地铁塞拉门虚拟仿真实训系统的开发与实践

张光建 张丽珠 王保民

天津职业技术师范大学 天津 300222

1 概述

中国城市轨道交通的发展方兴未艾，截止到2022年6月30日，中国内地共有51个城市投运城市轨道交通线路9573.65千米。如此庞大的公里数，需要大量的人才服务于城市轨道交通企业。地铁车辆的日常检修维护，是地铁车辆段一项必不可少的重要工作，为了保障地铁车辆检修技能人才的持续性发展，给职业院校城市轨道交通车辆应用技术专业的培养带来了挑战。在专业教学过程中，为了加强学生的动手技能，考虑教学资源的局限性，建设虚拟仿真实训平台显得迫不及待。教育部印发的《2017年教育信息化工作要点》中就指出“遴选一批典型虚拟仿真实验项目，开展虚拟仿真实验共享平台建设”[1]。因此在高校中尤其城市轨道交通专业，因其设备的昂贵性和庞大的体积，建设虚拟仿真实训平台的需求更是尤为迫切。

在地铁车辆领域内，地铁每天都要进行长时间的运营，大规模的载客，因此地铁完成每日的正线运行后，都要下线进入车辆段基地进行预防性检修。预防性维修是按地铁车辆的运行里程数或者运行时间，对列车进行不同等级的周期性的检修，一般分为日检、周检、月检、定修(列车运行一年或者十万千米)、架修(列车运行五年或者五十万千米)、大修(列车运行十年或者一百万千米)，共6级修程。在车辆所有的零部件中，客室车门是乘客直接接触的部件，关系到乘客的人身安全问题，由于列车的车门数量多(A型车单节10组客室车门，B型车单节8组客室车门)，开关动作比较频繁，也是车辆部件发生故障最多的部件，同时也是遭到乘客投诉最多的部件，客室车门实训教学也是非常重要的一项教学环节。因此，开发塞拉门(客室门)虚拟仿真实训系统，并应用于实际教学中是必然趋势。

2 塞拉门虚拟仿真实训系统构架

结合基于工作过程[2]的实训教学理念，为将理论和实践有机统一，既能吃透理论教学中模棱两可的概念，又能在实践中体现应用能力的培养[3]，对地铁塞拉门虚拟仿真实训系统做如下构架设计，如图1所示。

(1)客室塞拉门结构原理。该实训教学板块包括客室车门的整体概述、客室门机械结构和客室门传动原理三个子系统。整体概述子系统包含车门形式及结构，主要有内参嵌入式车门、外挂式车门和塞拉门的介绍内容。机械结构子系统包含塞拉门的门传动系统、门板、上下滑道等[4]。传动原理包括开门动作、关门动作、车门隔离和紧急操作的动作原理。

(2)客室塞拉门拆除教学。该实训教学板块主要包括塞拉门的拆除实训。包含拆卸门板、拆卸线缆、拆卸门机系统等，并含有拆装塞拉门的工作要领等。

(3)客室塞拉门安装教学。该实训教学板块主要包括塞拉门的安装实训。包含安装传动系统、门板、线缆、链条等实训步骤，并含有安装塞拉门的动作要领等。

(4)客室塞拉门检查实训。该实训教学板块主要包含对门传动机构的检查，门叶的检查、上下滑道的大检查实训等。

(5)客室塞拉门检修维护。该实训教学板块主要包含地铁塞拉门的日检、月检、定修、架修和大修等实训任务，并含有一些检修前的准备工作规程。

(6)拓展环节以及其他。该实训教学板块包括塞拉门系统的电路认知和解读，可供了解塞拉门的控制电路原理。

图1 塞拉门虚拟仿真实训系统

3 塞拉门虚拟仿真实训系统开发

3.1 塞拉门三维模型设计

设计好以上实训系统构架后，开始搭建地铁塞拉门虚拟仿真实训系统平台。使用计算机三维建模软件设计塞拉门模型，模型来源于南京康尼生产的地铁塞拉门系统。确定好各项技术参数后，对塞拉门系统的主要零部件三维模型进行设计，包括门机架、电机、联轴节、滚珠丝杠机构、H型传动架、携门架、上下滑道、下摆臂、门板、门控器、接线排等。设计好各个零部件的三维模型后，对模型进行组装，成为完整的地铁塞拉门三维模型，如下图2所示。

图2 组装后的塞拉门三维模型

在零部件3D模型组装过程中，最关键的步骤是约束的创建。携门架套筒与长导柱之间的同心圆约束，要注意在此基础上，还应该要与挂架下方孔进行同心圆约束。上滑道与携门架滚轮之间的路径连接，是最复杂的一项约束，需要确定好正确的模型位置，路径保持开环状态。

3.2 塞拉门实训系统搭建

采用DataMesh数字孪生平台对所创建的塞拉门三维模型进行编辑创作，此时的3D塞拉门模型需要转换成.stl格式的文件导入该平台，在内容编辑Studio平台进行内容创作，在内容播放端One进行剧本的展示。整个创作过程如下框架图3所示。

