高 波，劉志明，霍 凱，焦風(fēng)川

（北京交通大學(xué) 機械工程國家級實驗教學(xué)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(shè)、培養(yǎng)具有較強實踐創(chuàng)新能力和國際競爭視野的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才，是服務(wù)新時代國家發(fā)展的戰(zhàn)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(huán)節(jié)。由于教學(xué)場地、設(shè)備不足等條件所限，學(xué)生無法在學(xué)校進行動車組實體檢修工藝實踐。而學(xué)生在動車段實訓(xùn)具有危險性，現(xiàn)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(shù)構(gòu)建多場景、多輸入的實驗環(huán)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(xué)生快速跟蹤動車組關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展和解決復(fù)雜工程問題的能力。

由于虛擬仿真技術(shù)的特色和優(yōu)勢是沉浸式人機交互，通過數(shù)字化3D 技術(shù)構(gòu)建與真實環(huán)境非常相似的虛擬環(huán)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(jié)構(gòu)檢修工藝實驗教學(xué)中存在的問題，運用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建一個可視化的檢修實驗操作環(huán)境。學(xué)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(dǎo)學(xué)生進行仿真操作，幫助學(xué)生掌握高速動車組專業(yè)知識，提升解決復(fù)雜工程實踐問題的能力。該系統(tǒng)也可以用于課堂教學(xué)演示，方便理論教學(xué)與實踐的結(jié)合[3]。該系統(tǒng)自上線運行已取得良好的教學(xué)效果，同時可以面向高等院校師生及國內(nèi)外軌道交通企業(yè)員工提供遠程教學(xué)服務(wù)。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)框架

以高速動車組檢修工藝現(xiàn)場環(huán)境為原型，采用以MicroSof.Net 和Visual Studio 等開發(fā)工具為依托的3D、OpenGL 仿真技術(shù)還原了高速動車組結(jié)構(gòu)、組成以及檢修工藝流程。該實驗系統(tǒng)根據(jù)不同教學(xué)目的共設(shè)置3 個功能模塊，分別是學(xué)習(xí)認知、操作練習(xí)和模擬考核。由系統(tǒng)界面控制用戶登錄和用戶切換等操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

高速動車組檢修工藝虛擬仿真實驗系統(tǒng)涉及多種類型虛擬檢修組件及數(shù)據(jù)。系統(tǒng)分別設(shè)置虛擬實驗基礎(chǔ)元件庫（如動車組廠家、型號、轉(zhuǎn)向架型式、檢修設(shè)備、檢修級別、作業(yè)分工和路線等）、用于實現(xiàn)虛擬檢修功能的典型實驗庫和標(biāo)準答案庫（如實驗環(huán)境預(yù)設(shè)參數(shù)、作業(yè)流程、測試數(shù)據(jù)和設(shè)計參數(shù)的對比度等）以及用于統(tǒng)計分析的課程規(guī)則庫和用戶信息庫，從而實現(xiàn)對相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理[4-7]。

1.3 系統(tǒng)實驗管理平臺

系統(tǒng)管理平臺設(shè)計模塊包括選課預(yù)約、課程答疑和權(quán)限設(shè)置等內(nèi)容。該模塊可統(tǒng)計學(xué)生的上課情況、選課情況和作業(yè)上交情況等，通過設(shè)置實驗課程增、刪、改、查和審核等權(quán)限，讓學(xué)生及時了解最新實驗教學(xué)內(nèi)容，與老師在線進行問題探討。

1.4 系統(tǒng)通用服務(wù)功能

基于B/S 架構(gòu)設(shè)計，最終高速動車組檢修工藝虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)面向高校相關(guān)專業(yè)師生和軌道交通行業(yè)的社會人員開放共享。設(shè)計開發(fā)通用服務(wù)功能，使系統(tǒng)具有良好的擴展性。利用服務(wù)層提供的各種工具和仿真層提供的動車組檢修模型，設(shè)計出典型實例[8]，根據(jù)教學(xué)需要，面向?qū)W校和社會推廣實驗教學(xué)應(yīng)用。

