虛實(shí)結(jié)合的道岔檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

路宏遙 石嶸

（上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620）

引言

近年來(lái)我國(guó)在軌道交通建設(shè)領(lǐng)域取得了巨大的成就，培養(yǎng)面向現(xiàn)代化的工程技術(shù)人才成為亟需解決的重要難題。道岔作為鐵路線路的交叉點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，輪軌接觸關(guān)系復(fù)雜，其服役狀態(tài)直接影響著列車(chē)運(yùn)行的安全。維修規(guī)程中關(guān)于道岔的檢測(cè)項(xiàng)目繁多且流程復(fù)雜，這對(duì)專(zhuān)業(yè)檢測(cè)技術(shù)人才的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐能力均提出了較高的要求[1]。

目前，道岔檢測(cè)技術(shù)的教學(xué)環(huán)節(jié)主要包括課程專(zhuān)業(yè)理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐操作兩個(gè)模塊。理論學(xué)習(xí)方面，學(xué)生在軌道工程等課程中對(duì)道岔結(jié)構(gòu)的組成與受力特征進(jìn)行學(xué)習(xí)，但普遍存在著對(duì)隱蔽性構(gòu)件與復(fù)雜檢測(cè)流程難以“具象化”認(rèn)知的問(wèn)題[2]。實(shí)踐操作方面，學(xué)生前往實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行道岔結(jié)構(gòu)細(xì)部認(rèn)知與檢測(cè)設(shè)備使用方面的學(xué)習(xí)，但實(shí)訓(xùn)基地可同時(shí)容納的人數(shù)與進(jìn)行實(shí)踐操作的時(shí)間受到限制，學(xué)生難以有效提升道岔檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐能力。為加強(qiáng)道岔結(jié)構(gòu)理論基礎(chǔ)和實(shí)踐操作能力的全面培養(yǎng)，提升學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的綜合能力，迫切需要開(kāi)展道岔檢測(cè)技術(shù)教學(xué)模式上的創(chuàng)新實(shí)踐[3]。

作為新形式的信息化工具，將BIM 技術(shù)可視化優(yōu)勢(shì)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合[4,5]，為鐵道工程專(zhuān)業(yè)數(shù)字化教學(xué)提供了一種全新的思路[6]。結(jié)合工務(wù)部門(mén)在道岔養(yǎng)護(hù)維修環(huán)節(jié)中所遇到的實(shí)際問(wèn)題與人才技能的培養(yǎng)需求，在教學(xué)環(huán)節(jié)中引入基于“BIM+VR”技術(shù)的道岔虛擬檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。應(yīng)用軟件對(duì)道岔結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化建模，根據(jù)道岔設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修的實(shí)際需求，基于Unity 等軟件搭建虛擬檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為我國(guó)軌道交通建設(shè)與維保輸送具有工程素養(yǎng)的應(yīng)用技術(shù)型人才。

1 虛實(shí)結(jié)合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c原理

1.1 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)目的

針對(duì)不同類(lèi)型的道岔特點(diǎn)制定相應(yīng)的檢測(cè)與維修規(guī)范，提高道岔結(jié)構(gòu)檢測(cè)精度與效率是保障列車(chē)安全運(yùn)行的重要前提[7]。傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生在完成道岔結(jié)構(gòu)理論學(xué)習(xí)后，通常前往實(shí)訓(xùn)基地或是施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀摩學(xué)習(xí)[8]。受到實(shí)訓(xùn)時(shí)間限制與安全管理的要求，難以滿足所有同學(xué)都能有充裕時(shí)間進(jìn)行實(shí)際操作，不利于學(xué)生理論知識(shí)的鞏固與實(shí)踐技能的提高。針對(duì)現(xiàn)階段教學(xué)模式上存在的弊端，需要以行業(yè)實(shí)際需求為導(dǎo)向，在理論教學(xué)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和校外實(shí)踐等環(huán)節(jié)的教學(xué)方法與實(shí)現(xiàn)手段方面進(jìn)行全方位改革[9,10]。