图3 塞拉门虚拟仿真实训平台编辑过程

学生下载DataMesh One播放平台后，既可以通过手机观看，又可以使用个人电脑进行观看，不受场所的限制，无论是集中授课，还是课后复习，都充分显示了该实训平台的优越性。

4 教学实践

塞拉门虚拟仿真实训平台建设好后，要服务于教学。在实训教学环节中，该平台可开发不低于三十学时的实训课程，对应着实训板块，可进行六个实训板块的学习。在实训过程中，基于职业教育的培养人才属性，采用工程实践创新项目教学方法，即EPIP(Engineering Practice Innovation Project)教学模式。EPIP教学模式以实际工程为背景，以工程实践为导向，以能力培养为目标，以工程项目为统领[5]，整体教学模式构架如下图4所示。

图4 教学实践过程中EPIP教学模式应用

(1)工程化。地铁塞拉门的检修实训项目来自真实地铁车辆段的检修工作。塞拉门虚拟仿真实训过程中，学生需要从实际工程需要着手，查询讨论真实塞拉门的检修内容，分析塞拉门检修过程中的工艺规程，并调研分析真实工作过程中的技术核心要素。塞拉门的拆除和安装工作，是塞拉门检修工作必不可少的工作流程。基于真实工程，学生在虚拟仿真平台可进行基于工作过程的塞拉门的拆除和安装工作。对门传动机构的拆除和安装，门板的拆除和安装，链条的拆除和安装，在虚拟仿真平台中，均可对这些实际工程中的检修工作进行实践。工程实践过程中，检修的工艺流程需要结合真实工作来具体体现，小组讨论，凝练更加符合实际工程的检修工艺，培养自己的学习能力和观察能力。

(2)实践性。基于真实工程背景的实训项目，每一步的操作都是一个实践过程，更是一个劳动过程。EPIP教学模式中要求知技协进、德技并修就体现在实践性中[6]。学生学习车辆结构与原理理论知识后，利用塞拉门虚拟仿真实训平台进行实训操作，塞拉门的检修过程，是一个实践的过程。列车运行2000千米，需要检查油漆；运行12500千米时，需要控制车门灯开关；运行25000千米的时候，需要进行安全检查，包括检查紧急内开门装置功能，检查紧急外开门装置功能，检查驱动单元上的扣紧装置，检查隔离锁装置，检查故障物检测系统等。在这些实践与劳动的过程中，还要进行德育的融入，尤其是劳动教育所体现的劳动价值观，让学生在实践过程中体验自己的劳动成果，珍惜当今的幸福生活，达到立德树人的目的。

(3)创新型。创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。在塞拉门虚拟仿真实训过程中，不仅要求学生掌握真实工程项目中的检修操作流程，还要求学生在实际工作根据实际状况不断地进行创新，产生创新灵感并激发自己的创新意识。在做塞拉门障碍物检测实验过程中，如何优化检测系统程序，使得障碍物检测更加精确，这就需要一定的创新意识来优化车门系统的障碍物检测程序，以防止夹人，对人身造成伤害。在塞拉门拆除和安装实训操作中，现有的工装还是存在一定的缺陷，激发自己的创新灵感，改善工装结构和工艺，为塞拉门的检修工作带来了更大的便利。对于塞拉门的电气控制回路，激发创新意识，改善回路上的一些电器元件或者寻找更优的电气元部件，使得地铁塞拉门的控制回路和监视回路发挥更可靠的功能。

(4)项目式。在教学过程中，每一次实训都制订一个项目，体现实训操作的完整性。在授课过程中采用项目式教学，分为选定项目、制订计划、项目探究、项目实施和交流评价等5个步骤。项目的选定分别为塞拉门虚拟仿真实训系统的六个实训项目。制订计划过程中，学生要根据规程文件利用甘特图制定自己小组内的工作流程，教师进行审核计划流程。项目探究过程中，学生根据自己组内制订的检修计划进行项目的论证，教师要进行引导学生塞拉门突发性的一些故障。项目实施过程是最重要的过程，是学生自己实践和劳动的工作过程，教师此阶段要有的放矢地进行引导，解决学生操作过程中的突发状况。交流评价过程中，学生组内制作PPT、组内评价、组别互评、教师进行综合评价。在项目教学过程中，潜移默化地让学生懂得了团结合作共同进步的重要性。

结语

在地铁塞拉门虚拟仿真实训系统开发与实践过程中，对客室塞拉门进行计算机的三维建模，先对众多的零部件包括门机架、电机、联轴节、滚珠丝杠机构、H型传动架、携门架、上下滑道、下摆臂、门板、门控器、接线排等进行建模，利用计算机3D软件的组装功能进行虚拟组装并进行渲染，得到逼真的塞拉门仿真模型。转换成.stl或者其他格式后，将其三维模型导入虚拟仿真内容创作与协同平台中进行编辑，得到具有实训功能的剧本后，发布展示，得到塞拉门虚拟仿真实训平台。将实训平台应用到实际地铁塞拉门实训教学中，采用EPIP教学模式，以实际工程为背景，以工程实践为导向，以能力培养为目标，以工程项目为统领，在实训过程中体现得淋漓尽致。为一些相关院校开展类似的实训教学提供一定的参考和借鉴作用。