張嘉鷺 李曉鵬 馬軍 邢邦圣

摘? ?要：面向軌道交通領(lǐng)域的車輛工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)匱乏，且現(xiàn)有教學(xué)資源成本高、共享性差、不能遠(yuǎn)程在線使用。江蘇師范大學(xué)依托軌道交通信息與控制國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，融合Web 3D技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)出動(dòng)車組模擬駕駛、檢修維護(hù)、故障診斷、結(jié)構(gòu)裝配等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)了車輛工程專業(yè)在線虛擬仿真教學(xué)資源的深度開發(fā)，建設(shè)了集虛擬實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)和教學(xué)管理于一體的網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái);進(jìn)一步加強(qiáng)了車輛工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵建設(shè)，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的在線開放與共享;取得了良好的應(yīng)用效果，可為相關(guān)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：車輛工程;動(dòng)車組;實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬仿真

中圖分類號(hào)：U266;G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2021）03-0032-04

一、引言

我國于2016年修訂了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，確定到2025年全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到17萬公里，建設(shè)高速鐵路3.8萬公里以上，并在全國形成“四縱四橫”乃至“八縱八橫”的高速鐵路網(wǎng)。截至2018年12月31日，我國實(shí)際運(yùn)營的鐵路里程已逾13.1萬公里，其中高速鐵路里程超過2.9萬公里，穩(wěn)居世界首位。[1]

高速鐵路的快速發(fā)展需要大量的專業(yè)技術(shù)人才，目前國內(nèi)已有100余所高校開設(shè)了面向軌道交通領(lǐng)域（動(dòng)車組）的車輛工程專業(yè)。由于該專業(yè)實(shí)驗(yàn)成本高、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長等原因，針對(duì)其實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)仍在探索之中，現(xiàn)階段的授課方式普遍依托理論教學(xué)，學(xué)生難以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)動(dòng)車組的結(jié)構(gòu)特征形成感官認(rèn)知，更難以掌握動(dòng)車組復(fù)雜的運(yùn)用方式、檢修工藝與設(shè)計(jì)方法。[2]因此，如何構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，進(jìn)而提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，成為當(dāng)前車輛工程專業(yè)建設(shè)和發(fā)展過程中亟需解決的問題。

二、教學(xué)資源傳統(tǒng)建設(shè)方法

針對(duì)上述問題，諸多高校開展了車輛工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的研究，并提出了一系列的解決辦法及建議，主要為以下三種：

1.研發(fā)實(shí)體教學(xué)模型

比較有代表性的是同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的高鐵司機(jī)培訓(xùn)仿真平臺(tái)和西南交通大學(xué)研發(fā)的高速動(dòng)車組模擬駕駛器。上述兩套實(shí)驗(yàn)教學(xué)用列車駕駛臺(tái)尺寸與真車保持一致，按鍵、旋鈕等輔助設(shè)備均采用原廠配件，并通過圖形工作站構(gòu)建出高速動(dòng)車組的運(yùn)行場(chǎng)景，學(xué)生可以在身臨其境的感受中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取得了較好的應(yīng)用效果。[3]但此類高仿真模型的研發(fā)成本動(dòng)輒以百萬元計(jì)，且單臺(tái)設(shè)備同一時(shí)間內(nèi)受訓(xùn)學(xué)生的數(shù)量極為有限，因此未能得到廣泛推廣。[4]

2.開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件

鑒于實(shí)體教學(xué)模型的高昂成本，近年來越來越多的高校將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的開發(fā)。例如：2016年，北京交通大學(xué)針對(duì)動(dòng)車組傳統(tǒng)培訓(xùn)方式不能實(shí)現(xiàn)全故障仿真的不足，基于分布式技術(shù)開發(fā)出一套高速動(dòng)車組故障仿真訓(xùn)練軟件;[5]2017年，大連交通大學(xué)針對(duì)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架多媒體信息系統(tǒng)需求，通過虛擬裝配技術(shù)對(duì)CRH5動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的裝配過程進(jìn)行虛擬仿真，使復(fù)雜的裝配關(guān)系得以清晰的表達(dá)。[6]但上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件均基于C/S架構(gòu)開發(fā)，即僅能單機(jī)運(yùn)行卻不能在線使用，因此，此類虛擬仿真教學(xué)資源的共享性受到局限。

3.建設(shè)校外實(shí)習(xí)基地

部分高校結(jié)合自身所處的地理位置，就近聯(lián)系動(dòng)車段、機(jī)務(wù)段、供電段或高鐵車站等鐵路部門，積極進(jìn)行校外實(shí)習(xí)實(shí)踐基地的建設(shè)。[7]以江蘇省內(nèi)高校為例，江蘇師范大學(xué)和南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院分別與徐州東動(dòng)車運(yùn)用所、南京動(dòng)車段達(dá)成合作協(xié)議，車輛工程專業(yè)的學(xué)生可在上述單位進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)或畢業(yè)實(shí)習(xí)。學(xué)生可通過跟班實(shí)習(xí)的方式了解動(dòng)車組的結(jié)構(gòu)組成、駕駛流程和檢修工藝，但此類師徒傳授模式的教學(xué)效果難以保證，且在實(shí)操作業(yè)的過程中具有較強(qiáng)的危險(xiǎn)性。[8]

