車輛工程專業(yè)“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)與共享*

張嘉鷺 李曉鵬 馬軍 邢邦圣

摘? ?要：面向軌道交通領(lǐng)域的車輛工程專業(yè)實驗教學(xué)資源相對匱乏，且現(xiàn)有教學(xué)資源成本高、共享性差、不能遠程在線使用。江蘇師范大學(xué)依托軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，融合Web 3D技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)出動車組模擬駕駛、檢修維護、故障診斷、結(jié)構(gòu)裝配等虛擬仿真實驗教學(xué)資源，實現(xiàn)了車輛工程專業(yè)在線虛擬仿真教學(xué)資源的深度開發(fā)，建設(shè)了集虛擬實驗、創(chuàng)新設(shè)計、智能指導(dǎo)和教學(xué)管理于一體的網(wǎng)絡(luò)共享平臺;進一步加強了車輛工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)的內(nèi)涵建設(shè)，推動了實驗教學(xué)資源的在線開放與共享;取得了良好的應(yīng)用效果，可為相關(guān)高校虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：車輛工程;動車組;實驗教學(xué);虛擬仿真

中圖分類號：U266;G434 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）03-0032-04

一、引言

我國于2016年修訂了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，確定到2025年全國鐵路營業(yè)里程達到17萬公里，建設(shè)高速鐵路3.8萬公里以上，并在全國形成“四縱四橫”乃至“八縱八橫”的高速鐵路網(wǎng)。截至2018年12月31日，我國實際運營的鐵路里程已逾13.1萬公里，其中高速鐵路里程超過2.9萬公里，穩(wěn)居世界首位。[1]

高速鐵路的快速發(fā)展需要大量的專業(yè)技術(shù)人才，目前國內(nèi)已有100余所高校開設(shè)了面向軌道交通領(lǐng)域（動車組）的車輛工程專業(yè)。由于該專業(yè)實驗成本高、實驗耗時長等原因，針對其實驗教學(xué)資源的建設(shè)仍在探索之中，現(xiàn)階段的授課方式普遍依托理論教學(xué)，學(xué)生難以在短時間內(nèi)對動車組的結(jié)構(gòu)特征形成感官認(rèn)知，更難以掌握動車組復(fù)雜的運用方式、檢修工藝與設(shè)計方法。[2]因此，如何構(gòu)建實驗教學(xué)資源，進而提升實驗教學(xué)質(zhì)量，成為當(dāng)前車輛工程專業(yè)建設(shè)和發(fā)展過程中亟需解決的問題。

二、教學(xué)資源傳統(tǒng)建設(shè)方法

針對上述問題，諸多高校開展了車輛工程專業(yè)實驗教學(xué)資源建設(shè)的研究，并提出了一系列的解決辦法及建議，主要為以下三種：

1.研發(fā)實體教學(xué)模型

比較有代表性的是同濟大學(xué)研發(fā)的高鐵司機培訓(xùn)仿真平臺和西南交通大學(xué)研發(fā)的高速動車組模擬駕駛器。上述兩套實驗教學(xué)用列車駕駛臺尺寸與真車保持一致，按鍵、旋鈕等輔助設(shè)備均采用原廠配件，并通過圖形工作站構(gòu)建出高速動車組的運行場景，學(xué)生可以在身臨其境的感受中進行實驗，取得了較好的應(yīng)用效果。[3]但此類高仿真模型的研發(fā)成本動輒以百萬元計，且單臺設(shè)備同一時間內(nèi)受訓(xùn)學(xué)生的數(shù)量極為有限，因此未能得到廣泛推廣。[4]

2.開發(fā)實驗教學(xué)軟件

鑒于實體教學(xué)模型的高昂成本，近年來越來越多的高校將研究重點轉(zhuǎn)入虛擬仿真實驗教學(xué)軟件的開發(fā)。例如：2016年，北京交通大學(xué)針對動車組傳統(tǒng)培訓(xùn)方式不能實現(xiàn)全故障仿真的不足，基于分布式技術(shù)開發(fā)出一套高速動車組故障仿真訓(xùn)練軟件;[5]2017年，大連交通大學(xué)針對動車組轉(zhuǎn)向架多媒體信息系統(tǒng)需求，通過虛擬裝配技術(shù)對CRH5動車組轉(zhuǎn)向架的裝配過程進行虛擬仿真，使復(fù)雜的裝配關(guān)系得以清晰的表達。[6]但上述實驗教學(xué)軟件均基于C/S架構(gòu)開發(fā)，即僅能單機運行卻不能在線使用，因此，此類虛擬仿真教學(xué)資源的共享性受到局限。

