地鐵塞拉門虛擬仿真實訓系統(tǒng)的開發(fā)與實踐

張光建 張麗珠 王保民

天津職業(yè)技術師范大學 天津 300222

1 概述

中國城市軌道交通的發(fā)展方興未艾，截止到2022年6月30日，中國內(nèi)地共有51個城市投運城市軌道交通線路9573.65千米。如此龐大的公里數(shù)，需要大量的人才服務于城市軌道交通企業(yè)。地鐵車輛的日常檢修維護，是地鐵車輛段一項必不可少的重要工作，為了保障地鐵車輛檢修技能人才的持續(xù)性發(fā)展，給職業(yè)院校城市軌道交通車輛應用技術專業(yè)的培養(yǎng)帶來了挑戰(zhàn)。在專業(yè)教學過程中，為了加強學生的動手技能，考慮教學資源的局限性，建設虛擬仿真實訓平臺顯得迫不及待。教育部印發(fā)的《2017年教育信息化工作要點》中就指出“遴選一批典型虛擬仿真實驗項目，開展虛擬仿真實驗共享平臺建設”[1]。因此在高校中尤其城市軌道交通專業(yè)，因其設備的昂貴性和龐大的體積，建設虛擬仿真實訓平臺的需求更是尤為迫切。

在地鐵車輛領域內(nèi)，地鐵每天都要進行長時間的運營，大規(guī)模的載客，因此地鐵完成每日的正線運行后，都要下線進入車輛段基地進行預防性檢修。預防性維修是按地鐵車輛的運行里程數(shù)或者運行時間，對列車進行不同等級的周期性的檢修，一般分為日檢、周檢、月檢、定修(列車運行一年或者十萬千米)、架修(列車運行五年或者五十萬千米)、大修(列車運行十年或者一百萬千米)，共6級修程。在車輛所有的零部件中，客室車門是乘客直接接觸的部件，關系到乘客的人身安全問題，由于列車的車門數(shù)量多(A型車單節(jié)10組客室車門，B型車單節(jié)8組客室車門)，開關動作比較頻繁，也是車輛部件發(fā)生故障最多的部件，同時也是遭到乘客投訴最多的部件，客室車門實訓教學也是非常重要的一項教學環(huán)節(jié)。因此，開發(fā)塞拉門(客室門)虛擬仿真實訓系統(tǒng)，并應用于實際教學中是必然趨勢。

2 塞拉門虛擬仿真實訓系統(tǒng)構架

結合基于工作過程[2]的實訓教學理念，為將理論和實踐有機統(tǒng)一，既能吃透理論教學中模棱兩可的概念，又能在實踐中體現(xiàn)應用能力的培養(yǎng)[3]，對地鐵塞拉門虛擬仿真實訓系統(tǒng)做如下構架設計，如圖1所示。

(1)客室塞拉門結構原理。該實訓教學板塊包括客室車門的整體概述、客室門機械結構和客室門傳動原理三個子系統(tǒng)。整體概述子系統(tǒng)包含車門形式及結構，主要有內(nèi)參嵌入式車門、外掛式車門和塞拉門的介紹內(nèi)容。機械結構子系統(tǒng)包含塞拉門的門傳動系統(tǒng)、門板、上下滑道等[4]。傳動原理包括開門動作、關門動作、車門隔離和緊急操作的動作原理。

(2)客室塞拉門拆除教學。該實訓教學板塊主要包括塞拉門的拆除實訓。包含拆卸門板、拆卸線纜、拆卸門機系統(tǒng)等，并含有拆裝塞拉門的工作要領等。

(3)客室塞拉門安裝教學。該實訓教學板塊主要包括塞拉門的安裝實訓。包含安裝傳動系統(tǒng)、門板、線纜、鏈條等實訓步驟，并含有安裝塞拉門的動作要領等。

(4)客室塞拉門檢查實訓。該實訓教學板塊主要包含對門傳動機構的檢查，門葉的檢查、上下滑道的大檢查實訓等。

(5)客室塞拉門檢修維護。該實訓教學板塊主要包含地鐵塞拉門的日檢、月檢、定修、架修和大修等實訓任務，并含有一些檢修前的準備工作規(guī)程。

(6)拓展環(huán)節(jié)以及其他。該實訓教學板塊包括塞拉門系統(tǒng)的電路認知和解讀，可供了解塞拉門的控制電路原理。

圖1 塞拉門虛擬仿真實訓系統(tǒng)