綜上所述，通過研發(fā)實(shí)體教學(xué)模型、開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件、建設(shè)校外實(shí)習(xí)基地的途徑，可在一定程度上緩解現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足的問題，但以上方法分別存在成本高、共享性差、危險(xiǎn)性強(qiáng)的缺點(diǎn)，車輛工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)匱乏的困境并未得到根本性改善。

三、“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真資源的建設(shè)意義

建設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車輛工程專業(yè)虛擬仿真教學(xué)資源并在線開放，可有效推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，進(jìn)而拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，對(duì)改進(jìn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法具有較大意義。[9-11]具體體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1.降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本

如前文所述，面向軌道交通領(lǐng)域的車輛工程專業(yè)實(shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)備極為昂貴，且安裝、維護(hù)過程煩瑣。而參照高精度工程圖紙建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，可有效緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備購置經(jīng)費(fèi)短缺、實(shí)驗(yàn)用房緊張等問題。[12]且實(shí)驗(yàn)資源的更新?lián)Q代僅需在服務(wù)器中重新部署軟件即可，實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本可以得到顯著降低。[13]

2.優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

基于B/S架構(gòu)建設(shè)的車輛工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，可在根本上解決C/S架構(gòu)資源僅能單機(jī)使用的問題，所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均可遠(yuǎn)程在線學(xué)習(xí)、操作和考核，學(xué)生不必受制于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)分組等，借助計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)即可完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)習(xí)者還可借助網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜困難實(shí)驗(yàn)的異地分布式多人協(xié)同作業(yè)，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源優(yōu)化與開放共享的目的。[14][15]

3.提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

動(dòng)車組體積龐大，零部件數(shù)以萬計(jì)，若通過實(shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行教學(xué)，則存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)不易觀察、裝配關(guān)系難以理解、異常工況無法再現(xiàn)等問題，教學(xué)效果難以保證。而通過虛擬仿真技術(shù)建立的動(dòng)車組交互式三維模型可輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)備透視化、裝配關(guān)系動(dòng)態(tài)化，并通過參數(shù)變換功能可實(shí)現(xiàn)不可及、不可逆工況的模擬。[16]

四、建設(shè)內(nèi)容與共享機(jī)制

1.構(gòu)建“一心四環(huán)”的教學(xué)資源系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源立足現(xiàn)代軌道車輛領(lǐng)域，采用數(shù)字虛擬仿真、人機(jī)交互等先進(jìn)的教育信息化技術(shù)，以“車輛工程教學(xué)資源”為中心，構(gòu)建“模擬駕駛虛擬仿真”、“裝配訓(xùn)練虛擬仿真”、“檢修維護(hù)虛擬仿真”、“故障處理虛擬仿真”等四個(gè)方面的虛擬仿真教學(xué)資源，單個(gè)教學(xué)資源又可分為若干實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成“一心四環(huán)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示。

2.打造基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的共享機(jī)制

教學(xué)資源以Unity 3D為三維引擎，采用WebGL技術(shù)開發(fā)，突破了C/S架構(gòu)客戶端的限制，基于B/S架構(gòu)將虛擬仿真教學(xué)資源部署在安裝了SQL Server、Oracle等數(shù)據(jù)庫軟件的服務(wù)器上。用戶僅需安裝瀏覽器即可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問服務(wù)器內(nèi)的教學(xué)資源。由于所有客戶端均統(tǒng)一為Web瀏覽器，因此在無需安裝任何其他軟件的前提下即可進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，最大程度上實(shí)現(xiàn)資源共享的功能。網(wǎng)絡(luò)共享機(jī)制如圖2所示。

3.搭建“三位一體”的網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)

依托江蘇師范大學(xué)軌道交通信息與控制國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（下文簡稱“中心”），對(duì)現(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目加以整合和數(shù)據(jù)接入。依次建立針對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、針對(duì)企業(yè)職工的實(shí)踐培訓(xùn)平臺(tái)和針對(duì)教師的科研服務(wù)平臺(tái)。三個(gè)平臺(tái)功能聯(lián)動(dòng)、相輔相成，形成一體化相互推動(dòng)關(guān)系。同時(shí)，在門戶網(wǎng)站基礎(chǔ)上，優(yōu)化平臺(tái)技術(shù)體系，建立統(tǒng)一虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和平臺(tái)接口規(guī)范，實(shí)現(xiàn)管理平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的無縫對(duì)接與互相支撐。網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。

