基于VR技術(shù)的鐵路客車轉(zhuǎn)向架仿真實訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)

樊亞玲 馮巖 鄒俊俊等

摘 要：以鐵路客車典型轉(zhuǎn)向架為模型，采用現(xiàn)代化的虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)，對傳統(tǒng)鐵路客車轉(zhuǎn)向架進(jìn)行三維建模和VR仿真系統(tǒng)開發(fā)，使系統(tǒng)具有裝配、檢修及考核評價機制，通過實踐發(fā)現(xiàn)學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性明顯提高，采用VR仿真系統(tǒng)的實訓(xùn)成績比傳統(tǒng)實訓(xùn)成績高，學(xué)生的滿意度也明顯提高，此系統(tǒng)不但節(jié)省了實訓(xùn)成本，還提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);仿真實訓(xùn);客車轉(zhuǎn)向架;系統(tǒng)開發(fā)

0 引言

鐵路客車轉(zhuǎn)向架是城市軌道交通車輛的重要組成部分，也是城市軌道交通車輛中的關(guān)鍵部件，轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價較高，對于列車的安全運行起到非常重要的作用[1-2]。鐵路機車專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)好轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)拆裝及維護(hù)檢修是非常重要的，但在以往的實訓(xùn)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對轉(zhuǎn)向架的拆裝及檢修實訓(xùn)不重視，原因在于內(nèi)容枯燥，創(chuàng)新性不足 。虛擬現(xiàn)實是一種創(chuàng)造教育新模式，是未來教育的趨勢，采用VR技術(shù)把教學(xué)與實踐的距離大幅縮小，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中完成轉(zhuǎn)向架的裝配、檢修及考核評價，增加了學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)生興趣。

1 功能設(shè)計

針對鐵道車輛學(xué)生的創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)出發(fā)，以目前鐵路客車典型轉(zhuǎn)向架為模型，采用現(xiàn)代化的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對鐵路客車轉(zhuǎn)向架教學(xué)實訓(xùn)采用虛擬化實訓(xùn)，不但解決了實訓(xùn)設(shè)備不足限制，更重要的減少了實驗過程中對設(shè)備反復(fù)操作的磨損，降低維護(hù)成本，給學(xué)生提供了一種創(chuàng)新性的教學(xué)模式?；诜抡娼虒W(xué)的強操作性，系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：（1）教師可對鐵路客車轉(zhuǎn)向架進(jìn)行VR演示;（2）學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行零部件的拆裝;（3）對學(xué)生的操作具有良好的評價功能。

2 仿真系統(tǒng)研發(fā)

（1）裝配仿真系統(tǒng)開發(fā)。利用三維CAD設(shè)計軟件包括：3DMAX、Solidworks等建立一種鐵路客車常見車型轉(zhuǎn)向架的零部件和裝配模型，并且在建模的過程中采用參數(shù)建模的手段。參數(shù)化建模可以提供設(shè)計對象的附加信息，把參數(shù)和模型一起存儲，參數(shù)可以標(biāo)明不同模型的屬性。例如在一個“輪軸”中創(chuàng)建參數(shù)“材料”后，對于該模型的運動學(xué)和受力計算才能進(jìn)行。同時，參數(shù)化模型的使用周期長，維護(hù)簡單，通過變更參數(shù)的數(shù)值可以快速變更模型的形狀和大小。比如我們在設(shè)計25g型車車軸時引入“車軸長度”和“直徑”兩個參數(shù)，在進(jìn)行新車型設(shè)計時只需更改該參數(shù)的值即可快速的重新生成。有利于產(chǎn)品模型的更新設(shè)計。

（2）檢修仿真系統(tǒng)開發(fā)。學(xué)生不但要學(xué)習(xí)裝配的流程，還要對裝配環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行檢測及修配，在裝配完成后，還有對轉(zhuǎn)向架在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行檢修仿真。