虛擬檢測(cè)技術(shù)具有不受時(shí)間與空間限制的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)開(kāi)設(shè)虛實(shí)結(jié)合的道岔檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)可有效解決以往教學(xué)環(huán)節(jié)中未能將充分理論知識(shí)與實(shí)踐操作結(jié)合起來(lái)的問(wèn)題。以鞏固理論知識(shí)和加強(qiáng)實(shí)踐能力為目標(biāo)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入道岔結(jié)構(gòu)檢測(cè)教學(xué)中[11]，學(xué)生通過(guò)交互設(shè)備在校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室中可進(jìn)行道岔虛擬檢測(cè)全過(guò)程的模擬，各專(zhuān)業(yè)學(xué)生隨時(shí)隨地了解道岔的復(fù)雜性組成與隱蔽性構(gòu)件。三維可視化教學(xué)手段的引入，既解決了理論學(xué)習(xí)時(shí)資料利用率低的問(wèn)題，又為后續(xù)前往實(shí)訓(xùn)基地開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐操作提前做好檢測(cè)技能方面的鋪墊，如圖1 所示。

圖1 BIM+VR 技術(shù)應(yīng)用于道岔檢測(cè)教學(xué)

1.2 虛擬檢測(cè)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)原理

建筑信息模型（BIM）技術(shù)的核心在于信息化集成，以各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)可創(chuàng)建結(jié)構(gòu)三維可視化模型與應(yīng)用場(chǎng)景[12]。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)通過(guò)營(yíng)造一個(gè)將視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)融于一體的虛擬環(huán)境，依靠專(zhuān)用的顯示頭盔和操作手柄等交互設(shè)備，對(duì)自身所處的虛擬三維場(chǎng)景可進(jìn)行交互操作[13]。

BIM+VR 技術(shù)的應(yīng)用可有效解決道岔檢測(cè)教學(xué)環(huán)節(jié)中“現(xiàn)場(chǎng)模擬困難”的問(wèn)題，同時(shí)能夠有效促進(jìn)教學(xué)資源的統(tǒng)籌、規(guī)劃與整合。以BIM 技術(shù)為載體融合道岔不同構(gòu)件的信息，依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在沉浸性和交互性等方面的優(yōu)勢(shì)，可在教學(xué)中引入并開(kāi)發(fā)道岔虛擬檢測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中沉浸式漫游，開(kāi)展道岔隱蔽性結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵傳力構(gòu)件細(xì)部三維可視化認(rèn)知學(xué)習(xí)。通過(guò)顯示頭盔和操作手柄實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，按照養(yǎng)護(hù)維修規(guī)程的要點(diǎn)在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)步驟和流程的操作模擬，實(shí)現(xiàn)道岔檢測(cè)理論由淺而深的學(xué)習(xí)，逐步增加對(duì)道岔養(yǎng)護(hù)維修關(guān)鍵技術(shù)的理解。

2 虛實(shí)結(jié)合道岔檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 道岔三維可視化建模

選用Revit 軟件作為主要的三維建模工具，分別建立不同號(hào)碼的道岔與所需的巡檢設(shè)備工具。結(jié)合道岔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和檢測(cè)工具的差異性，分別構(gòu)建自定義族并精確進(jìn)行參數(shù)設(shè)置?；灸Ｐ蛶?kù)建立完成后，為進(jìn)一步完善模型信息化的屬性，除了模型的幾何信息以外，非幾何信息可依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行添加，主要包括使用部門(mén)、維護(hù)單位和設(shè)備編號(hào)等關(guān)鍵參數(shù)，滿足不同專(zhuān)業(yè)、不同階段之間的協(xié)同檢測(cè)需求，結(jié)合設(shè)計(jì)資料所建立的細(xì)部構(gòu)件和道岔整體模型如圖2（a）～（e）所示。

2.2 道岔虛擬檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)

將道岔結(jié)構(gòu)三維模型進(jìn)行優(yōu)化處理，并使用著色器、材質(zhì)球等工具對(duì)模型進(jìn)行渲染，可以創(chuàng)建逼真的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境渲染效果。充分考慮實(shí)際中可能存在的各種檢測(cè)條件與場(chǎng)景，通過(guò)設(shè)置天空盒參數(shù)信息來(lái)調(diào)整光照、云層等自然信息，選擇合適的材質(zhì)球定義軌道交通現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施設(shè)備的顏色和反射等屬性。將BIM 模型載入到Unity 工程文件時(shí)，要對(duì)模型進(jìn)行檢查，使用編輯工具來(lái)矯正和修復(fù)模型在導(dǎo)入過(guò)程中可能出現(xiàn)的模型損失或變形等問(wèn)題。調(diào)用Steam VR 等相關(guān)插件，搭建符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的道岔檢測(cè)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，如圖3 所示。根據(jù)養(yǎng)護(hù)維修規(guī)程要求使用C#編寫(xiě)交互腳本，開(kāi)發(fā)所需的人機(jī)交互功能，通過(guò)空間位移、頭部運(yùn)動(dòng)和手柄控制等操作實(shí)現(xiàn)道岔結(jié)構(gòu)認(rèn)知與檢測(cè)仿真等相關(guān)內(nèi)容。

