高速動車組虛擬仿真實驗教學資源建設與共享研究

張嘉鷺, 馬 軍, 邢邦圣

(江蘇師范大學 機電工程學院, 江蘇 徐州 221116)

江蘇師范大學軌道交通專業致力于培養具有較強實踐能力的動車組車輛應用型人才,尤為注重虛擬仿真實驗教學資源的建設。學校研發團隊綜合利用虛擬現實、三維建模和網絡技術的優勢,開發出多套動車組運用與檢修虛擬仿真實驗軟件,學生可以在Web網頁中以交互的方式快速學習動車組的技術信息、結構特點、裝配順序以及檢修工藝流程,提高了實驗效率、降低了實驗成本[1-2]。所建設的“高速動車組運用與檢修虛擬仿真實驗項目”獲2016年度江蘇省優質在線開放實驗立項[3]；所建設的“動車組轉向架檢修工藝虛擬仿真實驗項目”獲2017年度國家級示范性虛擬仿真實驗教學項目立項[4]。

1 實體實驗教學存在的問題

在高速動車組運用與檢修實驗教學過程中,傳統的實體(實物)實驗教學存在以下問題[5]：

(1) 實體實驗成本高昂。動車組車輛價格極為昂貴(目前最新車型“復興號”動車組售價數億元),完善的動車組車輛實訓室還需配備帶軌道橋的架空軌道系統、輪對快速更換設備、盤型制動裝置試驗臺、轉向架系統落成后的專用加載試驗臺等眾多輔助設備,這些輔助設備的購置費用和維護費用也很高。另外,由于動車組車輛重量極大,進行拆裝和檢修作業需要行車、龍門吊等大型起重設備和專用廠房。而上述條件在實際教學中是很難滿足的。

(2) 實體實驗教學效率低。若采用實體動車組車輛進行實驗教學,受設備數量限制,單次受訓學生僅為4人/臺,每次實訓時間要超過8學時,實驗效率很低。由于動車組車輛零部件的配合精度極高,也不宜進行反復拆裝訓練。

(3) 實體實驗不能模擬異常工況。動車組車輛在實際運行中可能會出現軸承燒毀、制動盤破損等失效工況。失效工況雖極為少見,但在實際教學中非常重要,并要求學生牢固掌握；而單純通過動車組車輛實體實驗教學難以模擬此類異常工況。

2 虛擬仿真教學資源建設內容

2.1 構建基于Unity 3D技術的虛擬仿真教學資源

動車組虛擬仿真實驗教學資源立足國內主流的CRH380系列動車組車輛,基于目前應用廣、共享性強的Unity 3D技術,依托三維建模、虛擬現實、人機交互等先進的信息化技術,構建了4類虛擬仿真教學資源,而每類教學資源又涵蓋若干項實驗項目：

(1) 動車駕駛虛擬仿真：包括極端工況、雨雪工況、正常工況下的虛擬駕駛等；

(2) 故障處理虛擬仿真：包括車內設備、供電系統、牽引傳動系統等故障處理；

(3) 裝配訓練虛擬仿真：包括司機室、轉向架、受電弓等虛擬裝配；

(4) 檢修維護虛擬仿真：包括一級、二級、三級檢修虛擬仿真等。

以所建設的動車組模擬駕駛虛擬仿真教學軟件為例,其交互界面如圖1所示。

圖1 模擬駕駛虛擬仿真教學資源交互頁面

2.2 搭建三位一體的虛擬仿真共享機制

高速動車組虛擬仿真實驗教學資源致力于引導和激勵學生自主學習,提高創新實踐能力和科學實驗水平。因此,在資源建設過程中,研發團隊搭建了3大虛擬仿真體系：

(1) 實驗教學：包括模擬駕駛、故障處理、虛擬裝配、檢修維護；

(2) 實踐培訓：包括學生實訓、高鐵職工培訓、城市軌道交通企業職工培訓；

(3) 科研服務：包括創新訓練、教師科研、企業研發、科研院所研究。

3大體系可實現彼此之間聯動功能、共享資源,從而形成相互推動的一體化系統,實現教學、培訓、科研的聯系與融合[6]。

2.3 打造基于B/S架構的在線共享網絡平臺

動車組虛擬仿真實驗教學資源采用Visual Studio為系統開發平臺,以SQL Server為后臺數據庫系統,采用ASP.NET技術實現Web服務器與數據庫的連接。該教學資源采用B/S的三層架構,即瀏覽器和服務器結構,將所研發的虛擬仿真教學資源架設在高性能服務器中,用戶無需安裝客戶端。用戶工作界面是通過Web瀏覽器來實現的,使用IE、360等瀏覽器即可在Web網頁上對虛擬仿真教學資源進行遠程訪問和使用,從而極大地方便了目標用戶,在保證系統平臺易維護性的同時,增強了優質教學資源的開放與共享性。以轉向架檢修在線共享網絡平臺為例,其登錄頁面如圖2所示。

