基于虛擬仿真的高速動車組檢修工藝實驗教學系統開發

高 波，劉志明，霍 凱，焦風川

（北京交通大學 機械工程國家級實驗教學示范中心，北京 100044）

在教育部啟動實施“六卓越一拔尖計劃2.0”的大背景下，積極推進新工科建設、培養具有較強實踐創新能力和國際競爭視野的高素質復合型新工科人才，是服務新時代國家發展的戰略性舉措[1]。高速動車組檢修工藝實驗是“軌道車輛運用工程”課程中的重要實踐環節。由于教學場地、設備不足等條件所限，學生無法在學校進行動車組實體檢修工藝實踐。而學生在動車段實訓具有危險性，現場只能參觀、不能動手，并受到時間的約束，存在“做不好、做不上”的問題。因此，利用虛擬仿真技術構建多場景、多輸入的實驗環境，模擬不同檢修級別、不同車型、不同車況的實驗條件，可以提升學生快速跟蹤動車組關鍵技術發展和解決復雜工程問題的能力。

由于虛擬仿真技術的特色和優勢是沉浸式人機交互，通過數字化3D 技術構建與真實環境非常相似的虛擬環境，因此用戶擁有身臨其境的體驗式感受[2]。針對高速動車組實際結構檢修工藝實驗教學中存在的問題，運用虛擬仿真技術構建一個可視化的檢修實驗操作環境。學生可通過遠程操作將動車組檢修工藝流程在線仿真，同時輔以生動的視頻案例指導學生進行仿真操作，幫助學生掌握高速動車組專業知識，提升解決復雜工程實踐問題的能力。該系統也可以用于課堂教學演示，方便理論教學與實踐的結合[3]。該系統自上線運行已取得良好的教學效果，同時可以面向高等院校師生及國內外軌道交通企業員工提供遠程教學服務。

1 虛擬仿真實驗教學系統

1.1 系統框架

以高速動車組檢修工藝現場環境為原型，采用以MicroSof.Net 和Visual Studio 等開發工具為依托的3D、OpenGL 仿真技術還原了高速動車組結構、組成以及檢修工藝流程。該實驗系統根據不同教學目的共設置3 個功能模塊，分別是學習認知、操作練習和模擬考核。由系統界面控制用戶登錄和用戶切換等操作。系統結構框架如圖1 所示。

圖1 系統結構框架圖

1.2 系統數據庫

高速動車組檢修工藝虛擬仿真實驗系統涉及多種類型虛擬檢修組件及數據。系統分別設置虛擬實驗基礎元件庫（如動車組廠家、型號、轉向架型式、檢修設備、檢修級別、作業分工和路線等）、用于實現虛擬檢修功能的典型實驗庫和標準答案庫（如實驗環境預設參數、作業流程、測試數據和設計參數的對比度等）以及用于統計分析的課程規則庫和用戶信息庫，從而實現對相應數據的存放和管理[4-7]。

1.3 系統實驗管理平臺

系統管理平臺設計模塊包括選課預約、課程答疑和權限設置等內容。該模塊可統計學生的上課情況、選課情況和作業上交情況等，通過設置實驗課程增、刪、改、查和審核等權限，讓學生及時了解最新實驗教學內容，與老師在線進行問題探討。

1.4 系統通用服務功能

基于B/S 架構設計，最終高速動車組檢修工藝虛擬仿真實驗教學系統面向高校相關專業師生和軌道交通行業的社會人員開放共享。設計開發通用服務功能，使系統具有良好的擴展性。利用服務層提供的各種工具和仿真層提供的動車組檢修模型，設計出典型實例[8]，根據教學需要，面向學校和社會推廣實驗教學應用。

2 虛擬仿真實驗系統實現

2.1 學習認知模塊

學習認知模塊的功能實現主要通過文本閱讀、視頻案例和場景漫游。根據高速動車組類型和不同維修規程要求，采用虛擬仿真技術還原實際檢修車間場景，幫助用戶學習不同類型動車組檢修內容及標準，例如：200 公里速度級CRH1、CRH2、CRH3 和CRH5 型動車組，300 公里速度級CRH380A、CRH380B、CRH380C和CRH380D 型動車組，350 公里速度級的CF400A和CF400B 型動車組的車體結構、轉向架系統、鉤緩系統、受流裝置、制動系統原理，轉向架各部件之間的連接方式，關鍵參數對列車運行性能的影響，檢修設備功能及工作原理。學習認知模塊界面如圖 2所示。

