基于虚拟仿真的高速动车组检修工艺实验教学系统开发

高 波，刘志明，霍 凯，焦风川

（北京交通大学 机械工程国家级实验教学示范中心，北京 100044）

在教育部启动实施“六卓越一拔尖计划2.0”的大背景下，积极推进新工科建设、培养具有较强实践创新能力和国际竞争视野的高素质复合型新工科人才，是服务新时代国家发展的战略性举措[1]。高速动车组检修工艺实验是“轨道车辆运用工程”课程中的重要实践环节。由于教学场地、设备不足等条件所限，学生无法在学校进行动车组实体检修工艺实践。而学生在动车段实训具有危险性，现场只能参观、不能动手，并受到时间的约束，存在“做不好、做不上”的问题。因此，利用虚拟仿真技术构建多场景、多输入的实验环境，模拟不同检修级别、不同车型、不同车况的实验条件，可以提升学生快速跟踪动车组关键技术发展和解决复杂工程问题的能力。

由于虚拟仿真技术的特色和优势是沉浸式人机交互，通过数字化3D 技术构建与真实环境非常相似的虚拟环境，因此用户拥有身临其境的体验式感受[2]。针对高速动车组实际结构检修工艺实验教学中存在的问题，运用虚拟仿真技术构建一个可视化的检修实验操作环境。学生可通过远程操作将动车组检修工艺流程在线仿真，同时辅以生动的视频案例指导学生进行仿真操作，帮助学生掌握高速动车组专业知识，提升解决复杂工程实践问题的能力。该系统也可以用于课堂教学演示，方便理论教学与实践的结合[3]。该系统自上线运行已取得良好的教学效果，同时可以面向高等院校师生及国内外轨道交通企业员工提供远程教学服务。

1 虚拟仿真实验教学系统

1.1 系统框架

以高速动车组检修工艺现场环境为原型，采用以MicroSof.Net 和Visual Studio 等开发工具为依托的3D、OpenGL 仿真技术还原了高速动车组结构、组成以及检修工艺流程。该实验系统根据不同教学目的共设置3 个功能模块，分别是学习认知、操作练习和模拟考核。由系统界面控制用户登录和用户切换等操作。系统结构框架如图1 所示。

图1 系统结构框架图

1.2 系统数据库

高速动车组检修工艺虚拟仿真实验系统涉及多种类型虚拟检修组件及数据。系统分别设置虚拟实验基础元件库（如动车组厂家、型号、转向架型式、检修设备、检修级别、作业分工和路线等）、用于实现虚拟检修功能的典型实验库和标准答案库（如实验环境预设参数、作业流程、测试数据和设计参数的对比度等）以及用于统计分析的课程规则库和用户信息库，从而实现对相应数据的存放和管理[4-7]。

1.3 系统实验管理平台

系统管理平台设计模块包括选课预约、课程答疑和权限设置等内容。该模块可统计学生的上课情况、选课情况和作业上交情况等，通过设置实验课程增、删、改、查和审核等权限，让学生及时了解最新实验教学内容，与老师在线进行问题探讨。

1.4 系统通用服务功能

基于B/S 架构设计，最终高速动车组检修工艺虚拟仿真实验教学系统面向高校相关专业师生和轨道交通行业的社会人员开放共享。设计开发通用服务功能，使系统具有良好的扩展性。利用服务层提供的各种工具和仿真层提供的动车组检修模型，设计出典型实例[8]，根据教学需要，面向学校和社会推广实验教学应用。

2 虚拟仿真实验系统实现

2.1 学习认知模块

学习认知模块的功能实现主要通过文本阅读、视频案例和场景漫游。根据高速动车组类型和不同维修规程要求，采用虚拟仿真技术还原实际检修车间场景，帮助用户学习不同类型动车组检修内容及标准，例如：200 公里速度级CRH1、CRH2、CRH3 和CRH5 型动车组，300 公里速度级CRH380A、CRH380B、CRH380C和CRH380D 型动车组，350 公里速度级的CF400A和CF400B 型动车组的车体结构、转向架系统、钩缓系统、受流装置、制动系统原理，转向架各部件之间的连接方式，关键参数对列车运行性能的影响，检修设备功能及工作原理。学习认知模块界面如图 2所示。

