鄒俊俊, 馮 巖, 潘 磊, 張 佩, 衛(wèi) 海

(1 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 西安 710014;2 中國鐵路西安局集團(tuán)有限公司, 西安 710014 )

隨著投入運(yùn)營車輛的數(shù)量增加和運(yùn)行速度的提高，鐵路車輛檢修的工作量日益繁重，整個(gè)行業(yè)對能夠從事車輛檢修的技能型人才的需求日益增大。轉(zhuǎn)向架是鐵路車輛核心部件之一，直接關(guān)系到行車安全。它的檢修成本占到40%左右(全生命周期)，是整個(gè)車輛檢修中工作量最大，涉及人員最多的檢修環(huán)節(jié)。[1]各鐵路公司都要求檢修從業(yè)人員必須經(jīng)過包括實(shí)操在內(nèi)的各項(xiàng)考核，合格后方可具備上崗資質(zhì)。

目前培養(yǎng)合格的轉(zhuǎn)向架檢修人員多采取傳統(tǒng)培訓(xùn)方式，即使用物理樣機(jī)作為實(shí)操教學(xué)工具進(jìn)行。以中國鐵路西安局集團(tuán)有限公司為例(以下均簡稱為西安局)，該局專門建設(shè)了一條檢修試驗(yàn)線供新員工快速熟悉轉(zhuǎn)向架檢修流程，一般的軌道交通類職業(yè)院校也多采取類似的培養(yǎng)模式。但是該方法存在以下弊端：

(1)投資大，浪費(fèi)人力物力。一般只能購置專用于實(shí)訓(xùn)的老舊車型，隨行業(yè)發(fā)展，車型更換后，難以對車型更新?lián)Q代升級(jí)。

(2)效率低，存在安全隱患。由于占地面積太大，設(shè)備不易于安放，且受制于場地和安全因素，每次安排培訓(xùn)的人數(shù)非常有限，場地設(shè)備利用率很低。

(3)學(xué)習(xí)效果差。由于轉(zhuǎn)向架和車輛的整體結(jié)構(gòu)較大，僅使用工程圖、檢修工藝卡的學(xué)習(xí)形式不利于學(xué)員清晰、直觀了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

因此，依托企業(yè)技術(shù)力量、優(yōu)勢資源，深化校企合作，打造虛實(shí)結(jié)合、信息交互、職前培養(yǎng)、職后培訓(xùn)的虛擬仿真項(xiàng)目，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 虛擬仿真檢修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)是近年來隨計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)興起的一種新的輔助教學(xué)方式，尤其在實(shí)踐類的學(xué)習(xí)領(lǐng)域，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)能夠?yàn)閷W(xué)員提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過程。在國內(nèi)一些高等學(xué)校的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)室建設(shè)中已有不少成功的案例。

國內(nèi)目前在轉(zhuǎn)向架檢修培訓(xùn)方面已開始運(yùn)用虛擬仿真實(shí)訓(xùn)技術(shù)[2-4]。面向檢修過程的轉(zhuǎn)向架虛擬檢修系統(tǒng)的開發(fā)不僅需要注重計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境的應(yīng)用，還需要考慮物理要素的作用，人機(jī)交互方面針對真實(shí)工況，加強(qiáng)對實(shí)操過程的系統(tǒng)性評價(jià)等。為提高培訓(xùn)效果，必須要結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況，面向真實(shí)檢修過程，建立虛擬檢修仿真環(huán)境，零距離契合真實(shí)檢修工序、流程。因此，課題組在西安局相關(guān)部門的協(xié)助下實(shí)地調(diào)研了檢修車間、收集了檢修工藝資料，最終確定該仿真檢修系統(tǒng)的整體方案如下：

(1)借助三維建模軟件真實(shí)準(zhǔn)確建立轉(zhuǎn)向架各部分結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字模型；

(2)集成能夠全面滿足前置學(xué)習(xí)要求的所有轉(zhuǎn)向架檢修相關(guān)工藝文件；

(3)檢修模塊借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過鼠標(biāo)和鍵盤實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架虛擬拆裝檢修的功能。