3 塞拉門虛擬仿真實訓系統(tǒng)開發(fā)

3.1 塞拉門三維模型設計

設計好以上實訓系統(tǒng)構架后，開始搭建地鐵塞拉門虛擬仿真實訓系統(tǒng)平臺。使用計算機三維建模軟件設計塞拉門模型，模型來源于南京康尼生產(chǎn)的地鐵塞拉門系統(tǒng)。確定好各項技術參數(shù)后，對塞拉門系統(tǒng)的主要零部件三維模型進行設計，包括門機架、電機、聯(lián)軸節(jié)、滾珠絲杠機構、H型傳動架、攜門架、上下滑道、下擺臂、門板、門控器、接線排等。設計好各個零部件的三維模型后，對模型進行組裝，成為完整的地鐵塞拉門三維模型，如下圖2所示。

圖2 組裝后的塞拉門三維模型

在零部件3D模型組裝過程中，最關鍵的步驟是約束的創(chuàng)建。攜門架套筒與長導柱之間的同心圓約束，要注意在此基礎上，還應該要與掛架下方孔進行同心圓約束。上滑道與攜門架滾輪之間的路徑連接，是最復雜的一項約束，需要確定好正確的模型位置，路徑保持開環(huán)狀態(tài)。

3.2 塞拉門實訓系統(tǒng)搭建

采用DataMesh數(shù)字孿生平臺對所創(chuàng)建的塞拉門三維模型進行編輯創(chuàng)作，此時的3D塞拉門模型需要轉換成.stl格式的文件導入該平臺，在內(nèi)容編輯Studio平臺進行內(nèi)容創(chuàng)作，在內(nèi)容播放端One進行劇本的展示。整個創(chuàng)作過程如下框架圖3所示。

圖3 塞拉門虛擬仿真實訓平臺編輯過程

學生下載DataMesh One播放平臺后，既可以通過手機觀看，又可以使用個人電腦進行觀看，不受場所的限制，無論是集中授課，還是課后復習，都充分顯示了該實訓平臺的優(yōu)越性。

4 教學實踐

塞拉門虛擬仿真實訓平臺建設好后，要服務于教學。在實訓教學環(huán)節(jié)中，該平臺可開發(fā)不低于三十學時的實訓課程，對應著實訓板塊，可進行六個實訓板塊的學習。在實訓過程中，基于職業(yè)教育的培養(yǎng)人才屬性，采用工程實踐創(chuàng)新項目教學方法，即EPIP(Engineering Practice Innovation Project)教學模式。EPIP教學模式以實際工程為背景，以工程實踐為導向，以能力培養(yǎng)為目標，以工程項目為統(tǒng)領[5]，整體教學模式構架如下圖4所示。

圖4 教學實踐過程中EPIP教學模式應用

(1)工程化。地鐵塞拉門的檢修實訓項目來自真實地鐵車輛段的檢修工作。塞拉門虛擬仿真實訓過程中，學生需要從實際工程需要著手，查詢討論真實塞拉門的檢修內(nèi)容，分析塞拉門檢修過程中的工藝規(guī)程，并調(diào)研分析真實工作過程中的技術核心要素。塞拉門的拆除和安裝工作，是塞拉門檢修工作必不可少的工作流程?；谡鎸嵐こ?，學生在虛擬仿真平臺可進行基于工作過程的塞拉門的拆除和安裝工作。對門傳動機構的拆除和安裝，門板的拆除和安裝，鏈條的拆除和安裝，在虛擬仿真平臺中，均可對這些實際工程中的檢修工作進行實踐。工程實踐過程中，檢修的工藝流程需要結合真實工作來具體體現(xiàn)，小組討論，凝練更加符合實際工程的檢修工藝，培養(yǎng)自己的學習能力和觀察能力。

