工程訓練系統設計與教學應用研究

摘" " 要：鐵道運輸類專業實踐教學通常包含認知、操作、檢修等環節，但由于設備臺套數不足、控制邏輯不直觀、故障難再現等問題，很難滿足能力培養要求。文章以受電弓調試實操為例，基于MCD（Mechatronics Concept Designer，機電一體化概念設計），通過實體建模、連接定義、驅動施加、通訊設置等過程，實現受電弓檢修設備的孿生資源開發，完成虛實一體工程訓練系統的搭建。這不僅對學生認識受電弓、了解受電弓控制過程、掌握受電弓檢修技能具有較好的效果，而且對鐵道運輸類專業開展實踐教學具有很好的借鑒意義。

關鍵詞：數字孿生；工程訓練；鐵道運輸；受電弓

中圖分類號：G640；TP391.9" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：1002-4107（2024）08-0064-03

一、引言

職業教育的主要任務是培養技術技能型人才，因此，其更加注重實踐教學的開展。相比普通教育，職業教育存在高投入、高損耗、高風險及難實施、難觀摩、難再現的“三高三難”問題[1]。

虛擬仿真技術具有交互性、沉浸性、逼真性等特點，為常規教學提供了有力補充，有效解決了職業教育理論教學難觀摩、實驗教學高投入等問題[2]，在高等教育的發展過程中，起到了重要的作用[3]。隨著職業教育虛擬仿真基地建設工作的開展，虛擬仿真技術也必將成為職業院校實踐教學的主要技術手段[4]。

二、鐵道運輸類專業實踐教學的現狀

鐵道運輸類企業的需求崗位有乘務類、檢修類、工程施工類、車務運轉類、通信信號類等，要求學生掌握的技能主要包括：鐵路路基、軌道、橋隧的施工與維護；接觸網檢修與施工、變配電所檢修與施工、電力線路檢修與安裝；鐵道機車駕駛、運用、維保、整備及管理；鐵道車輛檢修與運用；等等[5]。與能力培養相對應的實踐教學具有顯著的特點，且存在高投入、難實施等問題。

（一）主要特點

一方面，鐵道運輸類專業實訓設備具有體積大、危險性高的特點。目前，鐵道運輸類專業常規實訓室包括機車駕駛、受電弓檢查與調試、制動裝置檢修等，且大部分實訓室都具有設備體積龐大或場景巨大等特點。例如，受電弓檢查與調試實訓室，單臺實體設備占地約15平方米（包括輔助設備）；制動裝置檢修實訓室，單臺實體設備占地約30平方米（包括輔助設備）；機車駕駛實訓室，單臺實體設備占地約30平方米（不包括駕駛場景）……而供電相關實訓室不僅實訓設備體積大，還具有高危險性的特點。

另一方面，鐵道運輸類專業實訓設備還存在一定的技術壁壘。鐵道運輸行業關系到國家安全和國民經濟的平穩運行，對安全性和可靠性的要求較高。鐵道運輸類設備需經過多年的研發及現場測試，生產制造企業也需擁有雄厚技術實力和經濟實力，這使得行業存在較高的技術壁壘。此外，嚴格的行政許可和認證制度，也使得行業形成較高的資質壁壘。技術壁壘和資質壁壘帶來的技術封閉，使得相關實訓設備的研發、生產、制造成本較高，價格昂貴。

基于以上原因，鐵道運輸類專業實踐教學具有原理性強、綜合能力要求高的特點。鐵道運輸類專業大部分實訓設備看起來較為簡單，但大部分實踐教學需結合規章、規則開展，并不是簡單的動手能力訓練，而是要做到“口到、眼到、手到、心到”，要求學生反復實操練習。

（二）存在的問題

開設鐵道運輸類專業的院校依據崗位能力要求，開展實訓室建設。雖然實踐教學體系較為完整，但由于實訓設備尺寸大、價格昂貴等特點，實踐教學出現實訓設備臺套數不足、交互層次低、型號老舊等問題。

臺套數不足主要表現為實訓設備少，學生獨立操作、訓練的機會較少，無法有效支撐實踐教學開展。如某知名鐵道運輸類院校的受電弓檢查與調試實訓室只有一臺實體設備，因此，只能采用單組輪流的方式開展實踐教學，教學效率和教學效果無法得到有效保障。

