工程訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與教學(xué)應(yīng)用研究

摘" " 要：鐵道運(yùn)輸類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)通常包含認(rèn)知、操作、檢修等環(huán)節(jié)，但由于設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足、控制邏輯不直觀、故障難再現(xiàn)等問題，很難滿足能力培養(yǎng)要求。文章以受電弓調(diào)試實(shí)操為例，基于MCD（Mechatronics Concept Designer，機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)），通過實(shí)體建模、連接定義、驅(qū)動(dòng)施加、通訊設(shè)置等過程，實(shí)現(xiàn)受電弓檢修設(shè)備的孿生資源開發(fā)，完成虛實(shí)一體工程訓(xùn)練系統(tǒng)的搭建。這不僅對學(xué)生認(rèn)識(shí)受電弓、了解受電弓控制過程、掌握受電弓檢修技能具有較好的效果，而且對鐵道運(yùn)輸類專業(yè)開展實(shí)踐教學(xué)具有很好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；工程訓(xùn)練；鐵道運(yùn)輸；受電弓

中圖分類號(hào)：G640；TP391.9" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1002-4107（2024）08-0064-03

一、引言

職業(yè)教育的主要任務(wù)是培養(yǎng)技術(shù)技能型人才，因此，其更加注重實(shí)踐教學(xué)的開展。相比普通教育，職業(yè)教育存在高投入、高損耗、高風(fēng)險(xiǎn)及難實(shí)施、難觀摩、難再現(xiàn)的“三高三難”問題[1]。

虛擬仿真技術(shù)具有交互性、沉浸性、逼真性等特點(diǎn)，為常規(guī)教學(xué)提供了有力補(bǔ)充，有效解決了職業(yè)教育理論教學(xué)難觀摩、實(shí)驗(yàn)教學(xué)高投入等問題[2]，在高等教育的發(fā)展過程中，起到了重要的作用[3]。隨著職業(yè)教育虛擬仿真基地建設(shè)工作的開展，虛擬仿真技術(shù)也必將成為職業(yè)院校實(shí)踐教學(xué)的主要技術(shù)手段[4]。

二、鐵道運(yùn)輸類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀

鐵道運(yùn)輸類企業(yè)的需求崗位有乘務(wù)類、檢修類、工程施工類、車務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)類、通信信號(hào)類等，要求學(xué)生掌握的技能主要包括：鐵路路基、軌道、橋隧的施工與維護(hù)；接觸網(wǎng)檢修與施工、變配電所檢修與施工、電力線路檢修與安裝；鐵道機(jī)車駕駛、運(yùn)用、維保、整備及管理；鐵道車輛檢修與運(yùn)用；等等[5]。與能力培養(yǎng)相對應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)具有顯著的特點(diǎn)，且存在高投入、難實(shí)施等問題。

（一）主要特點(diǎn)

一方面，鐵道運(yùn)輸類專業(yè)實(shí)訓(xùn)設(shè)備具有體積大、危險(xiǎn)性高的特點(diǎn)。目前，鐵道運(yùn)輸類專業(yè)常規(guī)實(shí)訓(xùn)室包括機(jī)車駕駛、受電弓檢查與調(diào)試、制動(dòng)裝置檢修等，且大部分實(shí)訓(xùn)室都具有設(shè)備體積龐大或場景巨大等特點(diǎn)。例如，受電弓檢查與調(diào)試實(shí)訓(xùn)室，單臺(tái)實(shí)體設(shè)備占地約15平方米（包括輔助設(shè)備）；制動(dòng)裝置檢修實(shí)訓(xùn)室，單臺(tái)實(shí)體設(shè)備占地約30平方米（包括輔助設(shè)備）；機(jī)車駕駛實(shí)訓(xùn)室，單臺(tái)實(shí)體設(shè)備占地約30平方米（不包括駕駛場景）……而供電相關(guān)實(shí)訓(xùn)室不僅實(shí)訓(xùn)設(shè)備體積大，還具有高危險(xiǎn)性的特點(diǎn)。

另一方面，鐵道運(yùn)輸類專業(yè)實(shí)訓(xùn)設(shè)備還存在一定的技術(shù)壁壘。鐵道運(yùn)輸行業(yè)關(guān)系到國家安全和國民經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)運(yùn)行，對安全性和可靠性的要求較高。鐵道運(yùn)輸類設(shè)備需經(jīng)過多年的研發(fā)及現(xiàn)場測試，生產(chǎn)制造企業(yè)也需擁有雄厚技術(shù)實(shí)力和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，這使得行業(yè)存在較高的技術(shù)壁壘。此外，嚴(yán)格的行政許可和認(rèn)證制度，也使得行業(yè)形成較高的資質(zhì)壁壘。技術(shù)壁壘和資質(zhì)壁壘帶來的技術(shù)封閉，使得相關(guān)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、制造成本較高，價(jià)格昂貴。

