基于3D打印的交通工程设计教学与实验系统研究

张智勇 刘云霞 刘 婷 王 东

北京工业大学 北京 100022



3D打印技术的应用专题

基于3D打印的交通工程设计教学与实验系统研究

张智勇 刘云霞 刘 婷 王 东

北京工业大学 北京 100022

摘 要：交通工程设计是交通工程专业的主干课程，就教学而言，目前国内缺乏适用于城市道路交通工程设计的教材与教具，而现有的教学参考书多以公路交通工程设施设计为对象。为提高城市道路交通工程设计课程的教学效果，本研究基于交通工程设计专业知识、相关规范标准及3D打印和无线通信技术，构建了一套交通工程设计教学实验系统，形成了一种具备教学演示和互动实验功能的新教学方式，促进了学生对教学内容的理解与掌握，推进了交通工程设计及相关课程的教学。

关键词：城市交通；教学实验系统；3D打印；信号交叉口；交通工程设计

1　背景

1.1交通工程设计课程教学实践中面临的问题

交通工程设计是交通工程本科专业的主干专业课程，是多门专业课程的成果具现，也是该专业学生就业的主要方向之一，是提升学生的工程设计能力，适应用人单位实际需求的主要课程。该课程在交通工程本科专业教学体系中具有重要地位。目前，全国有130多所高校设置交通工程专业，北京工业大学是国内最早设置该专业的院校，也是最早开设交通工程设计课程的院校，现已发展为交通工程设计本科理论教学课程、交通工程综合课设计综合项目设计本科实践课程，以及交通工程设计技术研究生课程等系列化课程体系［1］。

随着我国城镇化水平快速提高，城市道路交通工程设计越来越受到重视，然而目前国内缺乏适用于城市道路交通工程设计的教材，现有的教学参考书多以公路交通工程设施设计为对象，影响了城市道路交通工程设计的教学效果。同时，教学手段多以图纸教学和平面多媒体教学为主，缺乏直观的三维立体教具，使学生对教学内容不易理解难以掌握。采用道路现场教学，人员的大量聚集，易导致交通拥堵，可能会引起交通事故，增加学生人身安全的风险，教学也不理想。

总的来说，现阶段交通工程设计课程的教学方式以理论教学为主，学生缺乏感性认识，且实践操作性低，致使教学效果大打折扣。因此，亟需完善教具，并结合更为直观且内容更为完整的教学方式，改善交通工程设计课程实践教学现状。

1.2 3D打印技术用于教学和实验的优势

3D打印技术是一种快速成型的技术，通过电脑建模可将其3D实物打印出来。该技术现已广泛应用于工业设计、建筑、工程和施工等领域。将3D打印技术引入交通工程设计课程教学当中，既能够完成教具的制作，又可以实现学生设计的打印制作。

目前，大多数实验室的交叉口模型采用的是沙盘技术，其制作费用一般在每平方米8 000元左右，制作费用较高，需要依靠专业制作公司完成制作。而3D打印技术，根据其不同的耗材，价格在200～500元/千克不等，制作费用较低，并可自行完成制作。制作过程主要分为两步，第一步是利用3Dmax软件进行3D建模；第二步是用3D打印机完成3D模型打印。总体来说，3D打印技术在制作费用上花费较低，制作过程上易操作，将其应用于教学实验可实现交叉口3D模型教具的制作。此外，根据3D打印技术的特点，为学生设计的具现提供了可能，实现学生设计成果的打印制作，将更大地激发学生的学习兴趣，同时将设计成果相互分享，使学生们能够更方便直观地学习其他优秀设计。

因此，将3D打印技术应用于交通工程设计教学实验当中，可实现直观而别具趣味性的教学，大大促进课程的教学效果。

2　教学实验系统总体设计

2.1系统设计对象

教学实验系统的设计对象为城市次干路相交的典型信号交叉口。信号交叉口是城市道路系统的重要组成部分，也是城市道路交通规划、设计、运营与管理的关键所在，在城市道路交通中具有重要地位。并且，信号交叉口是交通工程设计的重点，可充分体现交通工程设计课程的学习要点及要求。故本教学实验系统采用信号交叉口作为设计对象。

平面交叉口根据相交道路等级可分为主干路-主干路相交交叉口，主干路-次干路相交交叉口，主干路-支路相交交叉口，次干路-次干路相交交叉口，次干路-支路相交交叉口，支路-支路相交交叉口；按形状可分为十字形、T形、Y形、X形、多叉形、错位及环形交叉口。本教学实验系统现阶段首选更具代表性的典型信号交叉口为设计对象，故将设计对象设定为城市次干路相交的十字信号交叉口。

