面向用戶的軌道車輛制動系統虛擬技術研究

摘 ?要：以地鐵車輛架控式制動系統為研究對象，開展關于面向地鐵運營用戶可用于數字虛擬教學、虛擬維護與檢修的虛實融合的制動系統實訓平臺的研究。基于最小可更換單元（LRU）、三維爆炸圖、零部件索引等技術，映射系統作用過程與虛擬部位，同時結合部件真實結構及其運用狀態，使產品的維護、維修過程更為直觀，操作訓練過程更為高效，滿足下一代城市軌道交通車輛機電設備的智能運維需求。

關鍵詞：虛擬技術;軌道交通;制動系統;檢修工藝

中圖分類號：TP274.4;TP391.9 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）13-0065-03

Abstract：Taking the bogie controlled braking system of metro vehicles as the research object，this paper carries out the research on the braking system training platform which can be used for digital virtual teaching，virtual maintenance and repair for metro operation users. Based on the technology of LRU，3D exploded view，parts index，etc.，the systems function process and virtual parts are mapped. At the same time，combining the real structure of the component and its operating state，the product maintenance and operation training process is intuitive and efficient，which meets the development demand of intelligent operation and maintenance of the next generation of urban rail transit vehicle electromechanical equipment.

Keywords：virtual technology;rail traffic;braking system;maintenance technology

0 ?引 ?言

制動系統是現代城市軌道交通車輛的基本安全保障。地鐵車輛制動系統存在設備結構復雜、維修時間緊迫、現場演練困難、維修人員缺乏經驗、維修流程缺乏相關標準等問題。隨著我國城市軌道交通的迅速發展，傳統地鐵車輛行車的教學培訓模式已經無法滿足車輛制動設備檢修工藝及實驗訓練的需求。

近年來，由于虛擬技術在精密制造、軌道交通、航空航天等領域的廣泛應用，世界各國都對虛擬技術給予了高度的重視，并投入了大量的人力物力進行研究。在軌道車輛方面，馬然等[1]設計開發了現代軌道交通虛擬仿真實驗教學中心設備，陳文等[2]研究實現了地鐵車輛與環境虛擬現實仿真系統，肖乾等[3]開發了基于Unity 3D的虛實結合的鐵道單車制動實驗培訓系統。

本文基于CATIA數字虛擬裝配技術在地鐵車輛制動系統教學應用中的研究成果，選取如圖1所示的某國產EPB型架控式制動系統為研究對象，旨在研究與探索面向地鐵運營用戶的軌道車輛制動系統的數字虛擬技術應用，以模擬現場真實環境及運用操作為目標，借助計算機模擬的虛擬現實環境，并結合主要部件實物，開發基于單車虛實融合的制動實訓平臺，為創新現代地鐵車輛制動系統的維護檢修工藝及技能訓練方法打下扎實的基礎。

1 ?基于虛擬樣機的制動維護檢修

虛擬裝配就是在虛擬環境中利用數字虛擬技術將設計的產品的三維模型進行預裝配，實現復雜產品的三維仿真與實際設備制造、裝配過程的統一[4]。德國Fraunhofer工業工程研究所[5]較早開展了對虛擬裝配規劃系統的研究，其系統能夠實現在虛擬環境中執行裝配操作（包括交互式裝配和拆卸零部件）以及成本分析等。

虛擬樣機（Virtual Prototype）是相對于物理原型機而言的，它是最終產品或系統的計算機虛擬模型[6]。同物理原型機相比，它具有制作速度快、成本低的特點，可以用來很好地論證工程分析及工藝參數的有效性，給用戶呈現不同的結構觀察視角及內部結構分析。此外，虛擬樣機技術還能用于多種途徑，包括通過反饋信息對系統進行修改設計、讓訓練工人進行虛擬裝配等等，其應用場景已擴展到產品設計開發及生產制造的全過程。