4.建立“優(yōu)化再生、持續(xù)提升”的管理體系

資源建設(shè)團(tuán)隊(duì)建立了科學(xué)高效的共建共享運(yùn)行機(jī)制，引入市場(chǎng)力量探索實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目運(yùn)行模式，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源優(yōu)化再生和持續(xù)提升，搭建科學(xué)的績效評(píng)價(jià)體系和完善的服務(wù)支撐體系。依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，對(duì)在線開放的“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目實(shí)施星級(jí)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)制度，并考慮有償使用原則，最終建立“互補(bǔ)互利、成本均攤、服務(wù)有償、收益共享”的運(yùn)行模式。[17]在主管部門的指導(dǎo)下，采取“統(tǒng)一管理、統(tǒng)籌規(guī)劃、資源共享、有效利用”的管理模式，實(shí)現(xiàn)車輛工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的日常管理。運(yùn)行與管理機(jī)制架構(gòu)如圖4所示。

五、建設(shè)成效

中心近三年來已開發(fā)車輛工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件共計(jì)7套，圖紙、視頻等教學(xué)資源近2TB。限于篇幅，僅將部分虛擬仿真軟件羅列如下：

1.高鐵列車一級(jí)檢修教學(xué)系統(tǒng)

動(dòng)車組一級(jí)檢修密切關(guān)系到高鐵列車的運(yùn)行安全，檢修工藝尤為復(fù)雜。目前，中心已完成高鐵列車一級(jí)檢修虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)（該系統(tǒng)曾獲2018年度國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目立項(xiàng)），可在線實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容預(yù)習(xí)、教學(xué)課件查閱、交互式檢修訓(xùn)練與考核、實(shí)驗(yàn)報(bào)告導(dǎo)出、成績管理等功能。檢修操作頁面如圖5所示。

2.動(dòng)車組模擬駕駛教學(xué)系統(tǒng)

動(dòng)車組模擬駕駛系統(tǒng)可以針對(duì)國內(nèi)主流車型（CRH380A/B型動(dòng)車組）進(jìn)行虛擬仿真駕駛訓(xùn)練。目前，中心已構(gòu)建出兩種車型登錄模塊、沿途車站及線路場(chǎng)景、司機(jī)室交互式虛擬仿真模型等，可模擬南京南站至杭州東站的動(dòng)車組駕駛流程。模擬駕駛界面如圖6所示。

3.轉(zhuǎn)向架裝配訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)

針對(duì)動(dòng)車組核心部件轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)組成、裝配順序，拆裝工藝進(jìn)行了虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)（該系統(tǒng)曾獲2017年度國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目立項(xiàng)）。目前，可通過互聯(lián)網(wǎng)在Web網(wǎng)頁上進(jìn)行轉(zhuǎn)向架虛擬裝配與檢修。該系統(tǒng)按照S1000D設(shè)計(jì)規(guī)范開發(fā)，主要包括系統(tǒng)功能區(qū)、導(dǎo)航區(qū)、主內(nèi)容顯示、圖表顯示區(qū)等。轉(zhuǎn)向架裝配界面如圖7所示。

中心所建設(shè)的車輛工程專業(yè)“互聯(lián)網(wǎng)+”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源已提供給本校、周邊高校及鐵路企業(yè)使用。3年以來，已為江蘇師范大學(xué)培養(yǎng)畢業(yè)生800余人，為中國礦業(yè)大學(xué)、徐州工程學(xué)院、徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院、徐州交通技師學(xué)院等周邊高校培養(yǎng)學(xué)生600余人，為徐州車輛段、南京動(dòng)車段、濟(jì)南動(dòng)車運(yùn)用所、徐州東動(dòng)車運(yùn)用所等鐵路部門培訓(xùn)職工500余人;已開出校內(nèi)實(shí)驗(yàn)20000余人×?xí)r數(shù)，開出校外實(shí)驗(yàn)30000余人×?xí)r數(shù)。通過對(duì)虛擬仿真資源的深入推廣，使在校學(xué)生及新入職員工的專業(yè)技能和解決實(shí)際問題的能力得到顯著提升，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)訓(xùn)與工程實(shí)踐的無縫對(duì)接。

六、結(jié)語

面向軌道交通領(lǐng)域的車輛工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)匱乏，且現(xiàn)有教學(xué)資源成本高、共享性差、不能遠(yuǎn)程在線使用。

江蘇師范大學(xué)軌道交通信息與控制國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心自主研發(fā)出動(dòng)車組駕駛、檢修、排障、裝配等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，并與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)了車輛工程專業(yè)在線虛擬仿真教學(xué)資源的深度開發(fā)，建設(shè)了集虛擬實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)和教學(xué)管理于一體的網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)。進(jìn)一步加強(qiáng)了車輛工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵建設(shè)，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的在線開放和共享，取得了良好的應(yīng)用效果，可為相關(guān)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā)與共享提供參考。

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（編輯：王天鵬）