鐵路客車轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)的實用性分析

衛(wèi)海 馮巖 鄒俊俊 張佩 樊亞玲

摘 要：近年來，隨著我國擴大鐵路規(guī)模，鐵路客運里程大幅增長，符合資質(zhì)要求的檢修工人數(shù)無法滿足鐵路客車檢修量的矛盾日益突出。大量的鐵路客車需要定期檢修，而培訓一名合格的檢修工人周期較長，且受場地等客觀因素的限制性較大。本文以鐵路客車較為重要的部位轉(zhuǎn)向架為例，通過研究基于VR技術(shù)的鐵路客車轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)，分析該系統(tǒng)的實用性。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架系統(tǒng);虛擬仿真;檢修培訓;實用性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.213

1 前言

改革開放以來，我國鐵路建設(shè)和運營迎來了飛躍式發(fā)展。大規(guī)模鐵路網(wǎng)需要數(shù)以萬計的鐵路客車運行支持。

轉(zhuǎn)向架技術(shù)關(guān)系到鐵路客車運行的安全性、可靠性和舒適度，是鐵路客車的核心技術(shù)之一。據(jù)資料統(tǒng)計，雖然鐵路客車轉(zhuǎn)向架成本占比較小，但在維修成本中的占比卻很大。在不同級別檢修過程中，轉(zhuǎn)向架的檢修工作量最大，消耗的人力資源和時間成本最多，相關(guān)的組織管理工作難度也最大。

為了解決與日俱增的鐵路客車檢修工作任務(wù)，需要大量的檢修人才。鐵路職業(yè)院校作為為鐵路集團公司輸送實踐技能型人才的搖籃，應(yīng)積極承擔起培養(yǎng)鐵路客車檢修人才的重任，這不僅能成為校企合作的良好契機，更能提升高職院校的就業(yè)率和社會價值。

傳統(tǒng)的鐵路客車檢修人才的培養(yǎng)模式投資大、效率低、學習效果一般，且受時間、地點限制性大。因此依托企業(yè)的技術(shù)等優(yōu)勢資源，深化校企合作，增進理實一體化，打造虛實結(jié)合、信息交互、學校培養(yǎng)、企業(yè)培訓的虛擬仿真實訓系統(tǒng)，意義重大。

2 鐵路客車轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)概述

近年來，隨著計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)的興起，虛擬仿真系統(tǒng)作為一種新型的輔助教學手段被廣泛應(yīng)用于各科實踐類教學。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)越性在于通過三維模型和環(huán)境的建立，可使操作者與場景發(fā)生交互，使操作者能夠在虛擬的環(huán)境中完美地模擬現(xiàn)實檢修的各個環(huán)節(jié)。這種先進的多媒體技術(shù)可將圖像、聲音、各類傳感器、各類反饋技術(shù)集成于一體，很好地解決了現(xiàn)實檢修的時間、地點等局限性。

鐵路客車檢修部位非常多，本文以檢修成本占比最大的轉(zhuǎn)向架為例，通過研究鐵路客車轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)，分析該系統(tǒng)的構(gòu)成、功能及實用性。

該鐵路客車轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)前期借助CATIA等三維軟件，采用參數(shù)化建模方法，真實準確地建立轉(zhuǎn)向架的零件和總裝模型。通過參觀學習檢修車間，建立虛擬工作場景。根據(jù)實際檢修規(guī)程，建立隨機故障庫，模擬生成常見的檢修故障。通過人機交互方式對轉(zhuǎn)向架實現(xiàn)虛擬拆裝、檢修功能，同時記錄學員的實操行為。最終，對培訓學員處置故障的操作給予科學公正的評價。

該虛擬仿真系統(tǒng)分為三大塊。其中，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)認知模塊分為零件基本結(jié)構(gòu)認知和檢修工藝文件閱讀兩部分內(nèi)容;虛擬檢修模塊分為標準化檢修流程、檢修工具模擬操作及常見故障判斷三部分內(nèi)容;學習評價模塊即對學員操作過程給予科學公正的評價。

轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)認知模塊可使操作學員了解該系統(tǒng)的操作說明、轉(zhuǎn)向架的零件結(jié)構(gòu)及檢修工藝文件。該軟件提供了兩種按檢修操作流程學習的模式供學員選擇，不僅能通過系統(tǒng)自帶演示功能觀看學習轉(zhuǎn)向架零件的基本結(jié)構(gòu)，更能夠通過鼠標和鍵盤與系統(tǒng)進行交互的方式，自主選擇特定的零件模型進行縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等以便掌握零件結(jié)構(gòu)特征。

轉(zhuǎn)向架虛擬檢修模塊主要包括構(gòu)架的組成、基礎(chǔ)制動裝置、搖枕彈簧裝置、輪對軸箱裝置等。具體步驟如下：第一步，架車準備;第二步，檢查外觀、記錄、編碼;第三步，構(gòu)架組成、輪對軸箱、搖枕彈簧、基礎(chǔ)制動、管路及輔助裝置的各工位檢修;第四步，自檢、互檢及專檢。

學習評價模塊可對學員操作給予科學評價。既可通過該模塊對學生的理論知識進行考核，又可通過該模塊對職工的崗前實操技能進行實訓考核。

3 對教師及學生的幫助

鐵路客車轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)在高職院校檢修實訓環(huán)節(jié)開展的現(xiàn)狀并不理想，原因在于設(shè)備昂貴、場地受限、安全隱患較大、且無法模擬鐵路客車實際運行過程中出現(xiàn)的各種故障等。這樣，軌道交通相關(guān)專業(yè)的學生就無法掌握鐵路客車檢修的技能。為使學生在校期間掌握各類實操技能，培養(yǎng)崗位能力，本文中提到的鐵路客車轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)意義重大。

該虛擬仿真系統(tǒng)以鐵路客車轉(zhuǎn)向架資源為核心，營造出開放、共享的虛擬仿真實訓教學環(huán)境，最終集成虛擬資源、創(chuàng)新設(shè)計、智能指導和教學管理于一體，具有良好自主性、交互性、可擴展性和安全性的虛擬仿真實訓教學平臺。

該系統(tǒng)可用于軌道交通類課程的實訓環(huán)節(jié)，為檢修維護、故障處理及裝配技術(shù)虛擬仿真等提供更為廣泛的可操作性。

4 對企業(yè)及員工的價值

目前，鐵路客車檢修工人基本都是在入職后集中進行培訓。由于培訓周期較長，培訓內(nèi)容較復雜，既消耗人力物力，又耽誤時間。該虛擬仿真系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實的計算機仿真技術(shù)將鐵路客車轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)集圖文、聲音、視頻等于一體，使操作學員在非現(xiàn)場環(huán)境即可通過鼠標和鍵盤，采用人機交互的方式直觀清晰地了解轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及各檢修規(guī)程等信息。這將大大節(jié)省不必要的人力和物力，達到利潤最大化。

5 結(jié)束語

鐵路客車轉(zhuǎn)向架虛擬仿真系統(tǒng)采用先進的多媒體技術(shù)，利用現(xiàn)代信息手段開發(fā)，具有建設(shè)和維護成本低、平臺擴展性強、利用率高等優(yōu)勢。該系統(tǒng)的開發(fā)為校企合作帶來了良好的契機，形成了“教學—實訓—研發(fā)”的共建共享模式。利用該虛擬仿真系統(tǒng)，可有效節(jié)省實驗設(shè)備購置經(jīng)費、減輕學校資金壓力;同時也為軌道交通類企業(yè)節(jié)省了大量人力物力成本，從而提高利潤。虛擬仿真實訓教學資源可方便、快捷地形成共享資源，滿足學生實訓、職工培訓、科技服務(wù)等需求，輻射人群廣泛，社會價值較高。

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