軌道交通智慧實訓平臺研究

袁泉，周少藝，梁建全

（510430 廣東省 廣州市 廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學院 機車車輛學院）

0 引言

鐵路院校所開展的實訓項目，如軌道交通制動閥類檢修實訓、電工電子技術(shù)實訓等，對培養(yǎng)學生技能有一定的作用，但傳統(tǒng)的實訓平臺設(shè)計落后、功能分散、投入成本大，且脫離實際工作應(yīng)用，給管理和學習帶來不便，降低了實訓教學效率。因此實現(xiàn)實訓教學資源配置智能化能夠從實訓教學的根本上解決問題，進一步提高實訓教學效果。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，本項目也為實訓教學智能化的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)實訓教學現(xiàn)狀

本文基于問卷調(diào)查法和統(tǒng)計分析法，對全國多所高職院校傳統(tǒng)實訓教學中存在的問題進行調(diào)查統(tǒng)計，相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 高職院校傳統(tǒng)實訓教學中存在的問題Tab.1 Problems existing in traditional practical teaching in higher vocational colleges

傳統(tǒng)實訓教學中存在軟硬資源配置不合理、數(shù)字驅(qū)動教學的效果有限、實訓基地支持實訓教學力度不足、面向基礎(chǔ)薄弱群體的教學不適應(yīng)性等問題，極大地約束了高職院校技能人才的培養(yǎng)，無法為學生提供科學、多層次、全方位的教學資源供給，實訓教學質(zhì)量不高。在現(xiàn)有實訓條件中，教師難以通過技術(shù)手段實現(xiàn)實訓全過程的智能化教學、遠程化跟蹤，導致實訓效果不佳。實訓教學中存在理論教學與實際生產(chǎn)相分離、理論知識與實訓過程銜接不暢等問題，高校實訓教學急需做出全面、智能化的變革。

新一代信息技術(shù)加速突破應(yīng)用，對適應(yīng)數(shù)字經(jīng)濟的復合型、創(chuàng)新型技術(shù)技能人才培養(yǎng)需求空前增長，倒逼職業(yè)教育必須做出全面、深刻的轉(zhuǎn)型和變革。本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于AIOT 的智慧實訓操作臺-以鐵路貨車緊急制動閥拆裝實訓為例。該實訓操作臺具有制動閥拆裝教學、收納管理、輔助評價、自動糾錯等功能，綜合利用智能技術(shù)為學生實訓實操提供了全方面、智能化的教學指導。

2 軌道交通智慧實訓平臺

2.1 平臺整體設(shè)計

該實訓平臺主要由平臺整體系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)、RFID 收納管理系統(tǒng)、教學輔助系統(tǒng)、決策調(diào)度系統(tǒng)5 部分組成。

（1）平臺整體系統(tǒng)是所有系統(tǒng)的主要依托，其他系統(tǒng)及相關(guān)部件安裝于平臺上。通過各個系統(tǒng)間的相互作用，平臺接收使用者的操作，并將其傳輸?shù)较鄳?yīng)的系統(tǒng)，經(jīng)過計算處理后反饋于操作界面。平臺整體設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 智慧實訓平臺整體設(shè)計圖Fig.1 Overall design of intelligent training platform

（2）視覺識別系統(tǒng)相當于是平臺的眼睛，也是其獲取數(shù)據(jù)的主要來源[3]。本文在平臺上布置2個攝像頭采集操作信息，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曈X服務(wù)器的采集卡中，由視覺處理軟件對數(shù)據(jù)進行識別、分析、處理。最后傳至決策調(diào)度系統(tǒng)。

（3）決策調(diào)度系統(tǒng)相當于平臺的大腦，在接收到視覺識別系統(tǒng)傳來的信息后，從中分析操作者的操作情況，隨后做出相應(yīng)的決策指令。

讀書既要讀細，更要讀深，而要做到讀細、讀深，最講究的是方法。在課堂上，教會孩子正確實用的讀書方法，是培養(yǎng)孩子濃厚的讀書興趣最為關(guān)鍵的一步。課堂上，讓孩子明確精讀與瀏覽的區(qū)別、速讀與跳讀的恰當選擇，掌握良好的寫批注的方法，同時培養(yǎng)樂于交流的讀書習慣：

（4）RFID 管理系統(tǒng)是設(shè)備管理系統(tǒng)，具有高效、快速、可靠、非視距讀取等優(yōu)點[4]。通過對每套鐵路貨車空氣制動閥拆裝實訓工具植入感應(yīng)線圈和芯片作為從設(shè)備，并將對應(yīng)工具的信息寫入芯片中，在實訓工作臺中設(shè)置實訓工具的固定存放點，并在實訓工具存放點安裝RFID閱讀器作為主設(shè)備，實現(xiàn)系統(tǒng)自動識別、采集、記錄和跟蹤實訓工具，從而達到工具的有效管理。

（5）教學輔助系統(tǒng)綜合考慮課程內(nèi)容、學生接受能力、教師需求等因素，從實際實訓教學出發(fā)設(shè)計相應(yīng)功能，包含自動糾錯、教學指導、操作評分等功能。

2.2 研究目標

本項目為解決傳統(tǒng)實訓教學中存在的軟硬資源配置不合理、數(shù)字驅(qū)動教學的效果有限、實訓基地支持實訓教學力度不足、面向基礎(chǔ)薄弱群體的教學不適應(yīng)性等問題，提出了一種基于AIOT 的智慧實訓操作臺。該實訓平臺技術(shù)路線圖如圖2 所示。

