設(shè)計的具現(xiàn)提供了可能，實現(xiàn)學生設(shè)計成果的打印制作，將更大地激發(fā)學生的學習興趣，同時將設(shè)計成果相互分享，使學生們能夠更方便直觀地學習其他優(yōu)秀設(shè)計。

因此，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于交通工程設(shè)計教學實驗當中，可實現(xiàn)直觀而別具趣味性的教學，大大促進課程的教學效果。

2　教學實驗系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1系統(tǒng)設(shè)計對象

教學實驗系統(tǒng)的設(shè)計對象為城市次干路相交的典型信號交叉口。信號交叉口是城市道路系統(tǒng)的重要組成部分，也是城市道路交通規(guī)劃、設(shè)計、運營與管理的關(guān)鍵所在，在城市道路交通中具有重要地位。并且，信號交叉口是交通工程設(shè)計的重點，可充分體現(xiàn)交通工程設(shè)計課程的學習要點及要求。故本教學實驗系統(tǒng)采用信號交叉口作為設(shè)計對象。

平面交叉口根據(jù)相交道路等級可分為主干路-主干路相交交叉口，主干路-次干路相交交叉口，主干路-支路相交交叉口，次干路-次干路相交交叉口，次干路-支路相交交叉口，支路-支路相交交叉口；按形狀可分為十字形、T形、Y形、X形、多叉形、錯位及環(huán)形交叉口。本教學實驗系統(tǒng)現(xiàn)階段首選更具代表性的典型信號交叉口為設(shè)計對象，故將設(shè)計對象設(shè)定為城市次干路相交的十字信號交叉口。

本系統(tǒng)交叉口的設(shè)計內(nèi)容主要包括路基、路面、標志、標線、安全設(shè)施、信號控制、城市地下管線、綠化和照明設(shè)計等，將信號交叉口的各個要素均包含在內(nèi)。

2.2系統(tǒng)構(gòu)成

本教學實驗系統(tǒng)由模型系統(tǒng)、演示系統(tǒng)及通信系統(tǒng)三部分組成。其中，模型系統(tǒng)是指信號交叉口的3D模型，嚴格按照標準和規(guī)范進行設(shè)計的次干路相交典型信號交叉口，使學生對交叉口各要素組成形成直觀的了解。演示系統(tǒng)提供系統(tǒng)的演示功能，一是多媒體演示；二是交互演示，促進學生對交通工程設(shè)計中每一設(shè)計要素及要點的理解和把握。通信系統(tǒng)用于將模型系統(tǒng)與演示系統(tǒng)聯(lián)動起來，從而實現(xiàn)教學實驗系統(tǒng)的交互演示。

2.3系統(tǒng)之間的相互關(guān)系

模型系統(tǒng)是教學實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)，提供系統(tǒng)的實物平臺。演示系統(tǒng)是教學實驗系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)系統(tǒng)的教學演示和互動實驗功能。通信系統(tǒng)是教學實驗系統(tǒng)的保障，保證系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。三者相互關(guān)聯(lián)，模型系統(tǒng)為演示系統(tǒng)提供實物支撐，演示系統(tǒng)使模型系統(tǒng)實現(xiàn)功能演示，通信系統(tǒng)將模型系統(tǒng)與演示系統(tǒng)聯(lián)動起來，共同作用實現(xiàn)教學實驗系統(tǒng)的教學與實驗功能。

3　模型系統(tǒng)的構(gòu)建

模型系統(tǒng)是指信號交叉口的3D模型，是嚴格按照標準和規(guī)范［2-10］設(shè)計的城市次干路相交典型信號交叉口，在整套教學實驗系統(tǒng)中充當教具的功能。

模型的構(gòu)建分為3個步驟：第一步，設(shè)計次干路相交信號交叉口，并利用AutoCAD軟件繪制平面模型；第二步，按照平面模型在3Dmax中構(gòu)建交叉口各組成要素的3D模型，并整合成一套完整的交叉口3D模型；第三步，應(yīng)用3D打印技術(shù)獲得交叉口實物模型。其中，3D模型的組成要素包括道路、標志、標線、安全設(shè)施、無障礙設(shè)施、城市地下管線、綠化、照明系統(tǒng)等。

模型構(gòu)建的主要技術(shù)要點包括以下幾方面。

（1）模型的拆分。由于3D打印機有一定的打印尺寸，需對交叉口模型進行拆分。根據(jù)學院購置的3D打印機型號，其打印規(guī)格為10×8cm，將交叉口按1：40縮放后拆分成600塊。