圖3 道岔虛擬檢測(cè)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

以道岔區(qū)域的軌距虛擬檢測(cè)為例，需根據(jù)道岔養(yǎng)護(hù)維修的要求，預(yù)先設(shè)置所需測(cè)量軌距的位置的坐標(biāo)位置Ai=（Xi，Yi，Zi），i代表需要檢測(cè)的位置的數(shù)量。在FixedUpdate 函數(shù)中記錄軌檢尺的位置A0=（X0，Y0，Z0），當(dāng)操作者手持軌距尺接近預(yù)定的檢測(cè)位置時(shí)，軌距尺將自動(dòng)移動(dòng)到指定位置，彈出軌距測(cè)量信息[14]。學(xué)生需根據(jù)規(guī)范要求，判斷所測(cè)量位置處的軌距是否滿足道岔靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值要求，并依次進(jìn)行下一待檢測(cè)位置的軌距測(cè)量，虛擬檢測(cè)交互的算法邏輯如圖4 所示。

圖4 道岔虛擬檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)流程

2.3 道岔虛擬檢測(cè)功能設(shè)計(jì)

道岔結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的病害主要包含道岔軌距與水平不良等問(wèn)題，在日常養(yǎng)護(hù)維修中，選用合適的檢測(cè)設(shè)備對(duì)道岔進(jìn)行全面檢測(cè)并記錄數(shù)據(jù)，分析檢測(cè)結(jié)果是否存在超限情況，依此制定合理的維修計(jì)劃和整治措施。結(jié)合已開(kāi)設(shè)的軌道檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)、線路工程實(shí)習(xí)等實(shí)踐課程情況與工程所需的實(shí)踐技能要求，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行功能與模塊設(shè)計(jì)，如圖5 所示。

圖5 虛擬檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

虛擬檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的引入彌補(bǔ)了道岔隱蔽性構(gòu)件在理論教學(xué)方面難以生動(dòng)展開(kāi)講解的不足，學(xué)生使用交互裝置實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的拾取和旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行多角度、全方位認(rèn)知學(xué)習(xí)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的細(xì)部組成和連接構(gòu)件的受力與傳力特征。同時(shí)，不受時(shí)間與空間的限制，學(xué)生在前往現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)前通過(guò)虛擬檢測(cè)進(jìn)行提前學(xué)習(xí)，了解道岔檢測(cè)設(shè)備的使用方法與校準(zhǔn)原則，調(diào)用軌距尺等工具對(duì)道岔不同位置的水平與軌距等參數(shù)進(jìn)行虛擬檢測(cè)，并學(xué)會(huì)利用檢測(cè)數(shù)據(jù)制定出合理的維修計(jì)劃，依照規(guī)范對(duì)道岔服役狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，如圖6（a）～（b）所示。

圖6 復(fù)雜構(gòu)件認(rèn)知與狀態(tài)評(píng)價(jià)

3 虛實(shí)結(jié)合的道岔檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

基于“BIM+VR”技術(shù)構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的道岔檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)，將復(fù)雜的檢測(cè)過(guò)程在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行模擬，增加了教學(xué)環(huán)節(jié)的直觀性與互動(dòng)性，一方面結(jié)合工程所需有針對(duì)性地提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程思維，另一方面有效地推動(dòng)現(xiàn)有教學(xué)模式系統(tǒng)性的全面創(chuàng)新。

3.1 道岔虛擬檢測(cè)平臺(tái)應(yīng)用

在道岔可視化認(rèn)知模塊中，學(xué)生在虛擬軌道環(huán)境中自由漫游，通過(guò)交互設(shè)備調(diào)整控制視角，直觀學(xué)習(xí)道岔的整體組成與細(xì)部結(jié)構(gòu)。通過(guò)拖拽細(xì)部模型實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵構(gòu)件的分解與裝配，熟悉隱蔽性構(gòu)件的連接關(guān)系。在道岔檢測(cè)作業(yè)模擬模塊，通過(guò)拾取軌距尺與塞尺等工具，結(jié)合理論課程所學(xué)，掌握道岔檢測(cè)所需的工器具使用方法和數(shù)據(jù)處理思路，完成道岔檢測(cè)作業(yè)全過(guò)程的模擬操作。對(duì)于理論課程中未能充分理解的難點(diǎn)，學(xué)生可以通過(guò)圖文說(shuō)明和動(dòng)態(tài)演示多維度分解學(xué)習(xí)，如圖7 所示。每組虛擬檢測(cè)實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生需提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告并對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)和虛擬操作效果進(jìn)行評(píng)價(jià)與反饋，這將作為道岔虛擬檢測(cè)模塊功能進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與完善的重要參考。

