鐵路客車轉向架虛擬仿真系統的實用性分析

衛海 馮巖 鄒俊俊 張佩 樊亞玲

摘 要：近年來，隨著我國擴大鐵路規模，鐵路客運里程大幅增長，符合資質要求的檢修工人數無法滿足鐵路客車檢修量的矛盾日益突出。大量的鐵路客車需要定期檢修，而培訓一名合格的檢修工人周期較長，且受場地等客觀因素的限制性較大。本文以鐵路客車較為重要的部位轉向架為例，通過研究基于VR技術的鐵路客車轉向架虛擬仿真系統，分析該系統的實用性。

關鍵詞：轉向架系統;虛擬仿真;檢修培訓;實用性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.213

1 前言

改革開放以來，我國鐵路建設和運營迎來了飛躍式發展。大規模鐵路網需要數以萬計的鐵路客車運行支持。

轉向架技術關系到鐵路客車運行的安全性、可靠性和舒適度，是鐵路客車的核心技術之一。據資料統計，雖然鐵路客車轉向架成本占比較小，但在維修成本中的占比卻很大。在不同級別檢修過程中，轉向架的檢修工作量最大，消耗的人力資源和時間成本最多，相關的組織管理工作難度也最大。

為了解決與日俱增的鐵路客車檢修工作任務，需要大量的檢修人才。鐵路職業院校作為為鐵路集團公司輸送實踐技能型人才的搖籃，應積極承擔起培養鐵路客車檢修人才的重任，這不僅能成為校企合作的良好契機，更能提升高職院校的就業率和社會價值。

傳統的鐵路客車檢修人才的培養模式投資大、效率低、學習效果一般，且受時間、地點限制性大。因此依托企業的技術等優勢資源，深化校企合作，增進理實一體化，打造虛實結合、信息交互、學校培養、企業培訓的虛擬仿真實訓系統，意義重大。

2 鐵路客車轉向架虛擬仿真系統概述

近年來，隨著計算機虛擬現實技術的興起，虛擬仿真系統作為一種新型的輔助教學手段被廣泛應用于各科實踐類教學。虛擬現實技術的優越性在于通過三維模型和環境的建立，可使操作者與場景發生交互，使操作者能夠在虛擬的環境中完美地模擬現實檢修的各個環節。這種先進的多媒體技術可將圖像、聲音、各類傳感器、各類反饋技術集成于一體，很好地解決了現實檢修的時間、地點等局限性。

鐵路客車檢修部位非常多，本文以檢修成本占比最大的轉向架為例，通過研究鐵路客車轉向架虛擬仿真系統，分析該系統的構成、功能及實用性。

該鐵路客車轉向架虛擬仿真系統前期借助CATIA等三維軟件，采用參數化建模方法，真實準確地建立轉向架的零件和總裝模型。通過參觀學習檢修車間，建立虛擬工作場景。根據實際檢修規程，建立隨機故障庫，模擬生成常見的檢修故障。通過人機交互方式對轉向架實現虛擬拆裝、檢修功能，同時記錄學員的實操行為。最終，對培訓學員處置故障的操作給予科學公正的評價。

該虛擬仿真系統分為三大塊。其中，轉向架結構認知模塊分為零件基本結構認知和檢修工藝文件閱讀兩部分內容;虛擬檢修模塊分為標準化檢修流程、檢修工具模擬操作及常見故障判斷三部分內容;學習評價模塊即對學員操作過程給予科學公正的評價。

轉向架結構認知模塊可使操作學員了解該系統的操作說明、轉向架的零件結構及檢修工藝文件。該軟件提供了兩種按檢修操作流程學習的模式供學員選擇，不僅能通過系統自帶演示功能觀看學習轉向架零件的基本結構，更能夠通過鼠標和鍵盤與系統進行交互的方式，自主選擇特定的零件模型進行縮放、旋轉、平移等以便掌握零件結構特征。

轉向架虛擬檢修模塊主要包括構架的組成、基礎制動裝置、搖枕彈簧裝置、輪對軸箱裝置等。具體步驟如下：第一步，架車準備;第二步，檢查外觀、記錄、編碼;第三步，構架組成、輪對軸箱、搖枕彈簧、基礎制動、管路及輔助裝置的各工位檢修;第四步，自檢、互檢及專檢。

學習評價模塊可對學員操作給予科學評價。既可通過該模塊對學生的理論知識進行考核，又可通過該模塊對職工的崗前實操技能進行實訓考核。

3 對教師及學生的幫助

鐵路客車轉向架系統在高職院校檢修實訓環節開展的現狀并不理想，原因在于設備昂貴、場地受限、安全隱患較大、且無法模擬鐵路客車實際運行過程中出現的各種故障等。這樣，軌道交通相關專業的學生就無法掌握鐵路客車檢修的技能。為使學生在校期間掌握各類實操技能，培養崗位能力，本文中提到的鐵路客車轉向架虛擬仿真系統意義重大。

該虛擬仿真系統以鐵路客車轉向架資源為核心，營造出開放、共享的虛擬仿真實訓教學環境，最終集成虛擬資源、創新設計、智能指導和教學管理于一體，具有良好自主性、交互性、可擴展性和安全性的虛擬仿真實訓教學平臺。

該系統可用于軌道交通類課程的實訓環節，為檢修維護、故障處理及裝配技術虛擬仿真等提供更為廣泛的可操作性。

4 對企業及員工的價值

目前，鐵路客車檢修工人基本都是在入職后集中進行培訓。由于培訓周期較長，培訓內容較復雜，既消耗人力物力，又耽誤時間。該虛擬仿真系統采用虛擬現實的計算機仿真技術將鐵路客車轉向架系統集圖文、聲音、視頻等于一體，使操作學員在非現場環境即可通過鼠標和鍵盤，采用人機交互的方式直觀清晰地了解轉向架結構及各檢修規程等信息。這將大大節省不必要的人力和物力，達到利潤最大化。

5 結束語

鐵路客車轉向架虛擬仿真系統采用先進的多媒體技術，利用現代信息手段開發，具有建設和維護成本低、平臺擴展性強、利用率高等優勢。該系統的開發為校企合作帶來了良好的契機，形成了“教學—實訓—研發”的共建共享模式。利用該虛擬仿真系統，可有效節省實驗設備購置經費、減輕學校資金壓力;同時也為軌道交通類企業節省了大量人力物力成本，從而提高利潤。虛擬仿真實訓教學資源可方便、快捷地形成共享資源，滿足學生實訓、職工培訓、科技服務等需求，輻射人群廣泛，社會價值較高。

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