基于VR技术的铁路客车转向架仿真实训系统开发

    樊亚玲 冯岩 邹俊俊等

    摘 要：以铁路客车典型转向架为模型，采用现代化的虚拟现实（VR）技术，对传统铁路客车转向架进行三维建模和VR仿真系统开发，使系统具有装配、检修及考核评价机制，通过实践发现学生的积极性和创新性明显提高，采用VR仿真系统的实训成绩比传统实训成绩高，学生的满意度也明显提高，此系统不但节省了实训成本，还提高了教学效果。

    关键词：VR技术;仿真实训;客车转向架;系统开发

    0 引言

    铁路客车转向架是城市轨道交通车辆的重要组成部分，也是城市轨道交通车辆中的关键部件，转向架的结构复杂、造价较高，对于列车的安全运行起到非常重要的作用[1-2]。铁路机车专业的学生学习好转向架的结构拆装及维护检修是非常重要的，但在以往的实训过程中发现，学生对转向架的拆装及检修实训不重视，原因在于内容枯燥，创新性不足 。虚拟现实是一种创造教育新模式，是未来教育的趋势，采用VR技术把教学与实践的距离大幅缩小，使學生在虚拟环境中完成转向架的装配、检修及考核评价，增加了学生的积极性和创新性，激发了学生的学生兴趣。

    1 功能设计

    针对铁道车辆学生的创新实训教学出发，以目前铁路客车典型转向架为模型，采用现代化的虚拟现实技术，对铁路客车转向架教学实训采用虚拟化实训，不但解决了实训设备不足限制，更重要的减少了实验过程中对设备反复操作的磨损，降低维护成本，给学生提供了一种创新性的教学模式。基于仿真教学的强操作性，系统应具备以下功能：（1）教师可对铁路客车转向架进行VR演示;（2）学生可以在虚拟环境中进行零部件的拆装;（3）对学生的操作具有良好的评价功能。

    2 仿真系统研发

    （1）装配仿真系统开发。利用三维CAD设计软件包括：3DMAX、Solidworks等建立一种铁路客车常见车型转向架的零部件和装配模型，并且在建模的过程中采用参数建模的手段。参数化建模可以提供设计对象的附加信息，把参数和模型一起存储，参数可以标明不同模型的属性。例如在一个“轮轴”中创建参数“材料”后，对于该模型的运动学和受力计算才能进行。同时，参数化模型的使用周期长，维护简单，通过变更参数的数值可以快速变更模型的形状和大小。比如我们在设计25g型车车轴时引入“车轴长度”和“直径”两个参数，在进行新车型设计时只需更改该参数的值即可快速的重新生成。有利于产品模型的更新设计。

    （2）检修仿真系统开发。学生不但要学习装配的流程，还要对装配环节中出现的问题进行检测及修配，在装配完成后，还有对转向架在实际应用中出现的问题进行检修仿真。

    由于装配实训中的模型已带有物理特性参数如材料、弹性模量等，在本环节中即可模拟零件的磨损、变形等情况，让学生利用相应的工量具进行检测，完成故障排查。通过调研铁路局当前使用的车辆检修行业规范，建立故障检修模块，针对铁路列车转向架检修规范中列出的主要故障建立故障数据库，供学生操作训练。

    （3）考核系统开发。当学生完成检修操作，系统记录下学生完成故障处理的方法和处理时间，依据客车车辆检修手册的评判标准来给予科学评价。总成绩中，成绩采用出勤占10%，此部分由老师给定，实训报告占25%，由实习报告卷面成绩为准，实训的正确操作及遇到问题时的解决方法占45%，此部分由计算机考核，计算机可以记录每位学生的操作方法，和标准的操作流程就行对比，同时，对于学生操作中遇到的困难，系统根据学生解决困难的实践进行评价，实训中的创新性占20%，此部分由系统和老师进行综合评价。

    3 实践效果

    随机抽取车辆专业的4个班的学生和机电专业的2个班的学生为研究对象开设相应的课程，对这6个班的学生实训课程进行分类，其中车辆1701班、车辆1703班、机电1701班采用传统实习，车辆1702班、车辆1704班、机电1702班采用基于VR的实训教学，在实训教学期间对学生的积极性和创新性进行统计，课后对学生的满意度进行问卷调查，成绩采用出勤占10%，实训报告占25%，实训的正确操作及遇到问题时的解决方法占45%，实训中的创新性占20% 。

    4 仿真系统的优势

    （1）使用周期长、维护方便。本系统利用参数化建模手段，产品的改型和优化更方便、当车型设计有改进时可以通过修改参数的办法快速重新设计，比之同类系统的使用周期更长，维护成本低。

    （2）模拟效果更好，练习效果更优。通过装配和检修两大模块演示转向架结构模拟检修工作过程，模拟效果逼近真实工况，练习效果好。

    （3）评价体系更科学。依据现行检修操作规范，将操作时间、对工量具的使用等环节也计入评价体系，而非简单的仅判断学生操作的“对”与“错”。

    （4）经济性好。目前省内尚无同类产品的研究开发，如能研究成功，可为高校实训教学和企业员工培训节省大量经费。

    5 结语

    基于VR技术的铁路客车转向架实训软件系统的开发，不但改进了传统实训教学中的落后的教学手段和枯燥的教学方法，通过实训发现学生的学习热情高，积极性高，学生动手能力强，相应的创新性也有所提高，学生的学习兴趣非常浓，软件的模拟效果较好，评价体系也更科学，具有良好的经济性，对学生的铁路客车转向架的实训教学效果提高明显。

    参考文献：

    [1]张伟.城市轨道交通车辆转向架虚拟仿真实训技术的研究[J]. 信息与电脑（理论版），2017（16）：65-66.

    [2]米小珍，梁树林，兆文忠等.面向检修的CRH3动车组转向架虚拟仿真系统开发[J].铁道机车车辆，2010，30（01）：32-36.