(4)針對檢修流程中的常見故障建立隨機(jī)故障庫，并在學(xué)習(xí)的過程中隨機(jī)調(diào)取。

(5)過程控制系統(tǒng)可對學(xué)員的模擬檢修過程全程監(jiān)控并對檢修結(jié)果給出科學(xué)評價(jià)。

按照此方案，檢修系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 虛擬檢修仿真系統(tǒng)軟件架構(gòu)

2 虛擬仿真檢修系統(tǒng)的組成與功能

2.1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊

該模塊主要包括兩方面的內(nèi)容：(1)系統(tǒng)介紹和檢修流程學(xué)習(xí)。內(nèi)容包含系統(tǒng)的基本操作說明和轉(zhuǎn)向架整體檢修流程相關(guān)工藝文件，該部分工藝文件全部由西安局相關(guān)部門協(xié)助提供。(2)轉(zhuǎn)向架模型展示。轉(zhuǎn)向架檢修模型選用的是目前服役的25G型客車轉(zhuǎn)向架。課題組在設(shè)計(jì)圖紙基礎(chǔ)上，利用三維建模軟件，根據(jù)自上而下的設(shè)計(jì)原則，運(yùn)用先進(jìn)的交互式參數(shù)化建模方法，創(chuàng)建生成轉(zhuǎn)向架各零部件的三維模型，然后導(dǎo)入U(xiǎn)nity3d中進(jìn)行交互性設(shè)計(jì)，完成的主要零部件模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向架主要零部件及總裝配圖模型

模塊的特點(diǎn)在于學(xué)員可以按照檢修操作的流程自主學(xué)習(xí)。學(xué)員既可以通過內(nèi)置的自動(dòng)演示功能觀看轉(zhuǎn)向架的基本結(jié)構(gòu)，還可對模型進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放，便于學(xué)習(xí)者清楚觀察，通過檢修工藝卡等圖文資料，對轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)中的重要零部件的結(jié)構(gòu)及其功能進(jìn)行展示，方便學(xué)員清楚認(rèn)知轉(zhuǎn)向架的構(gòu)造和檢修的基本流程。其功能界面如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)認(rèn)知功能模塊

2.2 轉(zhuǎn)向架虛擬檢修模塊

鐵路客車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要包括構(gòu)架組成、輪對軸箱裝置、搖枕彈簧裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等，其一般檢修流程如圖4所示，其中各工位需要檢修的主要項(xiàng)目如表1所示。[5]

圖4 轉(zhuǎn)向架結(jié)檢修基本流程

本系統(tǒng)在故障庫中建立了23個(gè)子檢修項(xiàng)目，學(xué)員在完成前述的認(rèn)知模塊導(dǎo)引學(xué)習(xí)并考核通過后，即可通過檢修模塊進(jìn)行仿真。本模塊的設(shè)計(jì)圍繞3個(gè)核心內(nèi)容展開。(1)檢修環(huán)境：目前西安局改革傳統(tǒng)的機(jī)車檢修作業(yè)方式，采用流水線作業(yè)，即車動(dòng)人不動(dòng)，拆、檢、裝節(jié)拍化設(shè)計(jì)，檢修線按照工作職責(zé)不同設(shè)計(jì)了 22 個(gè)工位，形成工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式。在軟件中我們利用3dsmax和Unity3D建立了各工位的模型，為力求接近實(shí)際，包括各工位使用的工裝、天車等設(shè)備和安全規(guī)程都按照實(shí)際情況建立，學(xué)習(xí)者可以更加直觀的認(rèn)識(shí)未來的工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)結(jié)束“零距離”上崗。(2)檢修流程：學(xué)員需在指定工位上按照檢修工藝要求對轉(zhuǎn)向架的主要結(jié)構(gòu)、輔助裝置進(jìn)行清洗、拆裝、檢修。(3)檢修方法：學(xué)員需選擇合適工具，按照規(guī)定方法，按照標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)完成檢修。