2 虛擬仿真實驗系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 學(xué)習(xí)認知模塊

學(xué)習(xí)認知模塊的功能實現(xiàn)主要通過文本閱讀、視頻案例和場景漫游。根據(jù)高速動車組類型和不同維修規(guī)程要求，采用虛擬仿真技術(shù)還原實際檢修車間場景，幫助用戶學(xué)習(xí)不同類型動車組檢修內(nèi)容及標(biāo)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(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)、鉤緩系統(tǒng)、受流裝置、制動系統(tǒng)原理，轉(zhuǎn)向架各部件之間的連接方式，關(guān)鍵參數(shù)對列車運行性能的影響，檢修設(shè)備功能及工作原理。學(xué)習(xí)認知模塊界面如圖 2所示。

圖2 學(xué)習(xí)認知模塊界面

2.2 操作練習(xí)模塊

操作練習(xí)模塊針對不同車型、修程進行檢修計劃編制訓(xùn)練、檢修主要設(shè)備選型訓(xùn)練，一級、二級和三級檢修工藝流程制定訓(xùn)練，高速動車組關(guān)鍵系統(tǒng)的檢修、關(guān)鍵參數(shù)模擬測試訓(xùn)練。

在任務(wù)指導(dǎo)界面，將分為一級、二級和三級檢修任務(wù)進行模擬操作，用戶通過點擊相應(yīng)任務(wù)按鈕進行閱讀和學(xué)習(xí)，點擊“進入”按鈕進入拆裝現(xiàn)場進行實操作業(yè)。

場景中“UI 提示面板”包含交互按鈕，根據(jù)提示點選按鈕即可進入下一步操作。在轉(zhuǎn)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(yè)，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(diào)用工具開始分解模擬作業(yè)。操作練習(xí)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(xiàn)場作業(yè)要求，根據(jù)教師設(shè)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(shè)備選型、檢修工藝流程制定和轉(zhuǎn)向架拆裝關(guān)鍵參數(shù)測試等內(nèi)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(cè)聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)分開，手動轉(zhuǎn)動電機側(cè)聯(lián)軸節(jié)確認可以自由轉(zhuǎn)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(biāo)記動車組列數(shù)、轉(zhuǎn)向架型號和位數(shù)[9-11]，如圖4 所示。

圖3 操作練習(xí)模塊界面

圖4 虛擬考核模塊界面

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

表1 實驗名稱及對應(yīng)的知識點和能力

3 虛擬仿真實驗系統(tǒng)應(yīng)用

采用虛實結(jié)合的教學(xué)方法，學(xué)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(yīng)用能力，為日后成為卓越工程師提供技術(shù)支撐。

（1）虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)針對在校學(xué)生無法實際參與到高速動車組現(xiàn)場運用檢修的現(xiàn)狀，結(jié)合車輛專業(yè)特色和軌道交通行業(yè)發(fā)展需求，基于成果導(dǎo)向（OBE）為中心的實踐教學(xué)理念，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開展了以多種類型動車組一級、二級、三級檢修作業(yè)為對象的仿真實驗，支撐新工科軌道交通人才培養(yǎng)。

（2）虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)基于任務(wù)驅(qū)動的自主探究實驗教學(xué)方式。在給定檢修任務(wù)情境下，由學(xué)生分組協(xié)作、自主研究制定檢修計劃和工藝流程，完成實驗任務(wù)。圖片、視頻、交互式操作等多種方式提升學(xué)習(xí)效果，同時通過線上仿真與線下現(xiàn)場實習(xí)虛實結(jié)合的教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力。

（3）虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)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(shè)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(xué)習(xí)進度，根據(jù)每個過程的完成情況進行評價。實驗評價結(jié)果用于相關(guān)課程目標(biāo)達成度計算，并支撐相應(yīng)畢業(yè)要求指標(biāo)點達成，根據(jù)達成情況進行閉環(huán)反饋、用于持續(xù)改進。

4 結(jié)論

高速動車組檢修工藝虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)場景還原度高，人機交互界面簡單多樣，可以解決學(xué)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(xué)存在具有危險性，現(xiàn)場只能參觀、不能動手，并受到時間約束等問題，學(xué)生通過虛擬仿真系統(tǒng)完成動車組不同檢修等級的操作，提升了工程實踐素質(zhì)和技術(shù)創(chuàng)新能力，有效提高了實驗教學(xué)質(zhì)量。

截至目前，高速動車組檢修工藝虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)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(xué)分轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)自投入使用以來，已完成了本校3 個年級車輛工程專業(yè)本科生“軌道車輛運用工程”的實驗教學(xué)任務(wù)。同時與實驗空間共享平臺技術(shù)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(lǐng)域相關(guān)學(xué)員，有效滿足了軌道交通行業(yè)對于工程技術(shù)人才的需求。