基于VR技術的鐵路客車轉向架仿真實訓系統開發

樊亞玲 馮巖 鄒俊俊等

摘 要：以鐵路客車典型轉向架為模型，采用現代化的虛擬現實（VR）技術，對傳統鐵路客車轉向架進行三維建模和VR仿真系統開發，使系統具有裝配、檢修及考核評價機制，通過實踐發現學生的積極性和創新性明顯提高，采用VR仿真系統的實訓成績比傳統實訓成績高，學生的滿意度也明顯提高，此系統不但節省了實訓成本，還提高了教學效果。

關鍵詞：VR技術;仿真實訓;客車轉向架;系統開發

0 引言

鐵路客車轉向架是城市軌道交通車輛的重要組成部分，也是城市軌道交通車輛中的關鍵部件，轉向架的結構復雜、造價較高，對于列車的安全運行起到非常重要的作用[1-2]。鐵路機車專業的學生學習好轉向架的結構拆裝及維護檢修是非常重要的，但在以往的實訓過程中發現，學生對轉向架的拆裝及檢修實訓不重視，原因在于內容枯燥，創新性不足 。虛擬現實是一種創造教育新模式，是未來教育的趨勢，采用VR技術把教學與實踐的距離大幅縮小，使學生在虛擬環境中完成轉向架的裝配、檢修及考核評價，增加了學生的積極性和創新性，激發了學生的學生興趣。

1 功能設計

針對鐵道車輛學生的創新實訓教學出發，以目前鐵路客車典型轉向架為模型，采用現代化的虛擬現實技術，對鐵路客車轉向架教學實訓采用虛擬化實訓，不但解決了實訓設備不足限制，更重要的減少了實驗過程中對設備反復操作的磨損，降低維護成本，給學生提供了一種創新性的教學模式。基于仿真教學的強操作性，系統應具備以下功能：（1）教師可對鐵路客車轉向架進行VR演示;（2）學生可以在虛擬環境中進行零部件的拆裝;（3）對學生的操作具有良好的評價功能。

2 仿真系統研發

（1）裝配仿真系統開發。利用三維CAD設計軟件包括：3DMAX、Solidworks等建立一種鐵路客車常見車型轉向架的零部件和裝配模型，并且在建模的過程中采用參數建模的手段。參數化建模可以提供設計對象的附加信息，把參數和模型一起存儲，參數可以標明不同模型的屬性。例如在一個“輪軸”中創建參數“材料”后，對于該模型的運動學和受力計算才能進行。同時，參數化模型的使用周期長，維護簡單，通過變更參數的數值可以快速變更模型的形狀和大小。比如我們在設計25g型車車軸時引入“車軸長度”和“直徑”兩個參數，在進行新車型設計時只需更改該參數的值即可快速的重新生成。有利于產品模型的更新設計。

（2）檢修仿真系統開發。學生不但要學習裝配的流程，還要對裝配環節中出現的問題進行檢測及修配，在裝配完成后，還有對轉向架在實際應用中出現的問題進行檢修仿真。

由于裝配實訓中的模型已帶有物理特性參數如材料、彈性模量等，在本環節中即可模擬零件的磨損、變形等情況，讓學生利用相應的工量具進行檢測，完成故障排查。通過調研鐵路局當前使用的車輛檢修行業規范，建立故障檢修模塊，針對鐵路列車轉向架檢修規范中列出的主要故障建立故障數據庫，供學生操作訓練。

（3）考核系統開發。當學生完成檢修操作，系統記錄下學生完成故障處理的方法和處理時間，依據客車車輛檢修手冊的評判標準來給予科學評價。總成績中，成績采用出勤占10%，此部分由老師給定，實訓報告占25%，由實習報告卷面成績為準，實訓的正確操作及遇到問題時的解決方法占45%，此部分由計算機考核，計算機可以記錄每位學生的操作方法，和標準的操作流程就行對比，同時，對于學生操作中遇到的困難，系統根據學生解決困難的實踐進行評價，實訓中的創新性占20%，此部分由系統和老師進行綜合評價。

3 實踐效果

隨機抽取車輛專業的4個班的學生和機電專業的2個班的學生為研究對象開設相應的課程，對這6個班的學生實訓課程進行分類，其中車輛1701班、車輛1703班、機電1701班采用傳統實習，車輛1702班、車輛1704班、機電1702班采用基于VR的實訓教學，在實訓教學期間對學生的積極性和創新性進行統計，課后對學生的滿意度進行問卷調查，成績采用出勤占10%，實訓報告占25%，實訓的正確操作及遇到問題時的解決方法占45%，實訓中的創新性占20% 。

4 仿真系統的優勢

（1）使用周期長、維護方便。本系統利用參數化建模手段，產品的改型和優化更方便、當車型設計有改進時可以通過修改參數的辦法快速重新設計，比之同類系統的使用周期更長，維護成本低。

（2）模擬效果更好，練習效果更優。通過裝配和檢修兩大模塊演示轉向架結構模擬檢修工作過程，模擬效果逼近真實工況，練習效果好。

（3）評價體系更科學。依據現行檢修操作規范，將操作時間、對工量具的使用等環節也計入評價體系，而非簡單的僅判斷學生操作的“對”與“錯”。

（4）經濟性好。目前省內尚無同類產品的研究開發，如能研究成功，可為高校實訓教學和企業員工培訓節省大量經費。

5 結語

基于VR技術的鐵路客車轉向架實訓軟件系統的開發，不但改進了傳統實訓教學中的落后的教學手段和枯燥的教學方法，通過實訓發現學生的學習熱情高，積極性高，學生動手能力強，相應的創新性也有所提高，學生的學習興趣非常濃，軟件的模擬效果較好，評價體系也更科學，具有良好的經濟性，對學生的鐵路客車轉向架的實訓教學效果提高明顯。

參考文獻：

[1]張偉.城市軌道交通車輛轉向架虛擬仿真實訓技術的研究[J]. 信息與電腦（理論版），2017（16）：65-66.

[2]米小珍，梁樹林，兆文忠等.面向檢修的CRH3動車組轉向架虛擬仿真系統開發[J].鐵道機車車輛，2010，30（01）：32-36.