3.建設(shè)校外實習(xí)基地

部分高校結(jié)合自身所處的地理位置，就近聯(lián)系動車段、機務(wù)段、供電段或高鐵車站等鐵路部門，積極進行校外實習(xí)實踐基地的建設(shè)。[7]以江蘇省內(nèi)高校為例，江蘇師范大學(xué)和南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院分別與徐州東動車運用所、南京動車段達成合作協(xié)議，車輛工程專業(yè)的學(xué)生可在上述單位進行生產(chǎn)實習(xí)或畢業(yè)實習(xí)。學(xué)生可通過跟班實習(xí)的方式了解動車組的結(jié)構(gòu)組成、駕駛流程和檢修工藝，但此類師徒傳授模式的教學(xué)效果難以保證，且在實操作業(yè)的過程中具有較強的危險性。[8]

綜上所述，通過研發(fā)實體教學(xué)模型、開發(fā)實驗教學(xué)軟件、建設(shè)校外實習(xí)基地的途徑，可在一定程度上緩解現(xiàn)階段實驗教學(xué)資源不足的問題，但以上方法分別存在成本高、共享性差、危險性強的缺點，車輛工程專業(yè)實驗教學(xué)資源相對匱乏的困境并未得到根本性改善。

三、“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真資源的建設(shè)意義

建設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車輛工程專業(yè)虛擬仿真教學(xué)資源并在線開放，可有效推進現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)，進而拓展實驗教學(xué)的廣度和深度、延伸實驗教學(xué)的時間和空間，對改進現(xiàn)有實驗教學(xué)方法具有較大意義。[9-11]具體體現(xiàn)在以下三個方面：

1.降低了實驗教學(xué)成本

如前文所述，面向軌道交通領(lǐng)域的車輛工程專業(yè)實體實驗設(shè)備極為昂貴，且安裝、維護過程煩瑣。而參照高精度工程圖紙建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)資源，可有效緩解實驗設(shè)備購置經(jīng)費短缺、實驗用房緊張等問題。[12]且實驗資源的更新?lián)Q代僅需在服務(wù)器中重新部署軟件即可，實驗教學(xué)成本可以得到顯著降低。[13]

2.優(yōu)化了實驗教學(xué)資源

基于B/S架構(gòu)建設(shè)的車輛工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)資源，可在根本上解決C/S架構(gòu)資源僅能單機使用的問題，所有實驗項目均可遠程在線學(xué)習(xí)、操作和考核，學(xué)生不必受制于實驗設(shè)備、實驗時間和實驗分組等，借助計算機和互聯(lián)網(wǎng)即可完成實驗。學(xué)習(xí)者還可借助網(wǎng)絡(luò)共享平臺實現(xiàn)復(fù)雜困難實驗的異地分布式多人協(xié)同作業(yè)，達到了實驗教學(xué)資源優(yōu)化與開放共享的目的。[14][15]

3.提高了實驗教學(xué)效果

動車組體積龐大，零部件數(shù)以萬計，若通過實體實驗設(shè)備進行教學(xué)，則存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)不易觀察、裝配關(guān)系難以理解、異常工況無法再現(xiàn)等問題，教學(xué)效果難以保證。而通過虛擬仿真技術(shù)建立的動車組交互式三維模型可輕松實現(xiàn)復(fù)雜設(shè)備透視化、裝配關(guān)系動態(tài)化，并通過參數(shù)變換功能可實現(xiàn)不可及、不可逆工況的模擬。[16]

四、建設(shè)內(nèi)容與共享機制

1.構(gòu)建“一心四環(huán)”的教學(xué)資源系統(tǒng)

實驗教學(xué)資源立足現(xiàn)代軌道車輛領(lǐng)域，采用數(shù)字虛擬仿真、人機交互等先進的教育信息化技術(shù)，以“車輛工程教學(xué)資源”為中心，構(gòu)建“模擬駕駛虛擬仿真”、“裝配訓(xùn)練虛擬仿真”、“檢修維護虛擬仿真”、“故障處理虛擬仿真”等四個方面的虛擬仿真教學(xué)資源，單個教學(xué)資源又可分為若干實驗項目，形成“一心四環(huán)”的實驗教學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示。

