车辆工程专业“互联网+”虚拟仿真实验教学资源建设与共享*

张嘉鹭 李晓鹏 马军 邢邦圣

摘   要：面向轨道交通领域的车辆工程专业实验教学资源相对匮乏，且现有教学资源成本高、共享性差、不能远程在线使用。江苏师范大学依托轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心，融合Web 3D技术和互联网技术研发出动车组模拟驾驶、检修维护、故障诊断、结构装配等虚拟仿真实验教学资源，实现了车辆工程专业在线虚拟仿真教学资源的深度开发，建设了集虚拟实验、创新设计、智能指导和教学管理于一体的网络共享平台;进一步加强了车辆工程专业虚拟仿真实验教学的内涵建设，推动了实驗教学资源的在线开放与共享;取得了良好的应用效果，可为相关高校虚拟仿真实验教学资源的建设提供参考。

关键词：车辆工程;动车组;实验教学;虚拟仿真

中图分类号：U266;G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2021）03-0032-04

一、引言

我国于2016年修订了《中长期铁路网规划》，确定到2025年全国铁路营业里程达到17万公里，建设高速铁路3.8万公里以上，并在全国形成“四纵四横”乃至“八纵八横”的高速铁路网。截至2018年12月31日，我国实际运营的铁路里程已逾13.1万公里，其中高速铁路里程超过2.9万公里，稳居世界首位。[1]

高速铁路的快速发展需要大量的专业技术人才，目前国内已有100余所高校开设了面向轨道交通领域（动车组）的车辆工程专业。由于该专业实验成本高、实验耗时长等原因，针对其实验教学资源的建设仍在探索之中，现阶段的授课方式普遍依托理论教学，学生难以在短时间内对动车组的结构特征形成感官认知，更难以掌握动车组复杂的运用方式、检修工艺与设计方法。[2]因此，如何构建实验教学资源，进而提升实验教学质量，成为当前车辆工程专业建设和发展过程中亟需解决的问题。

二、教学资源传统建设方法

针对上述问题，诸多高校开展了车辆工程专业实验教学资源建设的研究，并提出了一系列的解决办法及建议，主要为以下三种：

1.研发实体教学模型

比较有代表性的是同济大学研发的高铁司机培训仿真平台和西南交通大学研发的高速动车组模拟驾驶器。上述两套实验教学用列车驾驶台尺寸与真车保持一致，按键、旋钮等辅助设备均采用原厂配件，并通过图形工作站构建出高速动车组的运行场景，学生可以在身临其境的感受中进行实验，取得了较好的应用效果。[3]但此类高仿真模型的研发成本动辄以百万元计，且单台设备同一时间内受训学生的数量极为有限，因此未能得到广泛推广。[4]

2.开发实验教学软件

鉴于实体教学模型的高昂成本，近年来越来越多的高校将研究重点转入虚拟仿真实验教学软件的开发。例如：2016年，北京交通大学针对动车组传统培训方式不能实现全故障仿真的不足，基于分布式技术开发出一套高速动车组故障仿真训练软件;[5]2017年，大连交通大学针对动车组转向架多媒体信息系统需求，通过虚拟装配技术对CRH5动车组转向架的装配过程进行虚拟仿真，使复杂的装配关系得以清晰的表达。[6]但上述实验教学软件均基于C/S架构开发，即仅能单机运行却不能在线使用，因此，此类虚拟仿真教学资源的共享性受到局限。

3.建设校外实习基地

部分高校结合自身所处的地理位置，就近联系动车段、机务段、供电段或高铁车站等铁路部门，积极进行校外实习实践基地的建设。[7]以江苏省内高校为例，江苏师范大学和南京铁道职业技术学院分别与徐州东动车运用所、南京动车段达成合作协议，车辆工程专业的学生可在上述单位进行生产实习或毕业实习。学生可通过跟班实习的方式了解动车组的结构组成、驾驶流程和检修工艺，但此类师徒传授模式的教学效果难以保证，且在实操作业的过程中具有较强的危险性。[8]

综上所述，通过研发实体教学模型、开发实验教学软件、建设校外实习基地的途径，可在一定程度上缓解现阶段实验教学资源不足的问题，但以上方法分别存在成本高、共享性差、危险性强的缺点，车辆工程专业实验教学资源相对匮乏的困境并未得到根本性改善。

三、“互联网+”虚拟仿真资源的建设意义

建设基于互联网技术的车辆工程专业虚拟仿真教学资源并在线开放，可有效推进现代信息技术融入实验教学，进而拓展实验教学的广度和深度、延伸实验教学的时间和空间，对改进现有实验教学方法具有较大意义。[9-11]具体体现在以下三个方面：

1.降低了实验教学成本

如前文所述，面向轨道交通领域的车辆工程专业实体实验设备极为昂贵，且安装、维护过程烦琐。而参照高精度工程图纸建设虚拟仿真实验教学资源，可有效缓解实验设备购置经费短缺、实验用房紧张等问题。[12]且实验资源的更新换代仅需在服务器中重新部署软件即可，实验教学成本可以得到显著降低。[13]

2.优化了实验教学资源

基于B/S架构建设的车辆工程专业虚拟仿真实验教学资源，可在根本上解决C/S架构资源仅能单机使用的问题，所有实验项目均可远程在线学习、操作和考核，学生不必受制于实验设备、实验时间和实验分组等，借助计算机和互联网即可完成实验。学习者还可借助网络共享平台实现复杂困难实验的异地分布式多人协同作业，达到了实验教学资源优化与开放共享的目的。[14][15]