(2)實踐性。基于真實工程背景的實訓項目，每一步的操作都是一個實踐過程，更是一個勞動過程。EPIP教學模式中要求知技協(xié)進、德技并修就體現(xiàn)在實踐性中[6]。學生學習車輛結構與原理理論知識后，利用塞拉門虛擬仿真實訓平臺進行實訓操作，塞拉門的檢修過程，是一個實踐的過程。列車運行2000千米，需要檢查油漆；運行12500千米時，需要控制車門燈開關；運行25000千米的時候，需要進行安全檢查，包括檢查緊急內(nèi)開門裝置功能，檢查緊急外開門裝置功能，檢查驅動單元上的扣緊裝置，檢查隔離鎖裝置，檢查故障物檢測系統(tǒng)等。在這些實踐與勞動的過程中，還要進行德育的融入，尤其是勞動教育所體現(xiàn)的勞動價值觀，讓學生在實踐過程中體驗自己的勞動成果，珍惜當今的幸福生活，達到立德樹人的目的。

(3)創(chuàng)新型。創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達的不竭動力。在塞拉門虛擬仿真實訓過程中，不僅要求學生掌握真實工程項目中的檢修操作流程，還要求學生在實際工作根據(jù)實際狀況不斷地進行創(chuàng)新，產(chǎn)生創(chuàng)新靈感并激發(fā)自己的創(chuàng)新意識。在做塞拉門障礙物檢測實驗過程中，如何優(yōu)化檢測系統(tǒng)程序，使得障礙物檢測更加精確，這就需要一定的創(chuàng)新意識來優(yōu)化車門系統(tǒng)的障礙物檢測程序，以防止夾人，對人身造成傷害。在塞拉門拆除和安裝實訓操作中，現(xiàn)有的工裝還是存在一定的缺陷，激發(fā)自己的創(chuàng)新靈感，改善工裝結構和工藝，為塞拉門的檢修工作帶來了更大的便利。對于塞拉門的電氣控制回路，激發(fā)創(chuàng)新意識，改善回路上的一些電器元件或者尋找更優(yōu)的電氣元部件，使得地鐵塞拉門的控制回路和監(jiān)視回路發(fā)揮更可靠的功能。

(4)項目式。在教學過程中，每一次實訓都制訂一個項目，體現(xiàn)實訓操作的完整性。在授課過程中采用項目式教學，分為選定項目、制訂計劃、項目探究、項目實施和交流評價等5個步驟。項目的選定分別為塞拉門虛擬仿真實訓系統(tǒng)的六個實訓項目。制訂計劃過程中，學生要根據(jù)規(guī)程文件利用甘特圖制定自己小組內(nèi)的工作流程，教師進行審核計劃流程。項目探究過程中，學生根據(jù)自己組內(nèi)制訂的檢修計劃進行項目的論證，教師要進行引導學生塞拉門突發(fā)性的一些故障。項目實施過程是最重要的過程，是學生自己實踐和勞動的工作過程，教師此階段要有的放矢地進行引導，解決學生操作過程中的突發(fā)狀況。交流評價過程中，學生組內(nèi)制作PPT、組內(nèi)評價、組別互評、教師進行綜合評價。在項目教學過程中，潛移默化地讓學生懂得了團結合作共同進步的重要性。

結語

在地鐵塞拉門虛擬仿真實訓系統(tǒng)開發(fā)與實踐過程中，對客室塞拉門進行計算機的三維建模，先對眾多的零部件包括門機架、電機、聯(lián)軸節(jié)、滾珠絲杠機構、H型傳動架、攜門架、上下滑道、下擺臂、門板、門控器、接線排等進行建模，利用計算機3D軟件的組裝功能進行虛擬組裝并進行渲染，得到逼真的塞拉門仿真模型。轉換成.stl或者其他格式后，將其三維模型導入虛擬仿真內(nèi)容創(chuàng)作與協(xié)同平臺中進行編輯，得到具有實訓功能的劇本后，發(fā)布展示，得到塞拉門虛擬仿真實訓平臺。將實訓平臺應用到實際地鐵塞拉門實訓教學中，采用EPIP教學模式，以實際工程為背景，以工程實踐為導向，以能力培養(yǎng)為目標，以工程項目為統(tǒng)領，在實訓過程中體現(xiàn)得淋漓盡致。為一些相關院校開展類似的實訓教學提供一定的參考和借鑒作用。