圖2 學習認知模塊界面

2.2 操作練習模塊

操作練習模塊針對不同車型、修程進行檢修計劃編制訓練、檢修主要設備選型訓練，一級、二級和三級檢修工藝流程制定訓練，高速動車組關鍵系統的檢修、關鍵參數模擬測試訓練。

在任務指導界面，將分為一級、二級和三級檢修任務進行模擬操作，用戶通過點擊相應任務按鈕進行閱讀和學習，點擊“進入”按鈕進入拆裝現場進行實操作業。

場景中“UI 提示面板”包含交互按鈕，根據提示點選按鈕即可進入下一步操作。在轉向架一次分解中，通過點擊UI 提示面板上的“開始”按鈕即可開始一次分解作業，然后點擊高亮部件，彈出“分解”與“取消”按鈕，點擊“分解”按鈕即可調用工具開始分解模擬作業。操作練習模塊如圖3 所示。

2.3 虛擬考核模塊

虛擬考核模塊嚴格按照現場作業要求，根據教師設定的動車組車型、運用里程或時間等條件，用戶可完成動車組檢修計劃編制、設備選型、檢修工藝流程制定和轉向架拆裝關鍵參數測試等內容。以三級檢修工藝中拆解牽引電機為例：用戶首先利用正確型號扳手松開螺栓螺母，將電機側聯軸節與齒輪箱側聯軸節分開，手動轉動電機側聯軸節確認可以自由轉動，然后剪斷電機螺栓放松鐵絲，松開電機上部吊掛螺栓，拆下牽引電機，同時在電機外殼上標記動車組列數、轉向架型號和位數[9-11]，如圖4 所示。

圖3 操作練習模塊界面

圖4 虛擬考核模塊界面

考核模塊根據用戶操作步驟對應的知識點和能力目標完成情況自動計算成績并存儲在系統中，用戶獲得執行權限后可以查看下載考核分析報告。實驗名稱及對應的知識點和能力，如表1 所示。

表1 實驗名稱及對應的知識點和能力

3 虛擬仿真實驗系統應用

采用虛實結合的教學方法，學生通過完成高速動車組不同檢修等級的工藝操作，提高工程應用能力，為日后成為卓越工程師提供技術支撐。

（1）虛擬實驗教學系統針對在校學生無法實際參與到高速動車組現場運用檢修的現狀，結合車輛專業特色和軌道交通行業發展需求，基于成果導向（OBE）為中心的實踐教學理念，利用現代信息技術，開展了以多種類型動車組一級、二級、三級檢修作業為對象的仿真實驗，支撐新工科軌道交通人才培養。

（2）虛擬實驗教學系統基于任務驅動的自主探究實驗教學方式。在給定檢修任務情境下，由學生分組協作、自主研究制定檢修計劃和工藝流程，完成實驗任務。圖片、視頻、交互式操作等多種方式提升學習效果，同時通過線上仿真與線下現場實習虛實結合的教學方法，培養學生工程實踐能力。

（3）虛擬實驗教學系統建立了基于檢修過程的形成性評價體系。從制定動車組檢修計劃到選取檢修設備、從單一車型到系列車型、從一種修程到全部修程[12]，具有循序漸進、由淺入深的過程性特點。后臺能夠自動記錄學習進度，根據每個過程的完成情況進行評價。實驗評價結果用于相關課程目標達成度計算，并支撐相應畢業要求指標點達成，根據達成情況進行閉環反饋、用于持續改進。

4 結論

高速動車組檢修工藝虛擬仿真實驗教學系統場景還原度高，人機交互界面簡單多樣，可以解決學生對高速動車組檢修工藝流程理解困難，到動車段進行實體教學存在具有危險性，現場只能參觀、不能動手，并受到時間約束等問題，學生通過虛擬仿真系統完成動車組不同檢修等級的操作，提升了工程實踐素質和技術創新能力，有效提高了實驗教學質量。

截至目前，高速動車組檢修工藝虛擬仿真實驗教學系統已成功獲評國家級虛擬仿真實驗項目，可以更廣泛地開展課程和實驗項目推廣、成績互認和學分轉換。該系統自投入使用以來，已完成了本校3 個年級車輛工程專業本科生“軌道車輛運用工程”的實驗教學任務。同時與實驗空間共享平臺技術對接，示范輻射范圍包括“雙培計劃”北京市屬院校和“一帶一路”沿線國家等交通領域相關學員，有效滿足了軌道交通行業對于工程技術人才的需求。