圖2 實訓平臺技術(shù)路線圖Fig.2 Technology roadmap of training platform

以鐵道車輛貨車緊急制動閥拆裝實訓為例，提出以下研究目標：（1）基于校內(nèi)實訓使用的貨車緊急制動閥實物，建立機器視覺識別特征庫；（2）通過識別現(xiàn)場實訓操作視頻，檢測和確定使用特征庫訓練后的機器視覺算法；（3）采用數(shù)字孿生技術(shù)，將機器視覺采集分析的零部件狀態(tài)信息與虛擬模型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，在拆裝過程中達到虛實同步的效果[5]；（4）使用基于無線射頻識別即射頻識別技術(shù)（RFID）管理實訓工具管理系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)自動識別、采集、記錄和跟蹤實訓工具；（5）設(shè)計并制造智慧實訓操作臺，做到工具和零部件有序擺放和存放，教學信息展示和交互。

2.3 研究內(nèi)容

2.3.1 緊急制動閥及各部件特征庫研究

以鐵路貨車制動實訓為例，利用校內(nèi)實訓教學的貨車緊急閥實物，構(gòu)建緊急閥及各部件特征庫。對拆解前貨車緊急制動閥實物進行多角度拍攝捕獲特征，并測量相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，構(gòu)建閥體特征數(shù)據(jù)庫。對拆解后閥體的各個零部件進行多角度拍攝捕獲特征，收集零部件相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，構(gòu)建零部件特征數(shù)據(jù)庫。將閥體拆解過程中的每一步驟進行多角度高清拍攝，并將拆解過程規(guī)范步驟導入特征數(shù)據(jù)庫，結(jié)合教學及自動糾錯算法實現(xiàn)拆裝教學及拆裝過程自動糾錯功能。

2.3.2 部件識別分析算法研究

根據(jù)鐵路貨車緊急制動閥拆裝實訓場景分析，本項目擬采用SIFT 和SFM 傳統(tǒng)機器視覺算法，從“緊急制動閥及各部件特征庫研究”的特征庫中提取特征，用于識別實訓過程中緊急制動閥零部件的狀態(tài)信息。將通過訓練后的多種傳統(tǒng)機器視覺算法在實際測試中檢驗算法效果及性能。

2.3.3 數(shù)字孿生拆裝步驟映射研究

運用“部件識別分析算法研究”的機器視覺算法，采集實訓過程中緊急閥零部件的狀態(tài)信息，分析緊急制動閥所處的拆裝步驟，將其結(jié)果關(guān)聯(lián)虛擬模型數(shù)據(jù)中的對應(yīng)閥體拆裝步驟，自動生成步驟動畫用于指導教學。

2.3.4 基于RFID 的實訓工具管理研究

對每套鐵路貨車空氣制動閥拆裝實訓工具植入感應(yīng)線圈和芯片作為從設(shè)備，并將對應(yīng)工具的信息寫入芯片中，在實訓工作臺中設(shè)置實訓工具的固定存放點，并在實訓工具存放點安裝RFID 閱讀器作為主設(shè)備，實現(xiàn)系統(tǒng)自動識別、采集、記錄和跟蹤實訓工具，從而達到工具的有效管理。

3 建設(shè)成效

（1）構(gòu)建了自適應(yīng)的實訓評價平臺系統(tǒng)。以高職院校學生核心素養(yǎng)為參照設(shè)計的實訓平臺系統(tǒng)可以科學分析學生在實訓過程中的學習動態(tài)，客觀地評估和記錄學生的職業(yè)道德、職業(yè)素養(yǎng)、職業(yè)操守等。例如，可對學生實操過程中的操作步驟、使用工具、搜索內(nèi)容、答題補跡等信息進行評判，記錄他們的操作方法，形成操作路徑，既實現(xiàn)學生學習軌跡的可查、可思、可判，也為企業(yè)引進人才提供重要參考依據(jù)。

（2）形成了促進精準教學的智慧實訓教學模式。將信息技術(shù)引入到高效的精準教學中,并設(shè)計一種信息技術(shù)支持的精準教學模式,以實現(xiàn)人機合理分工[6]?！耙蕴摽貙?、以實驗虛”，促使學生以主動的、實踐的、注重課程之間有機聯(lián)系的方式學習，促使的方式擴充整合各專業(yè)實訓內(nèi)涵，形成實訓課程體系與項目體系并舉、實訓設(shè)備與項目資源自選代共生的智慧實訓教學模式，拓展人才培養(yǎng)的多樣性。

（3）建設(shè)了一體化的智慧實訓課程體系。以鐵路院校鐵道車輛專業(yè)為例，將專業(yè)課程融入實訓平臺，開發(fā)了虛實互補的實訓課程資源，形成了由“基本技能模塊(模塊級實訓)-職業(yè)技能項目(項目或?qū)嵱?-綜合(專業(yè)級系統(tǒng)實訓)”組成的層層遞進、螺旋上升式的實訓課程內(nèi)容，實現(xiàn)了實訓課程體系的智慧化和一體化。

4 結(jié)語

本智慧實訓操作臺建設(shè)在標準上接軌企業(yè)，設(shè)備上同步企業(yè)，人才培養(yǎng)上結(jié)合企業(yè)需求，集智能化理論教學、技能培訓、考核于一體，是高職院校對接企業(yè)實際工作的升級，是加強實踐教學建設(shè)的重要內(nèi)容，對提高人才培養(yǎng)質(zhì)量有著重要的意義。同時針對軌道交通領(lǐng)域?qū)嵱柦虒W領(lǐng)域已有的實訓設(shè)備，對其進行全面升級，利用已有的人工智能教育實訓平臺的設(shè)計，推出智慧實訓平臺，具有制動閥拆裝教學、收納管理、輔助評價、自動糾錯等功能，綜合利用智能技術(shù)為學生實訓實操提供了全方面、智能化的教學指導。