面向检修过程的一种铁路客车转向架虚拟检修系统开发*

邹俊俊, 冯 岩, 潘 磊, 张 佩, 卫 海

(1 西安铁路职业技术学院， 西安 710014;2 中国铁路西安局集团有限公司, 西安 710014 )

随着投入运营车辆的数量增加和运行速度的提高，铁路车辆检修的工作量日益繁重，整个行业对能够从事车辆检修的技能型人才的需求日益增大。转向架是铁路车辆核心部件之一，直接关系到行车安全。它的检修成本占到40%左右(全生命周期)，是整个车辆检修中工作量最大，涉及人员最多的检修环节。[1]各铁路公司都要求检修从业人员必须经过包括实操在内的各项考核，合格后方可具备上岗资质。

目前培养合格的转向架检修人员多采取传统培训方式，即使用物理样机作为实操教学工具进行。以中国铁路西安局集团有限公司为例(以下均简称为西安局)，该局专门建设了一条检修试验线供新员工快速熟悉转向架检修流程，一般的轨道交通类职业院校也多采取类似的培养模式。但是该方法存在以下弊端：

(1)投资大，浪费人力物力。一般只能购置专用于实训的老旧车型，随行业发展，车型更换后，难以对车型更新换代升级。

(2)效率低，存在安全隐患。由于占地面积太大，设备不易于安放，且受制于场地和安全因素，每次安排培训的人数非常有限，场地设备利用率很低。

(3)学习效果差。由于转向架和车辆的整体结构较大，仅使用工程图、检修工艺卡的学习形式不利于学员清晰、直观了解产品结构。

因此，依托企业技术力量、优势资源，深化校企合作，打造虚实结合、信息交互、职前培养、职后培训的虚拟仿真项目，具有重大的现实意义。

1 虚拟仿真检修系统的设计思路

虚拟仿真实训是近年来随计算机虚拟现实技术兴起的一种新的辅助教学方式，尤其在实践类的学习领域，虚拟仿真实训能够为学员提供生动、逼真的学习环境，从而加速和巩固学生学习知识的过程。在国内一些高等学校的实验和实训室建设中已有不少成功的案例。

国内目前在转向架检修培训方面已开始运用虚拟仿真实训技术[2-4]。面向检修过程的转向架虚拟检修系统的开发不仅需要注重计算机虚拟环境的应用，还需要考虑物理要素的作用，人机交互方面针对真实工况，加强对实操过程的系统性评价等。为提高培训效果，必须要结合现场的实际情况，面向真实检修过程，建立虚拟检修仿真环境，零距离契合真实检修工序、流程。因此，课题组在西安局相关部门的协助下实地调研了检修车间、收集了检修工艺资料，最终确定该仿真检修系统的整体方案如下：

(1)借助三维建模软件真实准确建立转向架各部分结构的三维数字模型；

(2)集成能够全面满足前置学习要求的所有转向架检修相关工艺文件；

(3)检修模块借助虚拟现实技术，通过鼠标和键盘实现用户与虚拟环境人机交互，实现转向架虚拟拆装检修的功能。

(4)针对检修流程中的常见故障建立随机故障库，并在学习的过程中随机调取。

(5)过程控制系统可对学员的模拟检修过程全程监控并对检修结果给出科学评价。

按照此方案，检修系统的软件架构设计如图1所示。

图1 虚拟检修仿真系统软件架构

2 虚拟仿真检修系统的组成与功能

2.1 转向架结构认知模块

该模块主要包括两方面的内容：(1)系统介绍和检修流程学习。内容包含系统的基本操作说明和转向架整体检修流程相关工艺文件，该部分工艺文件全部由西安局相关部门协助提供。(2)转向架模型展示。转向架检修模型选用的是目前服役的25G型客车转向架。课题组在设计图纸基础上，利用三维建模软件，根据自上而下的设计原则，运用先进的交互式参数化建模方法，创建生成转向架各零部件的三维模型，然后导入Unity3d中进行交互性设计，完成的主要零部件模型如图2所示。

图2 转向架主要零部件及总装配图模型

模块的特点在于学员可以按照检修操作的流程自主学习。学员既可以通过内置的自动演示功能观看转向架的基本结构，还可对模型进行平移、旋转、缩放，便于学习者清楚观察，通过检修工艺卡等图文资料，对转向架结构中的重要零部件的结构及其功能进行展示，方便学员清楚认知转向架的构造和检修的基本流程。其功能界面如图3所示。