交互層次低主要表現為在仿真教學環節中，采用人機交互的方式完成專業實訓，如使用Pad（Portable android device，平板電腦）等手持終端，完成專業設備的調試等實踐環節，但在教學過程中，娛樂性高于專業性。

型號老舊主要表現在新型設備（如機車）投入使用方面。目前，鐵路部門對高職鐵道機車車輛專業的人才培養提出了新的要求[6]，但由于實訓設備昂貴及場地等的限制，院校無法及時更新實訓設備，跟不上能力需求的變化。

三、基于數字孿生的工程訓練系統框架

為了解決臺套數不足、交互層次低、型號老舊等問題，文章以受電弓調試為例，以操作、調試、故障分析等能力培養為目標，以控制邏輯分析能力培養為拓展，構建基于數字孿生的工程訓練系統框架（圖1）。

工程訓練系統由實訓設備、孿生平臺、上位系統3部分組成，具體如下。實訓設備由被控對象和控制裝置組成，是營造真實崗位場景、實現崗位能力無縫對接的必不可少的組成部分，用于實操、工程驗證等教學環節；孿生平臺由孿生體、驅動控制、通訊接口組成，其中，孿生體是實訓設備的虛擬鏡像，利用建模技術和虛擬仿真技術，映射實訓設備的工作狀態，而通訊接口的數據傳輸速度，決定了孿生體與實訓設備的同步程度；上位系統由I/O（Input/Output）設備和可編程控制系統組成，其中，I/O設備用于孿生體、實訓設備的模擬操作訓練，可編程控制系統用于孿生體、實訓設備的邏輯控制和調試分析。

基于工程訓練系統，教師可完成實控虛、虛控虛的成班制教學，以及虛控實的結果驗證，培養學生操作、調試、故障分析等能力，使系統交互層級達到混合現實級別。

四、孿生體搭建

受電弓孿生體基于MCD進行搭建。MCD支持硬件在環調試，一方面，基于物理屬性的機構仿真，可模擬機械零件和組件的運動行為，實現機構的模擬和評估。另一方面，基于設計對象的數字化模型和開放式接口，可接入控制軟、硬件，實現機械、電氣、軟件的協同設計和聯調。

孿生體搭建流程包括：實體建模、機電對象定義、運動副定義、約束定義、材料定義、耦合副定義、傳感器定義、執行器定義、信號定義、信號連接等。部分流程如下。

（一）實體建模

實體實訓設備，從結構上可以分為：底架、下臂、拉桿、上臂、弓頭、滑板和傳動機構等。

使用拉伸、掃描、旋轉等模型特征，創建實訓設備的虛擬鏡像，1∶1構建受電弓孿生體模型，如圖2所示。

孿生體可應用“爆炸圖”，展示受電弓組件、結構拆裝過程，工作原理等。

（二）連接定義

連接定義包括機電對象、運動副、約束等定義。根據受電弓實訓設備工作原理，底架、下臂、拉桿、上臂、弓頭、滑板和傳動機構等部分被定義為剛體，如需要增加碰撞檢測功能，還應將相關部件定義為碰撞體。為確保孿生運動的準確性，定義底架、弓頭和滑板為固定副，定義上臂和底架、底架和弓頭為碰撞約束，定義底架和下臂、下臂和上臂、上臂和拉桿、上臂和弓頭為鉸鏈副，定義氣缸和活塞為柱面副，進而完成各部件之間位置關系的定義。

（三）傳感器和執行器定義

傳感器的作用是提取部件的運動特征，包括位置、速度、加速度等。執行器的作用是為部件提供力矩、速度等驅動信號。受電弓調試工程訓練系統需要執行升降弓操作，并檢測受電弓到位信息及升弓拉力等，定義氣缸與活塞之間柱面副驅動力，弓頭位移、速度、加速度傳感器等，完成傳感器和執行器定義。

（四）通訊設置

通訊設置是為了保持工程訓練系統、實體實訓設備、上位控制系統數據實時互通。通訊設置包括信號定義、信號連接、服務器設置等流程。以氣路壓力控制和升弓控制為例，說明通訊設置流程。

氣路壓力控制通過調整氣泵壓力調節閥角度完成，屬于內部信號，需定義孿生體調節閥執行器或通過鼠標拖拽方式旋轉，同時定義調節閥和壓力表指針為齒輪耦合副，關聯調節閥角度和指針角度，聯動效果如圖3所示。