將虛擬樣機技術應用到城軌車輛制動設備的日常檢修工藝的設計中，可以在虛實結合的環境中，為用戶真實反映設備的實際安裝位置、空間結構及檢修工藝要求等，提高作業效率。

借助虛擬現實技術建立城軌車輛制動裝置各部件的三維模型，生成制動系統的虛擬環境，實現用戶與環境之間的信息交互。用戶可以通過交互設備進入到整車虛擬場景中，根據實際需求完成現場維護工藝設計、實際操作演練模擬，脫離了傳統的圖紙及工藝文件設計模式[7]。

首先，通過CATIA軟件分別建立制動系統的主要模塊（風源裝置、制動控制裝置、基礎制動裝置、滑行控制裝置）的零部件數據庫，并對主要加工零部件賦予基本特性（包括Item序列號、材料屬性、表面處理工藝等）。各部件可進行放大、縮小、旋轉、移動，結構均按照實物1：1比例建立，反映的材質與真實車輛完全相同。在計算機上通過人機界面，可以實現各總成的零部件本身以及位置關系的表達。

其次，基于可拆卸可裝配理論原則（拆卸是裝配的逆過程），通過將約束好的模型進行可行性拆卸、編排裝配流程序列，將該模型劃分成多個子裝配體。由零件和組件先裝配成子裝配體，再由子裝配體和連接件裝配成整個模型，最后規劃仿真路徑、創建相關仿真信息，并進行干涉檢查，從而驗證裝配路徑是否滿足實際操作空間的要求。裝配過程如圖2所示。

最后，通過三維交互式的檢修場景，按照地鐵公司的實際檢修流程實現日檢、定修、月檢。將VR/AR技術與裝配技術充分結合，最大化模擬擰緊裝配與測量過程，幫助操作者快速熟悉整套系統的操作及工藝流程;通過模擬擰緊裝配與測量過程中可能出現的問題，例如組裝順序、使用物料、擰緊過程等工藝流程問題，以及模擬裝配系統的常見故障及處置預案，為用戶提供設備維護方案。制動設備車底檢修作業虛擬裝配如圖3所示。

2 ?基于虛實融合的制動綜合訓練

基于對運營安全的考量，運營公司內部的地鐵車輛行車教學培訓基本采用師帶徒的方式，并且對制動系統設備的操作訓練以及故障應急處理的培訓完全采用純理論教學方式，無法在正線開展綜合實訓。相比傳統的VR虛擬現實制動操作演練系統，基于單車虛實融合的地鐵車輛制動實訓系統可以讓運營人員面對真實設備進行仿真操作演練，具有更高的學習效率，更適合面向希望掌握制動試驗技術的用戶。

針對高校及鐵路行業相關企業的互動式教學需求，采用虛實結合的設計思路，核心部件使用與真車一致的設備，并根據不同車型定制開發控制軟件，在滿足列車實際運行的各項功能基礎上，實現整車制動系統的三維結構和工作原理展示、虛擬拆裝、故障模擬和排除以及檢修流程的實訓、教學和考核。

將司機控制器、線路管路、風源裝置、制動控制裝置、制動風缸、基礎制動裝置以及空氣管路按照軌道車輛單車轉向架上的連接方式連接，在線路管路上安裝控制器，空氣管路上接入壓力傳感器，使其分別與一體化總線式控制和采集模塊的兩端連接。基于單車虛實融合的制動實訓系統如圖4所示，組成部分分別為：（1）司機控制臺（含司機控制器）;（2）顯示屏;（3）電器柜;（4）風源裝置;（5）制動控制裝置;（6）輔助控制裝置;（7）基礎制動裝置;（8）空氣彈簧。

采集模塊采集制動控制的各種信號，并將信號傳送給控制模塊，控制模塊接收并發送指令給線路管路的控制器，控制器控制制動系統實現各種制動模式的操作以及應對各種故障和應急狀況的實訓。