图3 转向架结构认知功能模块

2.2 转向架虚拟检修模块

铁路客车转向架结构复杂，主要包括构架组成、轮对轴箱装置、摇枕弹簧装置、基础制动装置等，其一般检修流程如图4所示，其中各工位需要检修的主要项目如表1所示。[5]

图4 转向架结检修基本流程

本系统在故障库中建立了23个子检修项目，学员在完成前述的认知模块导引学习并考核通过后，即可通过检修模块进行仿真。本模块的设计围绕3个核心内容展开。(1)检修环境：目前西安局改革传统的机车检修作业方式，采用流水线作业，即车动人不动，拆、检、装节拍化设计，检修线按照工作职责不同设计了 22 个工位，形成工位制节拍化生产模式。在软件中我们利用3dsmax和Unity3D建立了各工位的模型，为力求接近实际，包括各工位使用的工装、天车等设备和安全规程都按照实际情况建立，学习者可以更加直观的认识未来的工作环境，实现培训结束“零距离”上岗。(2)检修流程：学员需在指定工位上按照检修工艺要求对转向架的主要结构、辅助装置进行清洗、拆装、检修。(3)检修方法：学员需选择合适工具，按照规定方法，按照标准的工艺参数完成检修。

以图5、图6所示的中央悬挂装置项目中的组装垂向油压减振器为例，说明虚拟检修模块的工作过程。当学员抽取到该任务后，前往检修线虚拟工位，阅读检修工艺卡了解工艺要求。该任务为典型的零部件装配工序，为真实模拟装配工序的所有要素，本例设计为学员在图5中间区域进行物料选择，然后在右边工具选择栏选择要用的工夹量具，随后按照操作规程将各零件正确装配。所有虚拟操作均按照技术要求在系统中进行检验。如图6所示的螺栓紧固操作，装入零件后需使用力矩扳手对零件紧固，力矩大小和旋向由学员自行控制，每顺时针旋转一次力矩扳手，紧固力矩增加相应数值，操作完毕后若紧固力矩不符合要求，触发零件失效动画，任务失败，扣除操作分数。类似的包括装配顺序、是否干涉等多项技术要求均在系统中进行了相应设置。由此可见，本模块设计上力求增强真实性和交互性，通过虚拟实操，使得复杂的装配关系、装配工艺得以清晰表达，为学员提供了真实、可视化的操作空间。

表1 转向架虚拟检修模块主要内容

图5 垂向油压减振器组装任务物料选择示例

图6 垂向油压减振器组装任务紧固操作示例

3 学习评价模块

本系统既可以方便实现理论知识考核，同时也便于按照检修工艺，进行操作要点的仿真实训考核。为保证系统评价学员学习的科学性，学习评价模块功能设计为：学生利用鼠标和键盘在虚拟环境中对转向架进行结构认知、虚拟检修等操作，系统后台记录学员的操作行为，然后依据车辆段检修工艺规程进行两个层面的评价：操作步骤评价，即评价学员在虚拟检修模块中对转向架部件的拆解、检查、调整与安装等，是否按照操作顺序和要点进行；操作方法评价，即评价学员在模拟检修中使用的工具、操作时使用的包括力、力矩、角度等在内的物理量是否满足技术要求进行评价。

通过上述两个层面的评价，学员在考核中每一步骤均需要严格依照操作规程进行，出现不当操作和多余操作都会扣除相应分数，实现了实训考核中的过程管理，保证了考核过程的客观性和科学性，实现了本系统理论和实际操作结合的数字化考核平台的功能。

4 结束语

随着轨道交通行业的迅猛发展，新技术新装备不断涌入，整个行业对具备专业素质和技能的人才需求量不断增加。对学校而言，传统实训模式日益难以满足人才培养的需要，通过虚拟仿真技术、人机交互技术、网络通信技术开发虚拟仿真检修平台，利用仿真平台不受场地和人数限制、在故障模拟、工况仿真方面，资源共享、升级、维护方面的巨大优势，真正的把企业的岗位需求引入到教学过程中去，才能更好的服务地方经济，为行业的发展提供有力支持。