以圖5、圖6所示的中央懸掛裝置項(xiàng)目中的組裝垂向油壓減振器為例，說明虛擬檢修模塊的工作過程。當(dāng)學(xué)員抽取到該任務(wù)后，前往檢修線虛擬工位，閱讀檢修工藝卡了解工藝要求。該任務(wù)為典型的零部件裝配工序，為真實(shí)模擬裝配工序的所有要素，本例設(shè)計(jì)為學(xué)員在圖5中間區(qū)域進(jìn)行物料選擇，然后在右邊工具選擇欄選擇要用的工夾量具，隨后按照操作規(guī)程將各零件正確裝配。所有虛擬操作均按照技術(shù)要求在系統(tǒng)中進(jìn)行檢驗(yàn)。如圖6所示的螺栓緊固操作，裝入零件后需使用力矩扳手對零件緊固，力矩大小和旋向由學(xué)員自行控制，每順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一次力矩扳手，緊固力矩增加相應(yīng)數(shù)值，操作完畢后若緊固力矩不符合要求，觸發(fā)零件失效動(dòng)畫，任務(wù)失敗，扣除操作分?jǐn)?shù)。類似的包括裝配順序、是否干涉等多項(xiàng)技術(shù)要求均在系統(tǒng)中進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)置。由此可見，本模塊設(shè)計(jì)上力求增強(qiáng)真實(shí)性和交互性，通過虛擬實(shí)操，使得復(fù)雜的裝配關(guān)系、裝配工藝得以清晰表達(dá)，為學(xué)員提供了真實(shí)、可視化的操作空間。

表1 轉(zhuǎn)向架虛擬檢修模塊主要內(nèi)容

圖5 垂向油壓減振器組裝任務(wù)物料選擇示例

圖6 垂向油壓減振器組裝任務(wù)緊固操作示例

3 學(xué)習(xí)評價(jià)模塊

本系統(tǒng)既可以方便實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)考核，同時(shí)也便于按照檢修工藝，進(jìn)行操作要點(diǎn)的仿真實(shí)訓(xùn)考核。為保證系統(tǒng)評價(jià)學(xué)員學(xué)習(xí)的科學(xué)性，學(xué)習(xí)評價(jià)模塊功能設(shè)計(jì)為：學(xué)生利用鼠標(biāo)和鍵盤在虛擬環(huán)境中對轉(zhuǎn)向架進(jìn)行結(jié)構(gòu)認(rèn)知、虛擬檢修等操作，系統(tǒng)后臺(tái)記錄學(xué)員的操作行為，然后依據(jù)車輛段檢修工藝規(guī)程進(jìn)行兩個(gè)層面的評價(jià)：操作步驟評價(jià)，即評價(jià)學(xué)員在虛擬檢修模塊中對轉(zhuǎn)向架部件的拆解、檢查、調(diào)整與安裝等，是否按照操作順序和要點(diǎn)進(jìn)行；操作方法評價(jià)，即評價(jià)學(xué)員在模擬檢修中使用的工具、操作時(shí)使用的包括力、力矩、角度等在內(nèi)的物理量是否滿足技術(shù)要求進(jìn)行評價(jià)。

通過上述兩個(gè)層面的評價(jià)，學(xué)員在考核中每一步驟均需要嚴(yán)格依照操作規(guī)程進(jìn)行，出現(xiàn)不當(dāng)操作和多余操作都會(huì)扣除相應(yīng)分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)訓(xùn)考核中的過程管理，保證了考核過程的客觀性和科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)理論和實(shí)際操作結(jié)合的數(shù)字化考核平臺(tái)的功能。

4 結(jié)束語

隨著軌道交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，新技術(shù)新裝備不斷涌入，整個(gè)行業(yè)對具備專業(yè)素質(zhì)和技能的人才需求量不斷增加。對學(xué)校而言，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式日益難以滿足人才培養(yǎng)的需要，通過虛擬仿真技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)開發(fā)虛擬仿真檢修平臺(tái)，利用仿真平臺(tái)不受場地和人數(shù)限制、在故障模擬、工況仿真方面，資源共享、升級(jí)、維護(hù)方面的巨大優(yōu)勢，真正的把企業(yè)的崗位需求引入到教學(xué)過程中去，才能更好的服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)，為行業(yè)的發(fā)展提供有力支持。