本系统交叉口的设计内容主要包括路基、路面、标志、标线、安全设施、信号控制、城市地下管线、绿化和照明设计等，将信号交叉口的各个要素均包含在内。

2.2系统构成

本教学实验系统由模型系统、演示系统及通信系统三部分组成。其中，模型系统是指信号交叉口的3D模型，严格按照标准和规范进行设计的次干路相交典型信号交叉口，使学生对交叉口各要素组成形成直观的了解。演示系统提供系统的演示功能，一是多媒体演示；二是交互演示，促进学生对交通工程设计中每一设计要素及要点的理解和把握。通信系统用于将模型系统与演示系统联动起来，从而实现教学实验系统的交互演示。

2.3系统之间的相互关系

模型系统是教学实验系统的基础，提供系统的实物平台。演示系统是教学实验系统的核心，实现系统的教学演示和互动实验功能。通信系统是教学实验系统的保障，保证系统的功能实现。三者相互关联，模型系统为演示系统提供实物支撑，演示系统使模型系统实现功能演示，通信系统将模型系统与演示系统联动起来，共同作用实现教学实验系统的教学与实验功能。

3　模型系统的构建

模型系统是指信号交叉口的3D模型，是严格按照标准和规范［2-10］设计的城市次干路相交典型信号交叉口，在整套教学实验系统中充当教具的功能。

模型的构建分为3个步骤：第一步，设计次干路相交信号交叉口，并利用AutoCAD软件绘制平面模型；第二步，按照平面模型在3Dmax中构建交叉口各组成要素的3D模型，并整合成一套完整的交叉口3D模型；第三步，应用3D打印技术获得交叉口实物模型。其中，3D模型的组成要素包括道路、标志、标线、安全设施、无障碍设施、城市地下管线、绿化、照明系统等。

模型构建的主要技术要点包括以下几方面。

（1）模型的拆分。由于3D打印机有一定的打印尺寸，需对交叉口模型进行拆分。根据学院购置的3D打印机型号，其打印规格为10×8cm，将交叉口按1：40缩放后拆分成600块。

（2）模型的拼接。模型分块接口设计采用榫接原理，即在每个拆分的模型相邻两个侧面做榫头和凹槽。通过接口使分别进行打印的各部分模型拼接起来，并在完整模型的侧面同样做出接口设计，以便将来对模型进行拓展。

（3）打印材料的选取。3D打印耗材有ABS材料和光敏树脂两种。ABS材料是一种热塑性工程塑料，为固体材料，正常变形温度需要超过90℃，制作开始升温阶段耗时较长。光敏树脂材料一般为液态，以光为光敏剂引起聚合反应完成固化，制作时间相比ABS材料制作时间大大缩短［11］。故而3D打印耗材采用光敏树脂材料。

（4）无线识别装置的设置。无线识别装置采用RFID技术，也称为无线射频识别技术，也就是生活中常见的“刷卡”技术。该装置由读写器和电子标签两部分构成，将电子标签布设在模型系统的各个设计要素上，并在相应的模型表面上放置一个红色LED灯以作识别标记，通过手持读写器接近模型上的LED灯位置，实现系统的“刷卡式”教学功能。

图1　3D模型效果图

图2　无线识别装置设置效果图

4　演示系统的构建

演示系统的主要构件：数据库及显示器。数据库存储交通工程设计中设计流程、设计步骤、设计要点以及相关标准和规范等信息，是演示系统的核心部分，为演示系统提供所要展示的信息。显示器是演示系统的展示平台，调用数据库的相关信息在显示屏上展示出来。

演示系统的作用是提供演示功能，演示分为两种：一是多媒体演示，二是交互演示。

（1）多媒体演示是一个独立的演示功能。它以动画的方式呈现，应用于交通工程设计课堂教学中。其展示内容为交叉口交通工程设计的设计流程及设计的详细步骤。

由于在交通工程设计课程教学中，涉及的内容繁多而杂乱，仅通过书本上的讲解，不利于学生对知识的理解与吸收。故在教师详细教授的基础上，结合动态的设计流程展示，以促进学生对交叉口设计形成一个总体的认知和设计思路，并通过对详细步骤的学习明确每一设计要素的设计要点和方法。从而使教学更加直观，有助于学生对教学内容的理解与掌握。

图3　演示功能效果图

（2）交互演示是一个与模型系统联动的演示功能。展示内容为交叉口设计要素的详细设计，利用系统的无线识别设计，将手持设备接近某要素，即可在显示器上展示出该要素的设计要点，主要应用于课程实践上。

教学实验系统的交互演示功能为学生提供了一个自主学习的平台。如果在交通工程课程设计中遇到问题，不仅可以询问教师，同时也可利用教学实验系统进行自主学习，在哪个设计要素上出现问题，即可利用手持设备接近该要素，通过显示屏上显示的信息进行学习，实现自主性学习，使得教学更具个性化。同时，通过交互演示，实现了“出现问题，当下解决”，有利于对知识的实践应用，也可更好地促进学生的学习热情。