（2）模型的拼接。模型分塊接口設(shè)計采用榫接原理，即在每個拆分的模型相鄰兩個側(cè)面做榫頭和凹槽。通過接口使分別進行打印的各部分模型拼接起來，并在完整模型的側(cè)面同樣做出接口設(shè)計，以便將來對模型進行拓展。

（3）打印材料的選取。3D打印耗材有ABS材料和光敏樹脂兩種。ABS材料是一種熱塑性工程塑料，為固體材料，正常變形溫度需要超過90℃，制作開始升溫階段耗時較長。光敏樹脂材料一般為液態(tài)，以光為光敏劑引起聚合反應(yīng)完成固化，制作時間相比ABS材料制作時間大大縮短［11］。故而3D打印耗材采用光敏樹脂材料。

（4）無線識別裝置的設(shè)置。無線識別裝置采用RFID技術(shù)，也稱為無線射頻識別技術(shù)，也就是生活中常見的“刷卡”技術(shù)。該裝置由讀寫器和電子標簽兩部分構(gòu)成，將電子標簽布設(shè)在模型系統(tǒng)的各個設(shè)計要素上，并在相應(yīng)的模型表面上放置一個紅色LED燈以作識別標記，通過手持讀寫器接近模型上的LED燈位置，實現(xiàn)系統(tǒng)的“刷卡式”教學功能。

圖1　3D模型效果圖

圖2　無線識別裝置設(shè)置效果圖

4　演示系統(tǒng)的構(gòu)建

演示系統(tǒng)的主要構(gòu)件：數(shù)據(jù)庫及顯示器。數(shù)據(jù)庫存儲交通工程設(shè)計中設(shè)計流程、設(shè)計步驟、設(shè)計要點以及相關(guān)標準和規(guī)范等信息，是演示系統(tǒng)的核心部分，為演示系統(tǒng)提供所要展示的信息。顯示器是演示系統(tǒng)的展示平臺，調(diào)用數(shù)據(jù)庫的相關(guān)信息在顯示屏上展示出來。

演示系統(tǒng)的作用是提供演示功能，演示分為兩種：一是多媒體演示，二是交互演示。

（1）多媒體演示是一個獨立的演示功能。它以動畫的方式呈現(xiàn)，應(yīng)用于交通工程設(shè)計課堂教學中。其展示內(nèi)容為交叉口交通工程設(shè)計的設(shè)計流程及設(shè)計的詳細步驟。

由于在交通工程設(shè)計課程教學中，涉及的內(nèi)容繁多而雜亂，僅通過書本上的講解，不利于學生對知識的理解與吸收。故在教師詳細教授的基礎(chǔ)上，結(jié)合動態(tài)的設(shè)計流程展示，以促進學生對交叉口設(shè)計形成一個總體的認知和設(shè)計思路，并通過對詳細步驟的學習明確每一設(shè)計要素的設(shè)計要點和方法。從而使教學更加直觀，有助于學生對教學內(nèi)容的理解與掌握。

圖3　演示功能效果圖

（2）交互演示是一個與模型系統(tǒng)聯(lián)動的演示功能。展示內(nèi)容為交叉口設(shè)計要素的詳細設(shè)計，利用系統(tǒng)的無線識別設(shè)計，將手持設(shè)備接近某要素，即可在顯示器上展示出該要素的設(shè)計要點，主要應(yīng)用于課程實踐上。

教學實驗系統(tǒng)的交互演示功能為學生提供了一個自主學習的平臺。如果在交通工程課程設(shè)計中遇到問題，不僅可以詢問教師，同時也可利用教學實驗系統(tǒng)進行自主學習，在哪個設(shè)計要素上出現(xiàn)問題，即可利用手持設(shè)備接近該要素，通過顯示屏上顯示的信息進行學習，實現(xiàn)自主性學習，使得教學更具個性化。同時，通過交互演示，實現(xiàn)了“出現(xiàn)問題，當下解決”，有利于對知識的實踐應(yīng)用，也可更好地促進學生的學習熱情。

5　通信系統(tǒng)的構(gòu)建

通信系統(tǒng)是教學實驗系統(tǒng)功能實現(xiàn)的保障體系，用于將模型系統(tǒng)與演示系統(tǒng)聯(lián)動起來，實現(xiàn)其交互演示功能。