升降弓控制通過HMI（Human Machine Interface，人機界面）的升降弓按鈕或控制裝置的升降弓旋鈕完成，屬于外部信號，需定義孿生體升降弓執行器、升降弓信號、升降弓信號連接等。升降弓執行器可通過添加速度控制執行器實現，如需進行受電弓動力學分析，可添加力/扭矩執行器。升降弓信號定義時，選擇升降弓執行器為連接對象，以實現信號控制執行器的效果。升降弓信號連接定義需通過信號映射完成。

五、數字孿生工程訓練系統構建

（一）控制裝置

控制裝置依據受電弓的檢修與調試賽項搭建，主要由PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）、升降弓旋鈕和電磁閥組成。PLC搭載受電弓控制程序，是控制系統的核心；升降弓旋鈕是控制裝置的輸入元件，實現升降弓操作；電磁閥是控制系統的輸出元件，實現氣路的通斷控制。

（二）HMI

HMI搭建過程包括界面設計、變量定義、數據鏈接3個環節。界面設計環節，主要創建受電弓升、降控制按鈕，受電弓狀態指示燈，以及總風壓、氣缸氣壓、工作氣壓指示儀表盤等圖形元件；變量定義環節，主要是對圖形元件的輸入、輸出狀態進行變量定義和關聯；數據鏈接環節，主要是建立系統內部變量之間的數據傳遞關系，確保實訓設備、孿生體、HMI數據一一映射，從而實現HMI的輸入、輸出能夠反映孿生體的動作和實訓設備的實際狀態。

（三）信號連接

信號連接是數字孿生工程訓練系統實現虛實同步的關鍵環節，主要包括數據服務器建立、映射控制裝置操作信號、映射上位系統HMI信號、連接孿生體執行狀態信號。基于OPC（OLE for Process Control）服務器建立信號連接服務器，分別連接控制裝置和HMI。孿生體側，信號定義類型為OPC DA，服務器選擇基于OPC建立的服務器，并選擇對應的內部信號和外部信號，最后執行映射。HMI側，定義變量類型為I/O，連接OPC服務器后，找到對應的信號寄存器并設置讀寫屬性為讀寫。通過同樣的步驟，完成其他信號的連接。

六、數字孿生工程訓練系統應用

數字孿生工程訓練系統包含實訓設備、孿生平臺、上位系統3個部分。在教學過程中，教師采用虛實一體的教學場所，實訓設備與上位機、孿生體分區域布置，并通過網絡連接到上位機、孿生體。上位機、孿生體共用PC

（Personal Computer）主機，分屏顯示，以增強操作的真實感。

教學過程可分解為結構認知、升降弓操作、控制原理分析、檢查與調試、故障分析等環節。其中，升降弓操作環節，可通過HMI控制按鈕或控制裝置旋鈕控制受電弓升降，通過虛擬氣泵旋鈕調節氣壓大小；控制原理分析環節，可通過修改PLC程序，使學生深入學習受電弓控制邏輯，為故障分析環節奠定基礎；故障分析環節，可在孿生體、實訓設備、PLC中設置常見故障。

通過教學實踐，數字孿生工程訓練系統對學生認識受電弓、了解受電弓控制過程、掌握受電弓控制和檢修技能具有較好的效果。

七、結束語

基于數字孿生技術搭建數字模型和實體控制器相結合的工程訓練系統，解決了實踐教學中存在的設備臺套數不足、控制邏輯不直觀、型號老舊、故障難再現等問題。教學實踐表明，數字孿生工程訓練系統教學效果明顯優于VR（Virtual Reality，虛擬現實）級別訓練系統教學效果，且交互性好、真實感強，可維護、可擴展，對鐵道運輸類專業開展實踐教學有很好的借鑒意義。

參考文獻：

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■ 編輯∕陳晶

收稿日期：2023-11-29" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 修回日期：2023-12-19

作者簡介：李剛，男，教授，研究方向為職業教育、智能制造技術應用；韓娜麗，女，講師，博士，研究方向為職業教育、傳熱傳質、建筑節能。

基金項目：安徽省教育廳精品課程“城軌車輛電器”（2022jpkc005）；安徽省高等學校科學研究項目“基于IPO的職教虛擬仿真基地績效評價研究”