面向檢修過程的一種鐵路客車轉向架虛擬檢修系統(tǒng)開發(fā)*

鄒俊俊, 馮 巖, 潘 磊, 張 佩, 衛(wèi) 海

(1 西安鐵路職業(yè)技術學院， 西安 710014;2 中國鐵路西安局集團有限公司, 西安 710014 )

隨著投入運營車輛的數(shù)量增加和運行速度的提高，鐵路車輛檢修的工作量日益繁重，整個行業(yè)對能夠從事車輛檢修的技能型人才的需求日益增大。轉向架是鐵路車輛核心部件之一，直接關系到行車安全。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)過包括實操在內(nèi)的各項考核，合格后方可具備上崗資質(zhì)。

目前培養(yǎng)合格的轉向架檢修人員多采取傳統(tǒng)培訓方式，即使用物理樣機作為實操教學工具進行。以中國鐵路西安局集團有限公司為例(以下均簡稱為西安局)，該局專門建設了一條檢修試驗線供新員工快速熟悉轉向架檢修流程，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，浪費人力物力。一般只能購置專用于實訓的老舊車型，隨行業(yè)發(fā)展，車型更換后，難以對車型更新?lián)Q代升級。

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

(3)學習效果差。由于轉向架和車輛的整體結構較大，僅使用工程圖、檢修工藝卡的學習形式不利于學員清晰、直觀了解產(chǎn)品結構。

因此，依托企業(yè)技術力量、優(yōu)勢資源，深化校企合作，打造虛實結合、信息交互、職前培養(yǎng)、職后培訓的虛擬仿真項目，具有重大的現(xiàn)實意義。

1 虛擬仿真檢修系統(tǒng)的設計思路

虛擬仿真實訓是近年來隨計算機虛擬現(xiàn)實技術興起的一種新的輔助教學方式，尤其在實踐類的學習領域，虛擬仿真實訓能夠為學員提供生動、逼真的學習環(huán)境，從而加速和鞏固學生學習知識的過程。在國內(nèi)一些高等學校的實驗和實訓室建設中已有不少成功的案例。

國內(nèi)目前在轉向架檢修培訓方面已開始運用虛擬仿真實訓技術[2-4]。面向檢修過程的轉向架虛擬檢修系統(tǒng)的開發(fā)不僅需要注重計算機虛擬環(huán)境的應用，還需要考慮物理要素的作用，人機交互方面針對真實工況，加強對實操過程的系統(tǒng)性評價等。為提高培訓效果，必須要結合現(xiàn)場的實際情況，面向真實檢修過程，建立虛擬檢修仿真環(huán)境，零距離契合真實檢修工序、流程。因此，課題組在西安局相關部門的協(xié)助下實地調(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準確建立轉向架各部分結構的三維數(shù)字模型；

(2)集成能夠全面滿足前置學習要求的所有轉向架檢修相關工藝文件；

(3)檢修模塊借助虛擬現(xiàn)實技術，通過鼠標和鍵盤實現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境人機交互，實現(xiàn)轉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故障庫，并在學習的過程中隨機調(diào)取。

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

按照此方案，檢修系統(tǒng)的軟件架構設計如圖1所示。

圖1 虛擬檢修仿真系統(tǒng)軟件架構

2 虛擬仿真檢修系統(tǒng)的組成與功能

2.1 轉向架結構認知模塊

該模塊主要包括兩方面的內(nèi)容：(1)系統(tǒng)介紹和檢修流程學習。內(nèi)容包含系統(tǒng)的基本操作說明和轉向架整體檢修流程相關工藝文件，該部分工藝文件全部由西安局相關部門協(xié)助提供。(2)轉向架模型展示。轉向架檢修模型選用的是目前服役的25G型客車轉向架。課題組在設計圖紙基礎上，利用三維建模軟件，根據(jù)自上而下的設計原則，運用先進的交互式參數(shù)化建模方法，創(chuàng)建生成轉向架各零部件的三維模型，然后導入Unity3d中進行交互性設計，完成的主要零部件模型如圖2所示。

圖2 轉向架主要零部件及總裝配圖模型

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

圖3 轉向架結構認知功能模塊

2.2 轉向架虛擬檢修模塊

鐵路客車轉向架結構復雜，主要包括構架組成、輪對軸箱裝置、搖枕彈簧裝置、基礎制動裝置等，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目如表1所示。[5]

圖4 轉向架結檢修基本流程

本系統(tǒng)在故障庫中建立了23個子檢修項目，學員在完成前述的認知模塊導引學習并考核通過后，即可通過檢修模塊進行仿真。本模塊的設計圍繞3個核心內(nèi)容展開。(1)檢修環(huán)境：目前西安局改革傳統(tǒng)的機車檢修作業(yè)方式，采用流水線作業(yè)，即車動人不動，拆、檢、裝節(jié)拍化設計，檢修線按照工作職責不同設計了 22 個工位，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，為力求接近實際，包括各工位使用的工裝、天車等設備和安全規(guī)程都按照實際情況建立，學習者可以更加直觀的認識未來的工作環(huán)境，實現(xiàn)培訓結束“零距離”上崗。(2)檢修流程：學員需在指定工位上按照檢修工藝要求對轉向架的主要結構、輔助裝置進行清洗、拆裝、檢修。(3)檢修方法：學員需選擇合適工具，按照規(guī)定方法，按照標準的工藝參數(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。當學員抽取到該任務后，前往檢修線虛擬工位，閱讀檢修工藝卡了解工藝要求。該任務為典型的零部件裝配工序，為真實模擬裝配工序的所有要素，本例設計為學員在圖5中間區(qū)域進行物料選擇，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要求在系統(tǒng)中進行檢驗。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員自行控制，每順時針旋轉一次力矩扳手，緊固力矩增加相應數(shù)值，操作完畢后若緊固力矩不符合要求，觸發(fā)零件失效動畫，任務失敗，扣除操作分數(shù)。類似的包括裝配順序、是否干涉等多項技術要求均在系統(tǒng)中進行了相應設置。由此可見，本模塊設計上力求增強真實性和交互性，通過虛擬實操，使得復雜的裝配關系、裝配工藝得以清晰表達，為學員提供了真實、可視化的操作空間。

表1 轉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物料選擇示例

圖6 垂向油壓減振器組裝任務緊固操作示例

3 學習評價模塊

本系統(tǒng)既可以方便實現(xiàn)理論知識考核，同時也便于按照檢修工藝，進行操作要點的仿真實訓考核。為保證系統(tǒng)評價學員學習的科學性，學習評價模塊功能設計為：學生利用鼠標和鍵盤在虛擬環(huán)境中對轉向架進行結構認知、虛擬檢修等操作，系統(tǒng)后臺記錄學員的操作行為，然后依據(jù)車輛段檢修工藝規(guī)程進行兩個層面的評價：操作步驟評價，即評價學員在虛擬檢修模塊中對轉向架部件的拆解、檢查、調(diào)整與安裝等，是否按照操作順序和要點進行；操作方法評價，即評價學員在模擬檢修中使用的工具、操作時使用的包括力、力矩、角度等在內(nèi)的物理量是否滿足技術要求進行評價。

通過上述兩個層面的評價，學員在考核中每一步驟均需要嚴格依照操作規(guī)程進行，出現(xiàn)不當操作和多余操作都會扣除相應分數(shù)，實現(xiàn)了實訓考核中的過程管理，保證了考核過程的客觀性和科學性，實現(xiàn)了本系統(tǒng)理論和實際操作結合的數(shù)字化考核平臺的功能。

4 結束語

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