城市轨道交通车辆结构装配虚拟仿真实验教学

陈兆玮 邓涛 梁栋

摘 要：近年来，我国城市轨道交通得到了飞速的发展，为了更好适应各大中型城市对相关专业人才的需求，重庆交通大学机电与车辆工程学院设计了一套城市轨道交通车辆结构装配虚拟仿真实验教学系统，该虚拟实验教学方式已经取得了一定的成果，培养出了一批全面的轨道交通车辆设计、制造、装配、维修、开发等全方面复合型人才。

关键词：城市轨道交通车辆 虚拟现实 实验教学 人机交互

中图分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（b）-0173-02

Abstract： In recent years， urban rail transit system has a fast development in China. To better satisfy the need of talents in railway vehicle engineering， a perfect virtual simulation experiment teaching system in the assembly of railway vehicle is established in Chongqing Jiaotong University， adopting which hundreds of students have been trained. The results show that the experiment teaching system is effective in train the students skills in railway vehicle design， manufacture， maintain and operation.

Key Words： Railway vehicle； Virtual reality； Experiment teaching；Human-computer interaction

当今世界，地下铁道发展迅速，各发达国家拥有百万以上人口的大都市。大都修建地铁来缓解和改善交通紧张状况。就我国人口众多而言，更应该发展地铁工程，我国的地铁也有着良好的前景。与此同时，在城市轨道车辆专业学生的培养上，也要予以更多的关注，引入新型科技手段，力求将其培养成适用于我国城市轨道交通行业设计、制造、维修、运营等综合类人才。

1 目前城市轨道交通车辆专业教学中存在的问题

目前的城市轨道交通车辆专业最大的特点是设备先进，自动化技术程度高，高昂的价格不适合学校和科研机构的教学应用，且对实验实训教学的要求更高。由于受诸多因素限制，传统的专业实验设备和技术条件有限，集成度低，完成的实验功能单一。同时，因为设备昂贵、台套数少，无法进行多人多任务实验和实训，不能满足教学需要。同时，由于传统实验实训装备数量不足，设备功能有限，无法有效考核教学质量。

2 城市轨道交通车辆结构装配虚拟仿真实验教学

虚拟仿真实验教学资源，能满足交通装备类专业的虚拟仿真实验教学需求，是解决上述难题的有效手段。同时，还可以通过情景再现、模拟驾驶、事故预警技术，解决特殊工况难以展现，不可及、不可逆的操作难以实现的局限，为科学研究提供试验支撑和数据支持。此外，虚拟仿真实验教学平台可以实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。因此，重庆交通大学机电与车辆工程学院建立了一套虚拟实验系统以培养轨道交通车辆相关的人才。

本虚拟实验平台提供了大量的接口程序，具備强大的二次开发功能，可用于提高指导教师及学生的编程、系统自主开发、自行设计能力。借助相关软件二次开发的技术手段，学生可以在熟知城市轨道交通车辆结构的基础上，培养相关结构的开发设计能力。学生通过人机交互界面，可自行设计开发新型的轮对、构架、牵引传动系统、车体等车辆重要零部件，并对自主开发设计的结构进行装配形成新型城市轨道交通车辆。然后，学生可对自主开发的车辆进行启动、制动等运行测试，并根据测试结果对结构设计进行优化。此外，学生还可以通过编程及二次开发的方式，对人机交互界面进行修改和优化设计，实现列车运行控制、信号通讯等系统操作方式和交互界面的创新设计与自主开发。实验教学原理见图1。

借助本虚拟教学项目，针对城市轨道车辆构造课程，结合实体实验室中的转向架现场教学，使学生对城市轨道交通车辆的结构更为熟悉、对运行控制系统更为了解，并通过相关软件的二次开发技术，加强学生对轨道交通车辆结构的自主开发能力以及人机交互界面的自主设计能力。

本虚拟实验教学包括如下内容。

（1）基于labview开发软件，开发虚拟现实软件平台，搭建虚拟轨道等虚拟环境，结合实体实验室现场教学与课堂讲授，学生通过听觉、触觉、视觉等感官及人机交互操作，对城市轨道交通车辆关键零部件结构更为熟悉，培养学生对车辆各结构部件的设计能力。

（2）通过数据手套等人机交互和传感器技术，培养学生城市轨道交通车辆的装配能力。

（3）加强学生对城市轨道交通车辆信号控制过程的了解，掌握城市轨道交通车辆在牵引、制动、正常行驶等情况下的运动状态。

（4）基于二次开发技术，使学生可以自主开发新型转向架、车体等城市轨道交通车辆等关键零部件，通过对其进行装配并最终形成学生自行设计开发的新型城市轨道交通车辆，可培养学生的编程及二次开发等技能，增强学生对城市轨道交通车辆自主开发设计的能力。

（5）学生可对列车运行控制、信号传输系统等控制系统进行自主开发，设计新型的人机交互界面及操作方式，更进一步加强学生在城市轨道交通车辆设计、制造、装配、开发等方面的综合能力。

3 结语

本虚拟教学项目采用了多种先进的实验教学方法，主要包括有讲授法、参观教学法、直接演示法、自主学习法、自行操作法等，不同的方法在不同的实验子课题中均得到了广泛的采用。通过对人机交互、数据传递方式的二次开发设计，学生可以对车辆控制系统的操作方式及交互界面进行自主开发设计，实现车辆更为便捷地操控。通过该虚拟实验，可将学生培养成全面的轨道交通车辆设计、制造、装配、维修、开发等全方面复合型人才。

参考文献

[1] 张智焕，张惠娣.机械工程控制的虚拟仿真实验教学实践[J].实验技术与管理，2014，31（7）：102-103，111.

[2] 项国雄，熊力杨，胡三华.建设教师教育虚拟仿真实验教学中心 促进实践教学能力培养模式创新[J].中国教育信息化，2014（5）：29-33.