基于以上原因，鐵道運(yùn)輸類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)具有原理性強(qiáng)、綜合能力要求高的特點(diǎn)。鐵道運(yùn)輸類專業(yè)大部分實(shí)訓(xùn)設(shè)備看起來較為簡單，但大部分實(shí)踐教學(xué)需結(jié)合規(guī)章、規(guī)則開展，并不是簡單的動(dòng)手能力訓(xùn)練，而是要做到“口到、眼到、手到、心到”，要求學(xué)生反復(fù)實(shí)操練習(xí)。

（二）存在的問題

開設(shè)鐵道運(yùn)輸類專業(yè)的院校依據(jù)崗位能力要求，開展實(shí)訓(xùn)室建設(shè)。雖然實(shí)踐教學(xué)體系較為完整，但由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備尺寸大、價(jià)格昂貴等特點(diǎn)，實(shí)踐教學(xué)出現(xiàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足、交互層次低、型號(hào)老舊等問題。

臺(tái)套數(shù)不足主要表現(xiàn)為實(shí)訓(xùn)設(shè)備少，學(xué)生獨(dú)立操作、訓(xùn)練的機(jī)會(huì)較少，無法有效支撐實(shí)踐教學(xué)開展。如某知名鐵道運(yùn)輸類院校的受電弓檢查與調(diào)試實(shí)訓(xùn)室只有一臺(tái)實(shí)體設(shè)備，因此，只能采用單組輪流的方式開展實(shí)踐教學(xué)，教學(xué)效率和教學(xué)效果無法得到有效保障。

交互層次低主要表現(xiàn)為在仿真教學(xué)環(huán)節(jié)中，采用人機(jī)交互的方式完成專業(yè)實(shí)訓(xùn)，如使用Pad（Portable android device，平板電腦）等手持終端，完成專業(yè)設(shè)備的調(diào)試等實(shí)踐環(huán)節(jié)，但在教學(xué)過程中，娛樂性高于專業(yè)性。

型號(hào)老舊主要表現(xiàn)在新型設(shè)備（如機(jī)車）投入使用方面。目前，鐵路部門對高職鐵道機(jī)車車輛專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了新的要求[6]，但由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備昂貴及場地等的限制，院校無法及時(shí)更新實(shí)訓(xùn)設(shè)備，跟不上能力需求的變化。

三、基于數(shù)字孿生的工程訓(xùn)練系統(tǒng)框架

為了解決臺(tái)套數(shù)不足、交互層次低、型號(hào)老舊等問題，文章以受電弓調(diào)試為例，以操作、調(diào)試、故障分析等能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以控制邏輯分析能力培養(yǎng)為拓展，構(gòu)建基于數(shù)字孿生的工程訓(xùn)練系統(tǒng)框架（圖1）。

工程訓(xùn)練系統(tǒng)由實(shí)訓(xùn)設(shè)備、孿生平臺(tái)、上位系統(tǒng)3部分組成，具體如下。實(shí)訓(xùn)設(shè)備由被控對象和控制裝置組成，是營造真實(shí)崗位場景、實(shí)現(xiàn)崗位能力無縫對接的必不可少的組成部分，用于實(shí)操、工程驗(yàn)證等教學(xué)環(huán)節(jié)；孿生平臺(tái)由孿生體、驅(qū)動(dòng)控制、通訊接口組成，其中，孿生體是實(shí)訓(xùn)設(shè)備的虛擬鏡像，利用建模技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，映射實(shí)訓(xùn)設(shè)備的工作狀態(tài)，而通訊接口的數(shù)據(jù)傳輸速度，決定了孿生體與實(shí)訓(xùn)設(shè)備的同步程度；上位系統(tǒng)由I/O（Input/Output）設(shè)備和可編程控制系統(tǒng)組成，其中，I/O設(shè)備用于孿生體、實(shí)訓(xùn)設(shè)備的模擬操作訓(xùn)練，可編程控制系統(tǒng)用于孿生體、實(shí)訓(xùn)設(shè)備的邏輯控制和調(diào)試分析。

基于工程訓(xùn)練系統(tǒng)，教師可完成實(shí)控虛、虛控虛的成班制教學(xué)，以及虛控實(shí)的結(jié)果驗(yàn)證，培養(yǎng)學(xué)生操作、調(diào)試、故障分析等能力，使系統(tǒng)交互層級(jí)達(dá)到混合現(xiàn)實(shí)級(jí)別。