由于裝配實訓(xùn)中的模型已帶有物理特性參數(shù)如材料、彈性模量等，在本環(huán)節(jié)中即可模擬零件的磨損、變形等情況，讓學(xué)生利用相應(yīng)的工量具進(jìn)行檢測，完成故障排查。通過調(diào)研鐵路局當(dāng)前使用的車輛檢修行業(yè)規(guī)范，建立故障檢修模塊，針對鐵路列車轉(zhuǎn)向架檢修規(guī)范中列出的主要故障建立故障數(shù)據(jù)庫，供學(xué)生操作訓(xùn)練。

（3）考核系統(tǒng)開發(fā)。當(dāng)學(xué)生完成檢修操作，系統(tǒng)記錄下學(xué)生完成故障處理的方法和處理時間，依據(jù)客車車輛檢修手冊的評判標(biāo)準(zhǔn)來給予科學(xué)評價?？偝煽冎校煽儾捎贸銮谡?0%，此部分由老師給定，實訓(xùn)報告占25%，由實習(xí)報告卷面成績?yōu)闇?zhǔn)，實訓(xùn)的正確操作及遇到問題時的解決方法占45%，此部分由計算機考核，計算機可以記錄每位學(xué)生的操作方法，和標(biāo)準(zhǔn)的操作流程就行對比，同時，對于學(xué)生操作中遇到的困難，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生解決困難的實踐進(jìn)行評價，實訓(xùn)中的創(chuàng)新性占20%，此部分由系統(tǒng)和老師進(jìn)行綜合評價。

3 實踐效果

隨機抽取車輛專業(yè)的4個班的學(xué)生和機電專業(yè)的2個班的學(xué)生為研究對象開設(shè)相應(yīng)的課程，對這6個班的學(xué)生實訓(xùn)課程進(jìn)行分類，其中車輛1701班、車輛1703班、機電1701班采用傳統(tǒng)實習(xí)，車輛1702班、車輛1704班、機電1702班采用基于VR的實訓(xùn)教學(xué)，在實訓(xùn)教學(xué)期間對學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性進(jìn)行統(tǒng)計，課后對學(xué)生的滿意度進(jìn)行問卷調(diào)查，成績采用出勤占10%，實訓(xùn)報告占25%，實訓(xùn)的正確操作及遇到問題時的解決方法占45%，實訓(xùn)中的創(chuàng)新性占20% 。

4 仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢

（1）使用周期長、維護(hù)方便。本系統(tǒng)利用參數(shù)化建模手段，產(chǎn)品的改型和優(yōu)化更方便、當(dāng)車型設(shè)計有改進(jìn)時可以通過修改參數(shù)的辦法快速重新設(shè)計，比之同類系統(tǒng)的使用周期更長，維護(hù)成本低。

（2）模擬效果更好，練習(xí)效果更優(yōu)。通過裝配和檢修兩大模塊演示轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)模擬檢修工作過程，模擬效果逼近真實工況，練習(xí)效果好。

（3）評價體系更科學(xué)。依據(jù)現(xiàn)行檢修操作規(guī)范，將操作時間、對工量具的使用等環(huán)節(jié)也計入評價體系，而非簡單的僅判斷學(xué)生操作的“對”與“錯”。

（4）經(jīng)濟(jì)性好。目前省內(nèi)尚無同類產(chǎn)品的研究開發(fā)，如能研究成功，可為高校實訓(xùn)教學(xué)和企業(yè)員工培訓(xùn)節(jié)省大量經(jīng)費。

5 結(jié)語

基于VR技術(shù)的鐵路客車轉(zhuǎn)向架實訓(xùn)軟件系統(tǒng)的開發(fā)，不但改進(jìn)了傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)中的落后的教學(xué)手段和枯燥的教學(xué)方法，通過實訓(xùn)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情高，積極性高，學(xué)生動手能力強，相應(yīng)的創(chuàng)新性也有所提高，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣非常濃，軟件的模擬效果較好，評價體系也更科學(xué)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，對學(xué)生的鐵路客車轉(zhuǎn)向架的實訓(xùn)教學(xué)效果提高明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]張偉.城市軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架虛擬仿真實訓(xùn)技術(shù)的研究[J]. 信息與電腦（理論版），2017（16）：65-66.

[2]米小珍，梁樹林，兆文忠等.面向檢修的CRH3動車組轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)[J].鐵道機車車輛，2010，30（01）：32-36.