2.打造基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的共享機制

教學(xué)資源以Unity 3D為三維引擎，采用WebGL技術(shù)開發(fā)，突破了C/S架構(gòu)客戶端的限制，基于B/S架構(gòu)將虛擬仿真教學(xué)資源部署在安裝了SQL Server、Oracle等數(shù)據(jù)庫軟件的服務(wù)器上。用戶僅需安裝瀏覽器即可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問服務(wù)器內(nèi)的教學(xué)資源。由于所有客戶端均統(tǒng)一為Web瀏覽器，因此在無需安裝任何其他軟件的前提下即可進行虛擬仿真實驗，最大程度上實現(xiàn)資源共享的功能。網(wǎng)絡(luò)共享機制如圖2所示。

3.搭建“三位一體”的網(wǎng)絡(luò)共享平臺

依托江蘇師范大學(xué)軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心（下文簡稱“中心”），對現(xiàn)有虛擬仿真實驗教學(xué)項目加以整合和數(shù)據(jù)接入。依次建立針對學(xué)生的實驗教學(xué)平臺、針對企業(yè)職工的實踐培訓(xùn)平臺和針對教師的科研服務(wù)平臺。三個平臺功能聯(lián)動、相輔相成，形成一體化相互推動關(guān)系。同時，在門戶網(wǎng)站基礎(chǔ)上，優(yōu)化平臺技術(shù)體系，建立統(tǒng)一虛擬仿真實驗教學(xué)資源開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和平臺接口規(guī)范，實現(xiàn)管理平臺和實驗項目的無縫對接與互相支撐。網(wǎng)絡(luò)共享平臺架構(gòu)如圖3所示。

4.建立“優(yōu)化再生、持續(xù)提升”的管理體系

資源建設(shè)團隊建立了科學(xué)高效的共建共享運行機制，引入市場力量探索實驗項目運行模式，促進實驗教學(xué)資源優(yōu)化再生和持續(xù)提升，搭建科學(xué)的績效評價體系和完善的服務(wù)支撐體系。依托虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，對在線開放的“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真實驗教學(xué)項目實施星級動態(tài)評價制度，并考慮有償使用原則，最終建立“互補互利、成本均攤、服務(wù)有償、收益共享”的運行模式。[17]在主管部門的指導(dǎo)下，采取“統(tǒng)一管理、統(tǒng)籌規(guī)劃、資源共享、有效利用”的管理模式，實現(xiàn)車輛工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)資源的日常管理。運行與管理機制架構(gòu)如圖4所示。

五、建設(shè)成效

中心近三年來已開發(fā)車輛工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)軟件共計7套，圖紙、視頻等教學(xué)資源近2TB。限于篇幅，僅將部分虛擬仿真軟件羅列如下：

1.高鐵列車一級檢修教學(xué)系統(tǒng)

動車組一級檢修密切關(guān)系到高鐵列車的運行安全，檢修工藝尤為復(fù)雜。目前，中心已完成高鐵列車一級檢修虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)（該系統(tǒng)曾獲2018年度國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目立項），可在線實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容預(yù)習(xí)、教學(xué)課件查閱、交互式檢修訓(xùn)練與考核、實驗報告導(dǎo)出、成績管理等功能。檢修操作頁面如圖5所示。

2.動車組模擬駕駛教學(xué)系統(tǒng)

動車組模擬駕駛系統(tǒng)可以針對國內(nèi)主流車型（CRH380A/B型動車組）進行虛擬仿真駕駛訓(xùn)練。目前，中心已構(gòu)建出兩種車型登錄模塊、沿途車站及線路場景、司機室交互式虛擬仿真模型等，可模擬南京南站至杭州東站的動車組駕駛流程。模擬駕駛界面如圖6所示。

3.轉(zhuǎn)向架裝配訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)

針對動車組核心部件轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)組成、裝配順序，拆裝工藝進行了虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)（該系統(tǒng)曾獲2017年度國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目立項）。目前，可通過互聯(lián)網(wǎng)在Web網(wǎng)頁上進行轉(zhuǎn)向架虛擬裝配與檢修。該系統(tǒng)按照S1000D設(shè)計規(guī)范開發(fā)，主要包括系統(tǒng)功能區(qū)、導(dǎo)航區(qū)、主內(nèi)容顯示、圖表顯示區(qū)等。轉(zhuǎn)向架裝配界面如圖7所示。