5　通信系统的构建

通信系统是教学实验系统功能实现的保障体系，用于将模型系统与演示系统联动起来，实现其交互演示功能。

通信系统由无线识别装置和计算机两部分组成。其中，无线识别装置采用RFID技术，其基本器件为手持读写器和电子标签。每个电子标签具有唯一电子编码，附着于物体上以区分目标对象。手持读写器一般同遥控器大小，可以识别电子标签的信息。

通信系统的工作原理：电子标签放置于模型各设计要素底部位置，当手持读写器靠近标签时，可识别该标签产生的电磁波信号，读取标签存储的地址信息并将该地址以电磁波形式发给计算机；计算机通过特定程序读取无线识别装置传输的模拟数据，并将其转化为数字信息，从而调用计算机中存储的各要素设计信息的数据库，并在显示器上显示出来。

图4　信号传输流程图

6　教学与实验应用效果

目前，该教学实验系统已在新学期教学中投入使用，教学效果显著提升，主要应用于本科生交通工程设计的理论教学工作，交通工程专业课程设计和交通工程综合课程设计的实践教学工作。2014-2015学年度第一学期交通工程设计课程理论考试上，学生的平均成绩由去年的82分提升至88分。在课程实践上，平均成绩也从良减提高到良加。教学实验系统的应用使得教学效果上有了很大提高。学生网上评教的结果也说明了学生对这种新的教学方式具有更高的满意度。

教学实验系统的应用，实现了教学的可视化，加强了学生对设计对象的实物感知，促进了学生对教学内容的理解，提升了学生的实践设计能力，并推进了学生的自主学习，使得无论从学习成绩上还是学习能力上都有了显著提高。

7　不足与展望

目前3D打印在各行各业得到了广泛应用，但就现实问题而言其技术并不能普遍进行大规模打印。首先，市场上常见的3D打印机的打印规格普遍为10×10 cm或以下，只能小规模打印，完成大规模打印的工作量较大。此外，根据打印模型的复杂程度及长宽高尺寸，采用树脂材料打印一个模型的一般耗时在2小时左右，采用ABS塑料材料的耗时更大大加长，一般为5小时左右。在打印量较大的情况下，打印所需时间剧增，导致大规模打印更加不易实现。所以说，就目前情况3D打印在大规模打印问题上存在不足。

截止目前，完成了城市次干路相交信号交叉口教学实验系统的构建并已投入使用。在今后的工作中，将进一步完成其他相交类型交叉口模型系统的搭建及打印，并在道路系统、交通设施、市政设施、地铁桥梁等交通工具上不断完善，最终形成一套完整的道路交通体系模型系统，建成完善的教学实验系统。针对教学实验系统投入使用后的效果而言，该系统应得到推广应用，并拓展其规模，建成交通工程设计实验室，推进交通工程设计及相关课程的教学。

参考文献

［1］ 北京工业大学.北京工业大学本科生及研究生教学大纲［Z］.

［2］ GB50647-2011，城市道路交叉口规划规范［S］.北京：中国标准出版社.

［3］ GB50647-2011，城市道路交叉口规划规范［S］.北京：中国标准出版社.

［4］ CJJ37-2012，城市道路设计规范［S］.北京：中国标准出版社.

［5］ GB5768-2009，道路交通标志和标线［S］.北京：中国标准出版社.

［6］ GB14887-2011，道路交通信号灯［S］.北京：中国标准出版社.

［7］ JGJ50-2001，城市道路和建筑物无障碍设计规范［S］.北京：中国标准出版社.

［8］ GB50289-1998，城市工程管线综合规划规范［S］.北京：中国标准出版社.

［9］ CJJ75-97，城市道路绿化规划与设计规范［S］.北京：中国标准出版社.

［10］ CJJ45-2006，城市道路照明设计规范［S］.北京：中国标准出版社.

［11］ 杜宇雷.3D打印材料的发展现状［J］.徐州工程学院学报，2014（3）：20-24.

收稿日期：2015-11-20

作者简介：张智勇，博士，副教授。刘云霞，在读硕士研究生。刘婷，在读硕士研究生。王东，在读硕士研究生。

Study on Teaching Experimental System for Traffc Engineering Design Base on 3D Printing

Zhang Zhiyong， Liu Yunxia， Liu Ting， Wang Dong
Beijing University of Technology， Beijing， 100022， China

Abstract：Traffc Engineering Design is the main course for undergraduate traffc engineering. But the traffc design of urban road is lack for suitable textbooks and teaching aids in domestic system now. Most of the existing teaching aids are using for highway traffc engineering design. To improve the teaching effect "Traffc Engineering Design" for urban road， this study constructed traffc engineering design teaching experimental system， which based on professional knowledge， standards and norms of traffc engineering design， using 3D printing and wireless communication technology， fnally built the teaching experimental system with function of teaching presentations and interactive experiments， formed a new teaching method. It also promotes better understanding and master to education content for students， and advances the teaching of traffc engineering design or related courses.

Key words：urban transit； teaching experimental system； 3D printing； signal-controlled intersection； traffc engineering design