城市軌道交通車輛結(jié)構(gòu)裝配虛擬仿真實驗教學(xué)

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(fā)展，為了更好適應(yīng)各大中型城市對相關(guān)專業(yè)人才的需求，重慶交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院設(shè)計了一套城市軌道交通車輛結(jié)構(gòu)裝配虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，該虛擬實驗教學(xué)方式已經(jīng)取得了一定的成果，培養(yǎng)出了一批全面的軌道交通車輛設(shè)計、制造、裝配、維修、開發(fā)等全方面復(fù)合型人才。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通車輛 虛擬現(xiàn)實 實驗教學(xué) 人機交互

中圖分類號：G420 文獻標(biāo)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(dāng)今世界，地下鐵道發(fā)展迅速，各發(fā)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(yīng)該發(fā)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(yè)學(xué)生的培養(yǎng)上，也要予以更多的關(guān)注，引入新型科技手段，力求將其培養(yǎng)成適用于我國城市軌道交通行業(yè)設(shè)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(yè)教學(xué)中存在的問題

目前的城市軌道交通車輛專業(yè)最大的特點是設(shè)備先進，自動化技術(shù)程度高，高昂的價格不適合學(xué)校和科研機構(gòu)的教學(xué)應(yīng)用，且對實驗實訓(xùn)教學(xué)的要求更高。由于受諸多因素限制，傳統(tǒng)的專業(yè)實驗設(shè)備和技術(shù)條件有限，集成度低，完成的實驗功能單一。同時，因為設(shè)備昂貴、臺套數(shù)少，無法進行多人多任務(wù)實驗和實訓(xùn)，不能滿足教學(xué)需要。同時，由于傳統(tǒng)實驗實訓(xùn)裝備數(shù)量不足，設(shè)備功能有限，無法有效考核教學(xué)質(zhì)量。

2 城市軌道交通車輛結(jié)構(gòu)裝配虛擬仿真實驗教學(xué)

虛擬仿真實驗教學(xué)資源，能滿足交通裝備類專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)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(xiàn)、模擬駕駛、事故預(yù)警技術(shù)，解決特殊工況難以展現(xiàn)，不可及、不可逆的操作難以實現(xiàn)的局限，為科學(xué)研究提供試驗支撐和數(shù)據(jù)支持。此外，虛擬仿真實驗教學(xué)平臺可以實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能。因此，重慶交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院建立了一套虛擬實驗系統(tǒng)以培養(yǎng)軌道交通車輛相關(guān)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(fā)功能，可用于提高指導(dǎo)教師及學(xué)生的編程、系統(tǒng)自主開發(fā)、自行設(shè)計能力。借助相關(guān)軟件二次開發(fā)的技術(shù)手段，學(xué)生可以在熟知城市軌道交通車輛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)相關(guān)結(jié)構(gòu)的開發(fā)設(shè)計能力。學(xué)生通過人機交互界面，可自行設(shè)計開發(fā)新型的輪對、構(gòu)架、牽引傳動系統(tǒng)、車體等車輛重要零部件，并對自主開發(fā)設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行裝配形成新型城市軌道交通車輛。然后，學(xué)生可對自主開發(fā)的車輛進行啟動、制動等運行測試，并根據(jù)測試結(jié)果對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化。此外，學(xué)生還可以通過編程及二次開發(fā)的方式，對人機交互界面進行修改和優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)列車運行控制、信號通訊等系統(tǒng)操作方式和交互界面的創(chuàng)新設(shè)計與自主開發(fā)。實驗教學(xué)原理見圖1。

借助本虛擬教學(xué)項目，針對城市軌道車輛構(gòu)造課程，結(jié)合實體實驗室中的轉(zhuǎn)向架現(xiàn)場教學(xué)，使學(xué)生對城市軌道交通車輛的結(jié)構(gòu)更為熟悉、對運行控制系統(tǒng)更為了解，并通過相關(guān)軟件的二次開發(fā)技術(shù)，加強學(xué)生對軌道交通車輛結(jié)構(gòu)的自主開發(fā)能力以及人機交互界面的自主設(shè)計能力。

本虛擬實驗教學(xué)包括如下內(nèi)容。

（1）基于labview開發(fā)軟件，開發(fā)虛擬現(xiàn)實軟件平臺，搭建虛擬軌道等虛擬環(huán)境，結(jié)合實體實驗室現(xiàn)場教學(xué)與課堂講授，學(xué)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(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)更為熟悉，培養(yǎng)學(xué)生對車輛各結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計能力。

（2）通過數(shù)據(jù)手套等人機交互和傳感器技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生城市軌道交通車輛的裝配能力。

（3）加強學(xué)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(tài)。

（4）基于二次開發(fā)技術(shù)，使學(xué)生可以自主開發(fā)新型轉(zhuǎn)向架、車體等城市軌道交通車輛等關(guān)鍵零部件，通過對其進行裝配并最終形成學(xué)生自行設(shè)計開發(fā)的新型城市軌道交通車輛，可培養(yǎng)學(xué)生的編程及二次開發(fā)等技能，增強學(xué)生對城市軌道交通車輛自主開發(fā)設(shè)計的能力。

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

3 結(jié)語

本虛擬教學(xué)項目采用了多種先進的實驗教學(xué)方法，主要包括有講授法、參觀教學(xué)法、直接演示法、自主學(xué)習(xí)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(shù)據(jù)傳遞方式的二次開發(fā)設(shè)計，學(xué)生可以對車輛控制系統(tǒng)的操作方式及交互界面進行自主開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)車輛更為便捷地操控。通過該虛擬實驗，可將學(xué)生培養(yǎng)成全面的軌道交通車輛設(shè)計、制造、裝配、維修、開發(fā)等全方面復(fù)合型人才。

參考文獻

[1] 張智煥，張惠娣.機械工程控制的虛擬仿真實驗教學(xué)實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31（7）：102-103，111.

[2] 項國雄，熊力楊，胡三華.建設(shè)教師教育虛擬仿真實驗教學(xué)中心 促進實踐教學(xué)能力培養(yǎng)模式創(chuàng)新[J].中國教育信息化，2014（5）：29-33.