中心所建設(shè)的車輛工程專業(yè)“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真實驗教學(xué)資源已提供給本校、周邊高校及鐵路企業(yè)使用。3年以來，已為江蘇師范大學(xué)培養(yǎng)畢業(yè)生800余人，為中國礦業(yè)大學(xué)、徐州工程學(xué)院、徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院、徐州交通技師學(xué)院等周邊高校培養(yǎng)學(xué)生600余人，為徐州車輛段、南京動車段、濟南動車運用所、徐州東動車運用所等鐵路部門培訓(xùn)職工500余人;已開出校內(nèi)實驗20000余人×?xí)r數(shù)，開出校外實驗30000余人×?xí)r數(shù)。通過對虛擬仿真資源的深入推廣，使在校學(xué)生及新入職員工的專業(yè)技能和解決實際問題的能力得到顯著提升，實現(xiàn)了虛擬仿真實訓(xùn)與工程實踐的無縫對接。

六、結(jié)語

面向軌道交通領(lǐng)域的車輛工程專業(yè)實驗教學(xué)資源相對匱乏，且現(xiàn)有教學(xué)資源成本高、共享性差、不能遠程在線使用。

江蘇師范大學(xué)軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心自主研發(fā)出動車組駕駛、檢修、排障、裝配等虛擬仿真實驗教學(xué)資源，并與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，實現(xiàn)了車輛工程專業(yè)在線虛擬仿真教學(xué)資源的深度開發(fā)，建設(shè)了集虛擬實驗、創(chuàng)新設(shè)計、智能指導(dǎo)和教學(xué)管理于一體的網(wǎng)絡(luò)共享平臺。進一步加強了車輛工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)的內(nèi)涵建設(shè)，推動了實驗教學(xué)資源的在線開放和共享，取得了良好的應(yīng)用效果，可為相關(guān)高校虛擬仿真實驗教學(xué)資源的開發(fā)與共享提供參考。

參考文獻：

[1]魏元玲，趙宏濤.高速鐵路旅客信息系統(tǒng)構(gòu)建研究[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2019，41（1）：75-79.

[2]劉秀清，葛文慶，焦學(xué)健等.國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與管理[J].實驗技術(shù)與管理，2018，35（11）：225-228，233.

[3]方振龍，李狀.城市軌道交通專業(yè)虛實結(jié)合的實踐教學(xué)資源研究——以長春市城市軌道交通OCC培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)為例[J].高教學(xué)刊，2017（16）：55-57.

[4]馬然，馬軍，周連佺等.現(xiàn)代軌道交通虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2017，34（10）：215-218.

[5]張耀方.CRH3型動車組故障仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[6]晁儲龍.CRH5動車組轉(zhuǎn)向架多媒體信息系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].大連：大連交通大學(xué)，2015.

[7]張嘉鷺，馬軍，邵明輝.動車組轉(zhuǎn)向架檢修工藝虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)[J].實驗室研究與探索，2018，37（5）：100-102，113.

[8]馬軍，喬磊，張嘉鷺等.高速動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)檢修虛擬仿真實驗的建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2018，35（5）：111-114，118.

[9]李雄，孫路遙.虛擬仿真教學(xué)的內(nèi)涵、設(shè)計及應(yīng)用[J].中國教育信息化，2019（6）：21-25.

[10]楊天鴻，張春明，于慶磊等.金屬礦山巖石力學(xué)與安全開采虛擬仿真教學(xué)實驗中心建設(shè)與教學(xué)實踐[J].教育教學(xué)論壇，2019（17）：140-145.

[11]吳光遠，林茂海，李效周.虛擬仿真教學(xué)在新工科專業(yè)人才培養(yǎng)中的實踐教學(xué)研究——以印刷工程專業(yè)為例[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（26）：138-140.

[12]朱安慶，胡安超.基于Unity 3D的船舶制造虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建[J].實驗室研究與探索，2018，37（6）：117-120.

[13]魏小于，肖莉，聶政.解剖學(xué)虛擬仿真教學(xué)平臺的構(gòu)建和應(yīng)用[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，2019，21（3）：229-231.

[14]蘇關(guān)東，張鵬，顧勛等.水電模擬實驗虛擬仿真教學(xué)平臺的設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2018，37（9）：105-109.

[15]劉亞豐，余龍江，盧群偉等.教育信息化背景下虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2018，16（2）：195-198.

[16]李平，高東鋒，徐進等.推動大學(xué)實驗教學(xué)資源的開放共享[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31（7）：1-5.

[17]祖強，魏永軍，熊宏齊.江蘇省高校虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺建設(shè)與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（5）：1-4，46.

（編輯：王天鵬）