基于VR技術(shù)的城市軌道車輛故障診斷技術(shù)實踐教學探討

■胡定玉 方宇 廖愛華 袁天辰 （上海工程技術(shù)大學城市軌道交通學院）

一 引言

上海工程技術(shù)大學城市軌道交通學院是全國第一所由校企聯(lián)合創(chuàng)辦的專門培養(yǎng)城市軌道交通專業(yè)人才的學院。學院以上海申通地鐵集團有限公司為依托，在學校與行業(yè)、企業(yè)協(xié)同辦學、協(xié)同育人、協(xié)同創(chuàng)新的“三協(xié)同”發(fā)展模式指導下，主動對接行業(yè)，培養(yǎng)具有較強實踐能力和創(chuàng)新能力的優(yōu)秀工程師和工程服務人才。2010年，城市軌道交通學院車輛工程專業(yè)入選首批教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”試點專業(yè)。學生畢業(yè)后大都進入城市軌道交通車輛維保行業(yè)。

在“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的背景下，培養(yǎng)具有較強動手能力和崗位適應能力的工程技術(shù)型人才是專業(yè)發(fā)展的根本。這就要求在培養(yǎng)過程中加大實踐教學的比重。雖然專業(yè)課程中設置了大量的課程實驗，但大都是以演示實驗為主，學生動手操作機會不多。另外，由于軌道交通行業(yè)特殊性，出于車輛運營安全的考慮，學生在實習過程中也不能進行大量的上車實踐，這對培養(yǎng)具有較強動手能力的應用型人才顯然是不利的。而VR技術(shù)能夠在虛擬的環(huán)境中引入真實的場景，能夠提供良好的用戶環(huán)境交互感受。將VR技術(shù)引入城市軌道交通車輛工程專業(yè)課程的實踐教學中可以為學生提供良好的實踐動手機會，提升教學效果[1]。

本文以城市軌道車輛故障診斷技術(shù)為例，深入分析課程定位及實踐教學中存在的問題，從實踐教學內(nèi)容設計、教學效果評價和分析幾個方面入手，探討了采用VR技術(shù)的新型實踐教學手段和方法，為提升專業(yè)課程的教學效果提供新的思路。

二 本課程在課程體系中的定位

城市軌道車輛故障診斷技術(shù)是面向城市軌道交通車輛工程專業(yè)學生的一門專業(yè)特色選修課。其任務是使學生較全面、系統(tǒng)地了解故障診斷的方法和基本原理以及城市軌道交通車輛的常見故障的分析和處理方法。具體來說，了解車輛機械振動檢測故障診斷技術(shù)基本理論、了解溫度檢測技術(shù)、液壓檢測技術(shù)、油液檢測技術(shù)以及無損檢測技術(shù)等常用檢測技術(shù)的原理和方法，熟悉軌道車輛轉(zhuǎn)向架、車輪以及車門等基本結(jié)構(gòu)的故障原因和基本維修保養(yǎng)策略，了解車輛運營故障的基本處理方法和思路，了解城市軌道交通車輛維修策略和維修手段。通過本課程的學習，激發(fā)學生對學習本專業(yè)的濃厚興趣，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，使學生具有對于車輛工程故障診斷問題進行系統(tǒng)表達、建立模型、分析求解和論證的能力，為學生今后從事軌道車輛應用工作奠定良好的基礎。課程內(nèi)容充分對接工程實際，課程案例均來自學院相關(guān)研究課題和城市軌道交通行業(yè)實際案例，具有較強的理論性和工程實用價值。課程內(nèi)容與學生未來實際工作高度相關(guān)，在學生修完《城市軌道交通車輛結(jié)構(gòu)與原理》《檢測與傳感》等課程后開始講授。

三 實踐課程設置及教學現(xiàn)狀

1 實踐課程設置現(xiàn)狀

目前本課程主要通過課內(nèi)實驗方式進行實踐教學。實驗課程是對車輛故障檢測中常用無損檢測方法的應用，目的是幫助廣大學生加強對書本知識中的理解和掌握，并在實驗過程中，深入認識無損檢測的優(yōu)缺點以及應用范圍，理解無損檢測在軌道車輛上的用途。當前課內(nèi)實驗包括滲透檢測實驗和磁粉檢測試驗，內(nèi)容包括檢測原理介紹，檢測過程中使用的試劑、材料、設備等介紹以及實驗結(jié)果演示。要求學生了解這兩種檢測技術(shù)的特征、適用范圍、技術(shù)要點。