四、孿生體搭建

受電弓孿生體基于MCD進(jìn)行搭建。MCD支持硬件在環(huán)調(diào)試，一方面，基于物理屬性的機(jī)構(gòu)仿真，可模擬機(jī)械零件和組件的運(yùn)動(dòng)行為，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的模擬和評估。另一方面，基于設(shè)計(jì)對象的數(shù)字化模型和開放式接口，可接入控制軟、硬件，實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣、軟件的協(xié)同設(shè)計(jì)和聯(lián)調(diào)。

孿生體搭建流程包括：實(shí)體建模、機(jī)電對象定義、運(yùn)動(dòng)副定義、約束定義、材料定義、耦合副定義、傳感器定義、執(zhí)行器定義、信號(hào)定義、信號(hào)連接等。部分流程如下。

（一）實(shí)體建模

實(shí)體實(shí)訓(xùn)設(shè)備，從結(jié)構(gòu)上可以分為：底架、下臂、拉桿、上臂、弓頭、滑板和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

使用拉伸、掃描、旋轉(zhuǎn)等模型特征，創(chuàng)建實(shí)訓(xùn)設(shè)備的虛擬鏡像，1∶1構(gòu)建受電弓孿生體模型，如圖2所示。

孿生體可應(yīng)用“爆炸圖”，展示受電弓組件、結(jié)構(gòu)拆裝過程，工作原理等。

（二）連接定義

連接定義包括機(jī)電對象、運(yùn)動(dòng)副、約束等定義。根據(jù)受電弓實(shí)訓(xùn)設(shè)備工作原理，底架、下臂、拉桿、上臂、弓頭、滑板和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分被定義為剛體，如需要增加碰撞檢測功能，還應(yīng)將相關(guān)部件定義為碰撞體。為確保孿生運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，定義底架、弓頭和滑板為固定副，定義上臂和底架、底架和弓頭為碰撞約束，定義底架和下臂、下臂和上臂、上臂和拉桿、上臂和弓頭為鉸鏈副，定義氣缸和活塞為柱面副，進(jìn)而完成各部件之間位置關(guān)系的定義。

（三）傳感器和執(zhí)行器定義

傳感器的作用是提取部件的運(yùn)動(dòng)特征，包括位置、速度、加速度等。執(zhí)行器的作用是為部件提供力矩、速度等驅(qū)動(dòng)信號(hào)。受電弓調(diào)試工程訓(xùn)練系統(tǒng)需要執(zhí)行升降弓操作，并檢測受電弓到位信息及升弓拉力等，定義氣缸與活塞之間柱面副驅(qū)動(dòng)力，弓頭位移、速度、加速度傳感器等，完成傳感器和執(zhí)行器定義。

（四）通訊設(shè)置

通訊設(shè)置是為了保持工程訓(xùn)練系統(tǒng)、實(shí)體實(shí)訓(xùn)設(shè)備、上位控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)互通。通訊設(shè)置包括信號(hào)定義、信號(hào)連接、服務(wù)器設(shè)置等流程。以氣路壓力控制和升弓控制為例，說明通訊設(shè)置流程。

氣路壓力控制通過調(diào)整氣泵壓力調(diào)節(jié)閥角度完成，屬于內(nèi)部信號(hào)，需定義孿生體調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器或通過鼠標(biāo)拖拽方式旋轉(zhuǎn)，同時(shí)定義調(diào)節(jié)閥和壓力表指針為齒輪耦合副，關(guān)聯(lián)調(diào)節(jié)閥角度和指針角度，聯(lián)動(dòng)效果如圖3所示。

升降弓控制通過HMI（Human Machine Interface，人機(jī)界面）的升降弓按鈕或控制裝置的升降弓旋鈕完成，屬于外部信號(hào)，需定義孿生體升降弓執(zhí)行器、升降弓信號(hào)、升降弓信號(hào)連接等。升降弓執(zhí)行器可通過添加速度控制執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)，如需進(jìn)行受電弓動(dòng)力學(xué)分析，可添加力/扭矩執(zhí)行器。升降弓信號(hào)定義時(shí)，選擇升降弓執(zhí)行器為連接對象，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制執(zhí)行器的效果。升降弓信號(hào)連接定義需通過信號(hào)映射完成。

五、數(shù)字孿生工程訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)建

（一）控制裝置

控制裝置依據(jù)受電弓的檢修與調(diào)試賽項(xiàng)搭建，主要由PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）、升降弓旋鈕和電磁閥組成。PLC搭載受電弓控制程序，是控制系統(tǒng)的核心；升降弓旋鈕是控制裝置的輸入元件，實(shí)現(xiàn)升降弓操作；電磁閥是控制系統(tǒng)的輸出元件，實(shí)現(xiàn)氣路的通斷控制。

