城市軌道交通車輛結構裝配虛擬仿真實驗教學

陳兆瑋 鄧濤 梁棟

摘 要：近年來，我國城市軌道交通得到了飛速的發展，為了更好適應各大中型城市對相關專業人才的需求，重慶交通大學機電與車輛工程學院設計了一套城市軌道交通車輛結構裝配虛擬仿真實驗教學系統，該虛擬實驗教學方式已經取得了一定的成果，培養出了一批全面的軌道交通車輛設計、制造、裝配、維修、開發等全方面復合型人才。

關鍵詞：城市軌道交通車輛 虛擬現實 實驗教學 人機交互

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（b）-0173-02

Abstract： In recent years， urban rail transit system has a fast development in China. To better satisfy the need of talents in railway vehicle engineering， a perfect virtual simulation experiment teaching system in the assembly of railway vehicle is established in Chongqing Jiaotong University， adopting which hundreds of students have been trained. The results show that the experiment teaching system is effective in train the students skills in railway vehicle design， manufacture， maintain and operation.

Key Words： Railway vehicle； Virtual reality； Experiment teaching；Human-computer interaction

當今世界，地下鐵道發展迅速，各發達國家擁有百萬以上人口的大都市。大都修建地鐵來緩解和改善交通緊張狀況。就我國人口眾多而言，更應該發展地鐵工程，我國的地鐵也有著良好的前景。與此同時，在城市軌道車輛專業學生的培養上，也要予以更多的關注，引入新型科技手段，力求將其培養成適用于我國城市軌道交通行業設計、制造、維修、運營等綜合類人才。

1 目前城市軌道交通車輛專業教學中存在的問題

目前的城市軌道交通車輛專業最大的特點是設備先進，自動化技術程度高，高昂的價格不適合學校和科研機構的教學應用，且對實驗實訓教學的要求更高。由于受諸多因素限制，傳統的專業實驗設備和技術條件有限，集成度低，完成的實驗功能單一。同時，因為設備昂貴、臺套數少，無法進行多人多任務實驗和實訓，不能滿足教學需要。同時，由于傳統實驗實訓裝備數量不足，設備功能有限，無法有效考核教學質量。

2 城市軌道交通車輛結構裝配虛擬仿真實驗教學

虛擬仿真實驗教學資源，能滿足交通裝備類專業的虛擬仿真實驗教學需求，是解決上述難題的有效手段。同時，還可以通過情景再現、模擬駕駛、事故預警技術，解決特殊工況難以展現，不可及、不可逆的操作難以實現的局限，為科學研究提供試驗支撐和數據支持。此外，虛擬仿真實驗教學平臺可以實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。因此，重慶交通大學機電與車輛工程學院建立了一套虛擬實驗系統以培養軌道交通車輛相關的人才。

本虛擬實驗平臺提供了大量的接口程序，具備強大的二次開發功能，可用于提高指導教師及學生的編程、系統自主開發、自行設計能力。借助相關軟件二次開發的技術手段，學生可以在熟知城市軌道交通車輛結構的基礎上，培養相關結構的開發設計能力。學生通過人機交互界面，可自行設計開發新型的輪對、構架、牽引傳動系統、車體等車輛重要零部件，并對自主開發設計的結構進行裝配形成新型城市軌道交通車輛。然后，學生可對自主開發的車輛進行啟動、制動等運行測試，并根據測試結果對結構設計進行優化。此外，學生還可以通過編程及二次開發的方式，對人機交互界面進行修改和優化設計，實現列車運行控制、信號通訊等系統操作方式和交互界面的創新設計與自主開發。實驗教學原理見圖1。

借助本虛擬教學項目，針對城市軌道車輛構造課程，結合實體實驗室中的轉向架現場教學，使學生對城市軌道交通車輛的結構更為熟悉、對運行控制系統更為了解，并通過相關軟件的二次開發技術，加強學生對軌道交通車輛結構的自主開發能力以及人機交互界面的自主設計能力。

本虛擬實驗教學包括如下內容。

（1）基于labview開發軟件，開發虛擬現實軟件平臺，搭建虛擬軌道等虛擬環境，結合實體實驗室現場教學與課堂講授，學生通過聽覺、觸覺、視覺等感官及人機交互操作，對城市軌道交通車輛關鍵零部件結構更為熟悉，培養學生對車輛各結構部件的設計能力。

（2）通過數據手套等人機交互和傳感器技術，培養學生城市軌道交通車輛的裝配能力。

（3）加強學生對城市軌道交通車輛信號控制過程的了解，掌握城市軌道交通車輛在牽引、制動、正常行駛等情況下的運動狀態。

（4）基于二次開發技術，使學生可以自主開發新型轉向架、車體等城市軌道交通車輛等關鍵零部件，通過對其進行裝配并最終形成學生自行設計開發的新型城市軌道交通車輛，可培養學生的編程及二次開發等技能，增強學生對城市軌道交通車輛自主開發設計的能力。

（5）學生可對列車運行控制、信號傳輸系統等控制系統進行自主開發，設計新型的人機交互界面及操作方式，更進一步加強學生在城市軌道交通車輛設計、制造、裝配、開發等方面的綜合能力。

3 結語

本虛擬教學項目采用了多種先進的實驗教學方法，主要包括有講授法、參觀教學法、直接演示法、自主學習法、自行操作法等，不同的方法在不同的實驗子課題中均得到了廣泛的采用。通過對人機交互、數據傳遞方式的二次開發設計，學生可以對車輛控制系統的操作方式及交互界面進行自主開發設計，實現車輛更為便捷地操控。通過該虛擬實驗，可將學生培養成全面的軌道交通車輛設計、制造、裝配、維修、開發等全方面復合型人才。

參考文獻

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