圖7 道岔關(guān)鍵構(gòu)件多維度學(xué)習(xí)

3.2 立體化教學(xué)方法實(shí)現(xiàn)

虛實(shí)結(jié)合的道岔檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)采用理論學(xué)習(xí)、虛擬檢測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)相結(jié)合的立體化教學(xué)方式，讓學(xué)生以最直觀的方式參與到工程實(shí)踐中，由淺入深地提高專(zhuān)業(yè)水平，如圖8 所示。

圖8 立體化教學(xué)方法

（1）理論學(xué)習(xí)

在傳統(tǒng)平面化的理論教學(xué)中增加了靈活多樣的虛擬教學(xué)手段，重點(diǎn)補(bǔ)充了道岔隱蔽性構(gòu)件的可視化認(rèn)知環(huán)節(jié)，學(xué)生通過(guò)觀察三維模型和沉浸式漫游等方式解決理論學(xué)習(xí)中的困惑，鞏固了道岔結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

（2）實(shí)踐操作

虛擬檢測(cè)環(huán)節(jié)的引入有效解決了專(zhuān)業(yè)實(shí)踐場(chǎng)地與時(shí)間受限的問(wèn)題。通過(guò)虛擬檢測(cè)平臺(tái)學(xué)生對(duì)道岔養(yǎng)護(hù)維修關(guān)鍵流程進(jìn)行全過(guò)程進(jìn)行模擬，應(yīng)用理論所學(xué)準(zhǔn)確分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，為后續(xù)進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)做好準(zhǔn)備，提升了運(yùn)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與參考資料解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

3.3 推進(jìn)教學(xué)模式改革

以鞏固道岔檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的認(rèn)知和提高學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力為目標(biāo)，虛實(shí)結(jié)合的道岔檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)有效促進(jìn)了學(xué)科間的交流，并積極推進(jìn)了教學(xué)模式的改革。

（1）教學(xué)方法靈活設(shè)計(jì)

在教學(xué)方法上力求創(chuàng)新，可進(jìn)行更為靈活的教學(xué)方案設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)模式中學(xué)生僅通過(guò)閱讀紙質(zhì)教材或電子文件的單一化學(xué)習(xí)方法。學(xué)生可直接應(yīng)用建模工具構(gòu)建各類(lèi)軌道設(shè)施（如道岔、軌枕、鋼軌等）的三維可視化模型，并進(jìn)行虛擬檢測(cè)全過(guò)程的沉浸式學(xué)習(xí)，提高了專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的效率。

（2）教學(xué)模式多元?jiǎng)?chuàng)新

“BIM+VR”技術(shù)在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，有效解決了道岔檢測(cè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中時(shí)間與空間受到限制的問(wèn)題，緩解了實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地統(tǒng)籌規(guī)劃和設(shè)備資源整合的難題，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)成本最小化，教學(xué)效果最大化，并為相關(guān)課程提供了多元化教學(xué)模式的思路。

（3）教學(xué)資源開(kāi)放共享

虛實(shí)結(jié)合的道岔檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施極大豐富了課程的教學(xué)內(nèi)容和手段，可同步利用已設(shè)計(jì)的道岔虛擬平臺(tái)開(kāi)展軌道交通多專(zhuān)業(yè)聯(lián)檢的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并為大學(xué)生進(jìn)行科技創(chuàng)新活動(dòng)提供了平臺(tái)支撐。

4 結(jié)論

結(jié)合軌道交通創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，虛實(shí)結(jié)合的道岔檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以立體化的方式將理論學(xué)習(xí)、虛擬檢測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)有機(jī)結(jié)合，為專(zhuān)業(yè)學(xué)生培養(yǎng)提供了沉浸式互動(dòng)學(xué)習(xí)的新模式。結(jié)合道岔結(jié)構(gòu)檢測(cè)的關(guān)鍵性問(wèn)題，學(xué)生有針對(duì)性地開(kāi)展課程學(xué)習(xí)與專(zhuān)業(yè)實(shí)踐，有效提升了自我學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐的綜合能力。