基于單車虛實融合的地鐵車輛制動實訓系統充分結合了VR虛擬現實技術及模擬試驗裝置的優點，采用簡單易懂的圖片和動畫實現對制動系統結構及原理的教學、典型故障的模擬和排除等功能。

通過司機控制臺、顯示屏和產品的聯動，可以實現列車的常用制動、快速制動、緊急制動等相關功能的演示;通過顯示屏可以清晰展示不同制動模式下的電氣指令傳遞、風管壓力變化、制動缸壓力變化、響應時間等主要信息，實現單車制動功能的可視化;此外，通過設置系統單點、多點故障，模擬列車實際運營過程中電氣、氣動部件故障可能造成的系統故障現象，并結合實物實現日常操作、維護、故障處理等，如圖5所示。

系統能夠真實地模擬地鐵列車在各種工況下的運行狀況、牽引/制動特性以及其他特性。通過實驗，用戶可以全面掌握列車運行的基本操作方法、操作規程與操作步驟，熟悉列車運行過程中對制動系統故障及突發事件的處理方法、步驟和規程，并能實現駕駛能力及排除故障能力的全面訓練和技術考核。同時，還可以采用三維動畫的方式來顯示列車的制動過程，讓實驗人員能夠更加直觀地觀測制動設備和列車在制動實驗過程中的運行情況，如圖6所示。該系統能解決特殊工況難以展現、實際操作難以實現的局限性，為科學研究提供實驗支撐和數據支持。

3 ?結 ?論

制動系統作為行車安全的關鍵子系統，承擔著保證列車安全、準確停車的重要職能。基于虛擬裝配與虛實融合的制動實訓系統，能滿足基于智能化運營維護的下一代城市軌道交通車輛的發展及運用需求。其面向目前現代城市軌道交通運營用戶，能有效解決新線路、新系統、新工藝的培訓難題，可在優化檢修工藝成本、提升綜合運維效率、提升運營安全性及運營品質等方面獲得卓越成效，將為城市軌道交通帶來顯著的經濟效益和社會效益。

本文采用理論研究、計算機建模與仿真、實踐教學相結合的技術路線，開展面向地鐵公司的某國產EPB型架控式制動系統的數字虛擬教學、虛擬維護與檢修方案的研究，基于最小可更換單元（LRU）、三維爆炸圖、零部件索引等技術，映射系統作用過程與虛擬部位，借助虛擬環境使教學過程直觀化。根據產品維護手冊，建立制動系統的日常故障維修及維護性維修的數字化虛擬系統，使用戶直觀形象地掌握產品的使用及維護方案。采用虛實結合的技術可以實現軌道車輛制動系統各部件的三維建模和虛擬裝配以及控制系統的仿真，且設計周期短、效率高，對軌道車輛檢修數字化設計的研究具有重要意義。

參考文獻：

[1] 馬然，馬軍，周連佺，等.現代軌道交通虛擬仿真實驗教學中心建設 [J].實驗技術與管理，2017，34（10）：215-218.

[2] 陳志文.地鐵車輛與環境虛擬現實仿真研究 [D].深圳：深圳大學，2016.

[3] 肖乾，韓瑞，劉行，等.基于Unity3D虛實結合的鐵道單車制動實驗培訓系統 [J].華東交通大學學報，2018，35（5）：135-142.

[4] 姚競爭，韓端鋒，李健.基于CATIA系統的虛擬裝配仿真研究 [J].船舶工程，2011，33（1）：49-52.

[5] 謝叻，肖波，吳巧教，等.虛擬裝配技術及應用 [J].模具技術，2006（1）：60-63.

[6] 隋愛娜，吳威，趙沁平.虛擬裝配與虛擬原型機的理論與技術分析 [J].系統仿真學報，2000（4）：386-388.

[7] 劉佳，劉毅.虛擬維修技術發展綜述 [J].計算機輔助設計與圖形學學報，2009，21（11）：1519-1534.

作者簡介：周其顯（1985.09—），男，漢族，湖北黃岡人，工程師，碩士研究生，研究方向：列車制動技術。