圖2 轉向架系統檢修在線共享網絡平臺頁面

2.4 建立科學、高效的管理體系

虛擬仿真實驗教學資源旨在實現優質資源的高效利用與遠程共享,并在此基礎上建立有利于激勵學生自主學習和提高學生自我創新能力的創新型管理體系。為此,要逐步健全管理體制、完善運行機制,提升中心教師隊伍水平,努力形成理論教學與實驗教學互通、科學研究與工程開發結合。實驗教學資源的管理實行主管領導和部門指導下的主任負責制,采取統一管理、統籌規劃、資源共享、有效利用的管理模式,對高速動車組虛擬仿真教學資源的運行和管理全面負責[7-8]。虛擬仿真教學資源管理體系如圖3所示。

圖3 虛擬仿真實驗教學資源管理體系

3 實驗教學資源共享機制的構建

3.1 教學資源共享的范圍和效果

高速動車組虛擬仿真實驗教學資源依托江蘇師范大學軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心,堅持資源豐富、遠程共享的運營機制,目前已實現了校內共享、校際共享、國際共享和企業共享。

(1) 校內共享。高速動車組虛擬仿真實驗教學資源可基于B/S架構在校園網中共享。車輛工程專業或其他有興趣的學生可通過Web瀏覽器進入網絡共享平臺進行自主實踐學習,在虛擬環境中進行實驗活動,強化訓練基本實驗能力。在激勵學生自主學習的同時,進一步提高學生綜合運用所學專業知識解決實際應用問題的能力,提高科技創新水平。

(2) 校際共享。高速動車組虛擬仿真實驗教學資源可為周邊兄弟院校提供實驗教學服務,支持教師開展科研實驗,為教師提供必要的實驗資源和技術支持,滿足多種實驗任務的需求。該項服務可進一步擴展到淮海經濟區,輻射周圍4省高校,發揮區域輻射引領作用,不斷提高虛擬仿真實驗教學資源利用率[9]。

(3) 國際共享。江蘇師范大學在與俄羅斯圣彼得堡國立交通大學的聯合辦學中,基于雙方所搭建的在線共享網絡平臺,已初步實現動車組運用與檢修等專業的虛擬仿真教學資源共享和優勢互補,共同致力于虛擬仿真實驗教學資源和設備開發,建設先進的高速動車組虛擬仿真實驗教學資源,促進雙方實驗教學創新和教學水平的提升。

(4) 企業共享。高速動車組虛擬仿真實驗教學資源與企業共享,為周邊地區動車檢修所、轉向架生產廠的職工培訓發揮了積極作用,已經取得豐碩成果。例如,由我校與上海鐵路局南京動車段共同開發的動車組轉向架虛擬裝配技能培訓與智能評價系統,利用虛擬仿真技術再現轉向架裝配工作過程,判別轉向架的運行狀態,實現對職工的實訓和考核評價,取得了良好的應用效果。目前該虛擬仿真教學資源通過B/S架構架設在我校大數據計算中心的服務器中,南京動車段的職工可通過網絡共享平臺進行遠程訪問與學習。

3.2 進一步實現共享的計劃與安排

(1) 加大實驗教學資源開放力度。為了進一步加大虛擬仿真實驗教學資源的遠程開放共享力度,本著“以生為本,提升質量,制度創新,共建共享,強化輻射,互惠互利”的原則,創新建立了教學管理與運行機制,進一步推進虛擬仿真實驗室的開放與資源共享,為學生個性化發展與自我成長提供更大的空間,滿足我校及兄弟院校軌道交通類專業學生工程能力訓練的需求,同時為電氣工程、自動化、計算機、通信與信息等專業學生的工程實踐提供支持[10]。

(2) 加快共建共享合作進程。 “五省通衢”的徐州是淮海經濟區的核心城市,也是國內重要的鐵路樞紐,京滬鐵路、隴海鐵路、京滬高速鐵路、徐蘭高速鐵路在此交匯。高速鐵路的建設和開通為區域發展帶來了無限機遇,也對軌道交通高質量專業技術人才的需求更加迫切。我校以此為契機,創新辦學機制,加強與科研院所、軟件開發公司合作,以軌道交通虛擬仿真實驗、實訓教學資源開發為依托,發揮學校的科研優勢和軟件公司的技術優勢,加快科研成果轉化,形成教學研究、產品設計、技術開發、市場開拓的良性循環[11]。

(3) 完善可持續發展機制。科學制定虛擬仿真實驗教學中心可持續發展政策措施：(1)進一步健全中心規章制度,強化經費使用管理；(2)加強工作績效考核、師資隊伍建設,加強教學效果考核與評價反饋；(3)完善中心與合作企業、國內外高校的共建、共管、共享機制,建立常態化的研討交流制度,合作進行人才培養、專業建設與技術開發；(4)建設產、學、研一體化的校企科研合作平臺,達到共享優質虛擬仿真實驗資源,培養目標人才質量的目的。

4 結語

通過高速動車組虛擬仿真實驗教學資源的建設與開放共享,在我校動車組運用與檢修類課程實驗教學中效果顯著。該教學資源具有良好自主性、交互性和可擴展性,集創新設計、虛擬資源、教學管理和智能指導于一體。學生在短時間內通過虛擬仿真軟件自主學習,掌握高速動車組的空間結構特征,并熟悉動車組運用與檢修工藝流程,使專業技能和解決實際問題的能力得到顯著提升。