陳兆瑋 鄧濤 梁棟

摘 要：近年來，我國城市軌道交通得到了飛速的發(fā)展，為了更好適應(yīng)各大中型城市對相關(guān)專業(yè)人才的需求，重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院設(shè)計(jì)了一套城市軌道交通車輛結(jié)構(gòu)裝配虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，該虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式已經(jīng)取得了一定的成果，培養(yǎng)出了一批全面的軌道交通車輛設(shè)計(jì)、制造、裝配、維修、開發(fā)等全方面復(fù)合型人才。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通車輛 虛擬現(xiàn)實(shí) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 人機(jī)交互

中圖分類號：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（b）-0173-02

Abstract： In recent years， urban rail transit system has a fast development in China. To better satisfy the need of talents in railway vehicle engineering， a perfect virtual simulation experiment teaching system in the assembly of railway vehicle is established in Chongqing Jiaotong University， adopting which hundreds of students have been trained. The results show that the experiment teaching system is effective in train the students skills in railway vehicle design， manufacture， maintain and operation.

Key Words： Railway vehicle； Virtual reality； Experiment teaching；Human-computer interaction

當(dāng)今世界，地下鐵道發(fā)展迅速，各發(fā)達(dá)國家擁有百萬以上人口的大都市。大都修建地鐵來緩解和改善交通緊張狀況。就我國人口眾多而言，更應(yīng)該發(fā)展地鐵工程，我國的地鐵也有著良好的前景。與此同時(shí)，在城市軌道車輛專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)上，也要予以更多的關(guān)注，引入新型科技手段，力求將其培養(yǎng)成適用于我國城市軌道交通行業(yè)設(shè)計(jì)、制造、維修、運(yùn)營等綜合類人才。

1 目前城市軌道交通車輛專業(yè)教學(xué)中存在的問題

目前的城市軌道交通車輛專業(yè)最大的特點(diǎn)是設(shè)備先進(jìn)，自動化技術(shù)程度高，高昂的價(jià)格不適合學(xué)校和科研機(jī)構(gòu)的教學(xué)應(yīng)用，且對實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的要求更高。由于受諸多因素限制，傳統(tǒng)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)條件有限，集成度低，完成的實(shí)驗(yàn)功能單一。同時(shí)，因?yàn)樵O(shè)備昂貴、臺套數(shù)少，無法進(jìn)行多人多任務(wù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)，不能滿足教學(xué)需要。同時(shí)，由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝備數(shù)量不足，設(shè)備功能有限，無法有效考核教學(xué)質(zhì)量。

2 城市軌道交通車輛結(jié)構(gòu)裝配虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，能滿足交通裝備類專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，是解決上述難題的有效手段。同時(shí)，還可以通過情景再現(xiàn)、模擬駕駛、事故預(yù)警技術(shù)，解決特殊工況難以展現(xiàn)，不可及、不可逆的操作難以實(shí)現(xiàn)的局限，為科學(xué)研究提供試驗(yàn)支撐和數(shù)據(jù)支持。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。因此，重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院建立了一套虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以培養(yǎng)軌道交通車輛相關(guān)的人才。

本虛擬實(shí)驗(yàn)平臺提供了大量的接口程序，具備強(qiáng)大的二次開發(fā)功能，可用于提高指導(dǎo)教師及學(xué)生的編程、系統(tǒng)自主開發(fā)、自行設(shè)計(jì)能力。借助相關(guān)軟件二次開發(fā)的技術(shù)手段，學(xué)生可以在熟知城市軌道交通車輛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)相關(guān)結(jié)構(gòu)的開發(fā)設(shè)計(jì)能力。學(xué)生通過人機(jī)交互界面，可自行設(shè)計(jì)開發(fā)新型的輪對、構(gòu)架、牽引傳動系統(tǒng)、車體等車輛重要零部件，并對自主開發(fā)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配形成新型城市軌道交通車輛。然后，學(xué)生可對自主開發(fā)的車輛進(jìn)行啟動、制動等運(yùn)行測試，并根據(jù)測試結(jié)果對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。此外，學(xué)生還可以通過編程及二次開發(fā)的方式，對人機(jī)交互界面進(jìn)行修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制、信號通訊等系統(tǒng)操作方式和交互界面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與自主開發(fā)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)原理見圖1。

借助本虛擬教學(xué)項(xiàng)目，針對城市軌道車輛構(gòu)造課程，結(jié)合實(shí)體實(shí)驗(yàn)室中的轉(zhuǎn)向架現(xiàn)場教學(xué)，使學(xué)生對城市軌道交通車輛的結(jié)構(gòu)更為熟悉、對運(yùn)行控制系統(tǒng)更為了解，并通過相關(guān)軟件的二次開發(fā)技術(shù)，加強(qiáng)學(xué)生對軌道交通車輛結(jié)構(gòu)的自主開發(fā)能力以及人機(jī)交互界面的自主設(shè)計(jì)能力。

本虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括如下內(nèi)容。

（1）基于labview開發(fā)軟件，開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺，搭建虛擬軌道等虛擬環(huán)境，結(jié)合實(shí)體實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場教學(xué)與課堂講授，學(xué)生通過聽覺、觸覺、視覺等感官及人機(jī)交互操作，對城市軌道交通車輛關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)更為熟悉，培養(yǎng)學(xué)生對車輛各結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)能力。

（2）通過數(shù)據(jù)手套等人機(jī)交互和傳感器技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生城市軌道交通車輛的裝配能力。

（3）加強(qiáng)學(xué)生對城市軌道交通車輛信號控制過程的了解，掌握城市軌道交通車輛在牽引、制動、正常行駛等情況下的運(yùn)動狀態(tài)。

（4）基于二次開發(fā)技術(shù)，使學(xué)生可以自主開發(fā)新型轉(zhuǎn)向架、車體等城市軌道交通車輛等關(guān)鍵零部件，通過對其進(jìn)行裝配并最終形成學(xué)生自行設(shè)計(jì)開發(fā)的新型城市軌道交通車輛，可培養(yǎng)學(xué)生的編程及二次開發(fā)等技能，增強(qiáng)學(xué)生對城市軌道交通車輛自主開發(fā)設(shè)計(jì)的能力。

（5）學(xué)生可對列車運(yùn)行控制、信號傳輸系統(tǒng)等控制系統(tǒng)進(jìn)行自主開發(fā)，設(shè)計(jì)新型的人機(jī)交互界面及操作方式，更進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生在城市軌道交通車輛設(shè)計(jì)、制造、裝配、開發(fā)等方面的綜合能力。

3 結(jié)語

本虛擬教學(xué)項(xiàng)目采用了多種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，主要包括有講授法、參觀教學(xué)法、直接演示法、自主學(xué)習(xí)法、自行操作法等，不同的方法在不同的實(shí)驗(yàn)子課題中均得到了廣泛的采用。通過對人機(jī)交互、數(shù)據(jù)傳遞方式的二次開發(fā)設(shè)計(jì)，學(xué)生可以對車輛控制系統(tǒng)的操作方式及交互界面進(jìn)行自主開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)車輛更為便捷地操控。通過該虛擬實(shí)驗(yàn)，可將學(xué)生培養(yǎng)成全面的軌道交通車輛設(shè)計(jì)、制造、裝配、維修、開發(fā)等全方面復(fù)合型人才。

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