图2 学习认知模块界面

2.2 操作练习模块

操作练习模块针对不同车型、修程进行检修计划编制训练、检修主要设备选型训练，一级、二级和三级检修工艺流程制定训练，高速动车组关键系统的检修、关键参数模拟测试训练。

在任务指导界面，将分为一级、二级和三级检修任务进行模拟操作，用户通过点击相应任务按钮进行阅读和学习，点击“进入”按钮进入拆装现场进行实操作业。

场景中“UI 提示面板”包含交互按钮，根据提示点选按钮即可进入下一步操作。在转向架一次分解中，通过点击UI 提示面板上的“开始”按钮即可开始一次分解作业，然后点击高亮部件，弹出“分解”与“取消”按钮，点击“分解”按钮即可调用工具开始分解模拟作业。操作练习模块如图3 所示。

2.3 虚拟考核模块

虚拟考核模块严格按照现场作业要求，根据教师设定的动车组车型、运用里程或时间等条件，用户可完成动车组检修计划编制、设备选型、检修工艺流程制定和转向架拆装关键参数测试等内容。以三级检修工艺中拆解牵引电机为例：用户首先利用正确型号扳手松开螺栓螺母，将电机侧联轴节与齿轮箱侧联轴节分开，手动转动电机侧联轴节确认可以自由转动，然后剪断电机螺栓放松铁丝，松开电机上部吊挂螺栓，拆下牵引电机，同时在电机外壳上标记动车组列数、转向架型号和位数[9-11]，如图4 所示。

图3 操作练习模块界面

图4 虚拟考核模块界面

考核模块根据用户操作步骤对应的知识点和能力目标完成情况自动计算成绩并存储在系统中，用户获得执行权限后可以查看下载考核分析报告。实验名称及对应的知识点和能力，如表1 所示。

表1 实验名称及对应的知识点和能力

3 虚拟仿真实验系统应用

采用虚实结合的教学方法，学生通过完成高速动车组不同检修等级的工艺操作，提高工程应用能力，为日后成为卓越工程师提供技术支撑。

（1）虚拟实验教学系统针对在校学生无法实际参与到高速动车组现场运用检修的现状，结合车辆专业特色和轨道交通行业发展需求，基于成果导向（OBE）为中心的实践教学理念，利用现代信息技术，开展了以多种类型动车组一级、二级、三级检修作业为对象的仿真实验，支撑新工科轨道交通人才培养。

（2）虚拟实验教学系统基于任务驱动的自主探究实验教学方式。在给定检修任务情境下，由学生分组协作、自主研究制定检修计划和工艺流程，完成实验任务。图片、视频、交互式操作等多种方式提升学习效果，同时通过线上仿真与线下现场实习虚实结合的教学方法，培养学生工程实践能力。

（3）虚拟实验教学系统建立了基于检修过程的形成性评价体系。从制定动车组检修计划到选取检修设备、从单一车型到系列车型、从一种修程到全部修程[12]，具有循序渐进、由浅入深的过程性特点。后台能够自动记录学习进度，根据每个过程的完成情况进行评价。实验评价结果用于相关课程目标达成度计算，并支撑相应毕业要求指标点达成，根据达成情况进行闭环反馈、用于持续改进。

4 结论

高速动车组检修工艺虚拟仿真实验教学系统场景还原度高，人机交互界面简单多样，可以解决学生对高速动车组检修工艺流程理解困难，到动车段进行实体教学存在具有危险性，现场只能参观、不能动手，并受到时间约束等问题，学生通过虚拟仿真系统完成动车组不同检修等级的操作，提升了工程实践素质和技术创新能力，有效提高了实验教学质量。

截至目前，高速动车组检修工艺虚拟仿真实验教学系统已成功获评国家级虚拟仿真实验项目，可以更广泛地开展课程和实验项目推广、成绩互认和学分转换。该系统自投入使用以来，已完成了本校3 个年级车辆工程专业本科生“轨道车辆运用工程”的实验教学任务。同时与实验空间共享平台技术对接，示范辐射范围包括“双培计划”北京市属院校和“一带一路”沿线国家等交通领域相关学员，有效满足了轨道交通行业对于工程技术人才的需求。