通信系統(tǒng)由無線識別裝置和計算機兩部分組成。其中，無線識別裝置采用RFID技術(shù)，其基本器件為手持讀寫器和電子標簽。每個電子標簽具有唯一電子編碼，附著于物體上以區(qū)分目標對象。手持讀寫器一般同遙控器大小，可以識別電子標簽的信息。

通信系統(tǒng)的工作原理：電子標簽放置于模型各設(shè)計要素底部位置，當手持讀寫器靠近標簽時，可識別該標簽產(chǎn)生的電磁波信號，讀取標簽存儲的地址信息并將該地址以電磁波形式發(fā)給計算機；計算機通過特定程序讀取無線識別裝置傳輸?shù)哪M數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，從而調(diào)用計算機中存儲的各要素設(shè)計信息的數(shù)據(jù)庫，并在顯示器上顯示出來。

圖4　信號傳輸流程圖

6　教學與實驗應(yīng)用效果

目前，該教學實驗系統(tǒng)已在新學期教學中投入使用，教學效果顯著提升，主要應(yīng)用于本科生交通工程設(shè)計的理論教學工作，交通工程專業(yè)課程設(shè)計和交通工程綜合課程設(shè)計的實踐教學工作。2014-2015學年度第一學期交通工程設(shè)計課程理論考試上，學生的平均成績由去年的82分提升至88分。在課程實踐上，平均成績也從良減提高到良加。教學實驗系統(tǒng)的應(yīng)用使得教學效果上有了很大提高。學生網(wǎng)上評教的結(jié)果也說明了學生對這種新的教學方式具有更高的滿意度。

教學實驗系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了教學的可視化，加強了學生對設(shè)計對象的實物感知，促進了學生對教學內(nèi)容的理解，提升了學生的實踐設(shè)計能力，并推進了學生的自主學習，使得無論從學習成績上還是學習能力上都有了顯著提高。

7　不足與展望

目前3D打印在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，但就現(xiàn)實問題而言其技術(shù)并不能普遍進行大規(guī)模打印。首先，市場上常見的3D打印機的打印規(guī)格普遍為10×10 cm或以下，只能小規(guī)模打印，完成大規(guī)模打印的工作量較大。此外，根據(jù)打印模型的復(fù)雜程度及長寬高尺寸，采用樹脂材料打印一個模型的一般耗時在2小時左右，采用ABS塑料材料的耗時更大大加長，一般為5小時左右。在打印量較大的情況下，打印所需時間劇增，導致大規(guī)模打印更加不易實現(xiàn)。所以說，就目前情況3D打印在大規(guī)模打印問題上存在不足。

截止目前，完成了城市次干路相交信號交叉口教學實驗系統(tǒng)的構(gòu)建并已投入使用。在今后的工作中，將進一步完成其他相交類型交叉口模型系統(tǒng)的搭建及打印，并在道路系統(tǒng)、交通設(shè)施、市政設(shè)施、地鐵橋梁等交通工具上不斷完善，最終形成一套完整的道路交通體系模型系統(tǒng)，建成完善的教學實驗系統(tǒng)。針對教學實驗系統(tǒng)投入使用后的效果而言，該系統(tǒng)應(yīng)得到推廣應(yīng)用，并拓展其規(guī)模，建成交通工程設(shè)計實驗室，推進交通工程設(shè)計及相關(guān)課程的教學。

參考文獻

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［11］ 杜宇雷.3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.徐州工程學院學報，2014（3）：20-24.

收稿日期：2015-11-20

作者簡介：張智勇，博士，副教授。劉云霞，在讀碩士研究生。劉婷，在讀碩士研究生。王東，在讀碩士研究生。

Study on Teaching Experimental System for Traffc Engineering Design Base on 3D Printing

Zhang Zhiyong， Liu Yunxia， Liu Ting， Wang Dong
Beijing University of Technology， Beijing， 100022， China

Abstract：Traffc Engineering Design is the main course for undergraduate traffc engineering. But the traffc design of urban road is lack for suitable textbooks and teaching aids in domestic system now. Most of the existing teaching aids are using for highway traffc engineering design. To improve the teaching effect "Traffc Engineering Design" for urban road， this study constructed traffc engineering design teaching experimental system， which based on professional knowledge， standards and norms of traffc engineering design， using 3D printing and wireless communication technology， fnally built the teaching experimental system with function of teaching presentations and interactive experiments， formed a new teaching method. It also promotes better understanding and master to education content for students， and advances the teaching of traffc engineering design or related courses.

Key words：urban transit； teaching experimental system； 3D printing； signal-controlled intersection； traffc engineering design