3.提高了实验教学效果

动车组体积庞大，零部件数以万计，若通过实体实验设备进行教学，则存在内部结构不易观察、装配关系难以理解、异常工况无法再现等问题，教学效果难以保证。而通过虚拟仿真技术建立的动车组交互式三维模型可轻松实现复杂设备透视化、装配关系动态化，并通过参数变换功能可实现不可及、不可逆工况的模拟。[16]

四、建设内容与共享机制

1.构建“一心四环”的教学资源系统

实验教学资源立足现代轨道车辆领域，采用数字虚拟仿真、人机交互等先进的教育信息化技术，以“车辆工程教学资源”为中心，构建“模拟驾驶虚拟仿真”、“装配训练虚拟仿真”、“检修维护虚拟仿真”、“故障处理虚拟仿真”等四个方面的虚拟仿真教学资源，单个教学资源又可分为若干实验项目，形成“一心四环”的实验教学系统，如图1所示。

2.打造基于“互联网+”的共享机制

教学资源以Unity 3D为三维引擎，采用WebGL技术开发，突破了C/S架构客户端的限制，基于B/S架构将虚拟仿真教学资源部署在安装了SQL Server、Oracle等数据库软件的服务器上。用户仅需安装浏览器即可通过互联网访问服务器内的教学资源。由于所有客户端均统一为Web浏览器，因此在无需安装任何其他软件的前提下即可进行虚拟仿真实验，最大程度上实现资源共享的功能。网络共享机制如图2所示。

3.搭建“三位一体”的网络共享平台

依托江苏师范大学轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心（下文簡称“中心”），对现有虚拟仿真实验教学项目加以整合和数据接入。依次建立针对学生的实验教学平台、针对企业职工的实践培训平台和针对教师的科研服务平台。三个平台功能联动、相辅相成，形成一体化相互推动关系。同时，在门户网站基础上，优化平台技术体系，建立统一虚拟仿真实验教学资源开发标准和平台接口规范，实现管理平台和实验项目的无缝对接与互相支撑。网络共享平台架构如图3所示。

4.建立“优化再生、持续提升”的管理体系

资源建设团队建立了科学高效的共建共享运行机制，引入市场力量探索实验项目运行模式，促进实验教学资源优化再生和持续提升，搭建科学的绩效评价体系和完善的服务支撑体系。依托虚拟仿真实验教学平台，对在线开放的“互联网+”虚拟仿真实验教学项目实施星级动态评价制度，并考虑有偿使用原则，最终建立“互补互利、成本均摊、服务有偿、收益共享”的运行模式。[17]在主管部门的指导下，采取“统一管理、统筹规划、资源共享、有效利用”的管理模式，实现车辆工程专业虚拟仿真实验教学资源的日常管理。运行与管理机制架构如图4所示。

五、建设成效

中心近三年来已开发车辆工程专业虚拟仿真实验教学软件共计7套，图纸、视频等教学资源近2TB。限于篇幅，仅将部分虚拟仿真软件罗列如下：

1.高铁列车一级检修教学系统

动车组一级检修密切关系到高铁列车的运行安全，检修工艺尤为复杂。目前，中心已完成高铁列车一级检修虚拟仿真系统的开发（该系统曾获2018年度国家虚拟仿真实验教学项目立项），可在线实现教学内容预习、教学课件查阅、交互式检修训练与考核、实验报告导出、成绩管理等功能。检修操作页面如图5所示。

2.动车组模拟驾驶教学系统

动车组模拟驾驶系统可以针对国内主流车型（CRH380A/B型动车组）进行虚拟仿真驾驶训练。目前，中心已构建出两种车型登录模块、沿途车站及线路场景、司机室交互式虚拟仿真模型等，可模拟南京南站至杭州东站的动车组驾驶流程。模拟驾驶界面如图6所示。

3.转向架装配训练教学系统

针对动车组核心部件转向架的结构组成、装配顺序，拆装工艺进行了虚拟仿真系统的开发（该系统曾获2017年度国家虚拟仿真实验教学项目立项）。目前，可通过互联网在Web网页上进行转向架虚拟装配与检修。该系统按照S1000D设计规范开发，主要包括系统功能区、导航区、主内容显示、图表显示区等。转向架装配界面如图7所示。

中心所建设的车辆工程专业“互联网+”虚拟仿真实验教学资源已提供给本校、周边高校及铁路企业使用。3年以来，已为江苏师范大学培养毕业生800余人，为中国矿业大学、徐州工程学院、徐州工业职业技术学院、徐州交通技师学院等周边高校培养学生600余人，为徐州车辆段、南京动车段、济南动车运用所、徐州东动车运用所等铁路部门培训职工500余人;已开出校内实验20000余人×时数，开出校外实验30000余人×时数。通过对虚拟仿真资源的深入推广，使在校学生及新入职员工的专业技能和解决实际问题的能力得到显著提升，实现了虚拟仿真实训与工程实践的无缝对接。

六、结语

面向轨道交通领域的车辆工程专业实验教学资源相对匮乏，且现有教学资源成本高、共享性差、不能远程在线使用。

江苏师范大学轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心自主研发出动车组驾驶、检修、排障、装配等虚拟仿真实验教学资源，并与互联网技术融合，实现了车辆工程专业在线虚拟仿真教学资源的深度开发，建设了集虚拟实验、创新设计、智能指导和教学管理于一体的网络共享平台。进一步加强了车辆工程专业虚拟仿真实验教学的内涵建设，推动了实验教学资源的在线开放和共享，取得了良好的应用效果，可为相关高校虚拟仿真实验教学资源的开发与共享提供参考。

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（编辑：王天鹏）