（二）HMI

HMI搭建過程包括界面設(shè)計(jì)、變量定義、數(shù)據(jù)鏈接3個(gè)環(huán)節(jié)。界面設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，主要?jiǎng)?chuàng)建受電弓升、降控制按鈕，受電弓狀態(tài)指示燈，以及總風(fēng)壓、氣缸氣壓、工作氣壓指示儀表盤等圖形元件；變量定義環(huán)節(jié)，主要是對圖形元件的輸入、輸出狀態(tài)進(jìn)行變量定義和關(guān)聯(lián)；數(shù)據(jù)鏈接環(huán)節(jié)，主要是建立系統(tǒng)內(nèi)部變量之間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系，確保實(shí)訓(xùn)設(shè)備、孿生體、HMI數(shù)據(jù)一一映射，從而實(shí)現(xiàn)HMI的輸入、輸出能夠反映孿生體的動(dòng)作和實(shí)訓(xùn)設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)。

（三）信號(hào)連接

信號(hào)連接是數(shù)字孿生工程訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)同步的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器建立、映射控制裝置操作信號(hào)、映射上位系統(tǒng)HMI信號(hào)、連接孿生體執(zhí)行狀態(tài)信號(hào)?；贠PC（OLE for Process Control）服務(wù)器建立信號(hào)連接服務(wù)器，分別連接控制裝置和HMI。孿生體側(cè)，信號(hào)定義類型為OPC DA，服務(wù)器選擇基于OPC建立的服務(wù)器，并選擇對應(yīng)的內(nèi)部信號(hào)和外部信號(hào)，最后執(zhí)行映射。HMI側(cè)，定義變量類型為I/O，連接OPC服務(wù)器后，找到對應(yīng)的信號(hào)寄存器并設(shè)置讀寫屬性為讀寫。通過同樣的步驟，完成其他信號(hào)的連接。

六、數(shù)字孿生工程訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用

數(shù)字孿生工程訓(xùn)練系統(tǒng)包含實(shí)訓(xùn)設(shè)備、孿生平臺(tái)、上位系統(tǒng)3個(gè)部分。在教學(xué)過程中，教師采用虛實(shí)一體的教學(xué)場所，實(shí)訓(xùn)設(shè)備與上位機(jī)、孿生體分區(qū)域布置，并通過網(wǎng)絡(luò)連接到上位機(jī)、孿生體。上位機(jī)、孿生體共用PC

（Personal Computer）主機(jī)，分屏顯示，以增強(qiáng)操作的真實(shí)感。

教學(xué)過程可分解為結(jié)構(gòu)認(rèn)知、升降弓操作、控制原理分析、檢查與調(diào)試、故障分析等環(huán)節(jié)。其中，升降弓操作環(huán)節(jié)，可通過HMI控制按鈕或控制裝置旋鈕控制受電弓升降，通過虛擬氣泵旋鈕調(diào)節(jié)氣壓大??；控制原理分析環(huán)節(jié)，可通過修改PLC程序，使學(xué)生深入學(xué)習(xí)受電弓控制邏輯，為故障分析環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)；故障分析環(huán)節(jié)，可在孿生體、實(shí)訓(xùn)設(shè)備、PLC中設(shè)置常見故障。

通過教學(xué)實(shí)踐，數(shù)字孿生工程訓(xùn)練系統(tǒng)對學(xué)生認(rèn)識(shí)受電弓、了解受電弓控制過程、掌握受電弓控制和檢修技能具有較好的效果。

七、結(jié)束語

基于數(shù)字孿生技術(shù)搭建數(shù)字模型和實(shí)體控制器相結(jié)合的工程訓(xùn)練系統(tǒng)，解決了實(shí)踐教學(xué)中存在的設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足、控制邏輯不直觀、型號(hào)老舊、故障難再現(xiàn)等問題。教學(xué)實(shí)踐表明，數(shù)字孿生工程訓(xùn)練系統(tǒng)教學(xué)效果明顯優(yōu)于VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)）級(jí)別訓(xùn)練系統(tǒng)教學(xué)效果，且交互性好、真實(shí)感強(qiáng)，可維護(hù)、可擴(kuò)展，對鐵道運(yùn)輸類專業(yè)開展實(shí)踐教學(xué)有很好的借鑒意義。

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■ 編輯∕陳晶

收稿日期：2023-11-29" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 修回日期：2023-12-19

作者簡介：李剛，男，教授，研究方向?yàn)槁殬I(yè)教育、智能制造技術(shù)應(yīng)用；韓娜麗，女，講師，博士，研究方向?yàn)槁殬I(yè)教育、傳熱傳質(zhì)、建筑節(jié)能。

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳精品課程“城軌車輛電器”（2022jpkc005）；安徽省高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目“基于IPO的職教虛擬仿真基地績效評價(jià)研究”