2 實踐教學分析

滲透和檢測實驗的設置主要是對接軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等機械零部件的結(jié)構(gòu)損傷檢測。但實際實驗過程中并不會采用真實的構(gòu)架模型，而只是采用專用的故障演示器材，嚴重偏離實際，這就導致學生對現(xiàn)場的認識感不強，對學生掌握真實的車輛故障診斷技術(shù)產(chǎn)生較大限制。同時，在無損檢測實驗中，還有大量耗材的使用，成本較高。實踐教學過程中學生很少由實際動手操作的機會，不利于培養(yǎng)學生的動手能力，不利于培養(yǎng)工程應用型人才[2]。

四 基于VR技術(shù)的實踐教學方案

1 VR技術(shù)簡介

VR技術(shù)是一種綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和現(xiàn)實中各種接口設備，在計算機上生成可交互的沉浸式環(huán)境的技術(shù)。該技術(shù)借助計算機對真實的場景進行建模，讓使用者可以在一種虛擬環(huán)境中產(chǎn)生在真實的客觀世界中的感覺，同時，使用者能夠利用接口設備進行場景交互，在虛擬的場景中感受到真實世界。將VR技術(shù)與教學手段結(jié)合，可以極大地降低實踐成本，同時能夠很大程度上保留在真實場景中的實踐效果，因此該技術(shù)越來越受到國內(nèi)外高校的重視，是未來智能化教學的方向[3]。

2 基于VR技術(shù)的實驗內(nèi)容設計

（1）牽引控制系統(tǒng)虛擬檢修

牽引控制系統(tǒng)是城軌列車的核心系統(tǒng)之一，對牽引控制系統(tǒng)的檢修包括牽引逆變器、受電弓、牽引電機等的檢修內(nèi)容。利用VR技術(shù)，展示出這些零部件在地鐵車輛的位置，通過動畫拆解以及虛化無關(guān)項的形式，把需要檢修的零部件展示在顯示設備上。將牽引控制系統(tǒng)設置成可虛化模式，假設液壓減震器故障，可以將其表現(xiàn)為紅色，檢修過后再表現(xiàn)為正常顏色，受電弓其他完好的零部件正常顯示并且稍微虛化，然后將牽引控制系統(tǒng)中其他部件虛化程度更高一些，以此類推，還可以制作虛擬動畫展示拆裝檢修過程。

（2）車門控制系統(tǒng)虛擬檢修

車門控制系統(tǒng)為電控氣動門，主要包括門扇、驅(qū)動裝置、門控器等，驅(qū)動裝置又包括絲杠、導軌、連接器等。主要故障表現(xiàn)為電控制部件失效、氣動控制部件損壞及傳動機構(gòu)機械疲勞等，其中車門控制繼電器、短行程風缸、中央控制閥及行程開關(guān)故障占電控氣動門故障的主要部分，這些零部件是檢修的重中之重。在VR技術(shù)中檢修其中一種部件的時候，出現(xiàn)故障的零部件以有特殊的形式表現(xiàn)，例如鮮亮的顏色，特殊的文字標注等，也可以把故障部件的故障模型在VR中展現(xiàn)。

（3）軌道電路虛擬檢修實驗

軌道電路虛擬檢修主要是根據(jù)輸入的電路圖的連接關(guān)系生成邏輯文件，再利用邏輯文件生成邏輯回路；當電路虛擬仿真+.運行時根據(jù)設計人員或培訓人員設置的各種工況或故障狀態(tài),用顏色、位置、形狀等信息動態(tài)地刷新顯示列車電路中各種器件的得電及動作、導線的電信號流向,并配之以聲音、文字等說明,使列車電路原理形象、直觀地顯示出來。

3 教學效果分析

利用VR虛擬技術(shù)進行教學仿真，擺脫了現(xiàn)階段那種眾多學生圍在一起看教師操作的模式，也擺脫了固定時間固定地點聽老師侃侃而談的模式，借助于相關(guān)的電子設備，將教學內(nèi)容詳細直觀地展示給學員，學員隨時隨地可以自主學習。借助操作設備，學員隨時可以手動模擬現(xiàn)場故障診斷實踐操作，鞏固所學內(nèi)容，迅速地掌握故障診斷技巧。同時可以借助于教師的科研項目，以“項目驅(qū)動式”實踐教學模式[4]，開闊學生視野。

五 結(jié)語

本文以城市軌道交通車輛故障診斷診斷技術(shù)課程為例，探討了VR技術(shù)在專業(yè)課教學中的實踐教學方案。通過分析現(xiàn)有實踐教學中存在的問題，設計了相應的實踐教學內(nèi)容及方案。采用VR技術(shù)可以極大地降低教學成本，同時通過虛擬環(huán)境和接近真實的代入感，使學生充分感受到現(xiàn)場故障診斷的操作模式，有效地提升教學效果。