基于VR技术的城市轨道车辆故障诊断技术实践教学探讨

■胡定玉 方宇 廖爱华 袁天辰 （上海工程技术大学城市轨道交通学院）

一 引言

上海工程技术大学城市轨道交通学院是全国第一所由校企联合创办的专门培养城市轨道交通专业人才的学院。学院以上海申通地铁集团有限公司为依托，在学校与行业、企业协同办学、协同育人、协同创新的“三协同”发展模式指导下，主动对接行业，培养具有较强实践能力和创新能力的优秀工程师和工程服务人才。2010年，城市轨道交通学院车辆工程专业入选首批教育部“卓越工程师教育培养计划”试点专业。学生毕业后大都进入城市轨道交通车辆维保行业。

在“卓越工程师教育培养计划”的背景下，培养具有较强动手能力和岗位适应能力的工程技术型人才是专业发展的根本。这就要求在培养过程中加大实践教学的比重。虽然专业课程中设置了大量的课程实验，但大都是以演示实验为主，学生动手操作机会不多。另外，由于轨道交通行业特殊性，出于车辆运营安全的考虑，学生在实习过程中也不能进行大量的上车实践，这对培养具有较强动手能力的应用型人才显然是不利的。而VR技术能够在虚拟的环境中引入真实的场景，能够提供良好的用户环境交互感受。将VR技术引入城市轨道交通车辆工程专业课程的实践教学中可以为学生提供良好的实践动手机会，提升教学效果[1]。

本文以城市轨道车辆故障诊断技术为例，深入分析课程定位及实践教学中存在的问题，从实践教学内容设计、教学效果评价和分析几个方面入手，探讨了采用VR技术的新型实践教学手段和方法，为提升专业课程的教学效果提供新的思路。

二 本课程在课程体系中的定位

城市轨道车辆故障诊断技术是面向城市轨道交通车辆工程专业学生的一门专业特色选修课。其任务是使学生较全面、系统地了解故障诊断的方法和基本原理以及城市轨道交通车辆的常见故障的分析和处理方法。具体来说，了解车辆机械振动检测故障诊断技术基本理论、了解温度检测技术、液压检测技术、油液检测技术以及无损检测技术等常用检测技术的原理和方法，熟悉轨道车辆转向架、车轮以及车门等基本结构的故障原因和基本维修保养策略，了解车辆运营故障的基本处理方法和思路，了解城市轨道交通车辆维修策略和维修手段。通过本课程的学习，激发学生对学习本专业的浓厚兴趣，培养学生分析问题、解决问题的能力，使学生具有对于车辆工程故障诊断问题进行系统表达、建立模型、分析求解和论证的能力，为学生今后从事轨道车辆应用工作奠定良好的基础。课程内容充分对接工程实际，课程案例均来自学院相关研究课题和城市轨道交通行业实际案例，具有较强的理论性和工程实用价值。课程内容与学生未来实际工作高度相关，在学生修完《城市轨道交通车辆结构与原理》《检测与传感》等课程后开始讲授。

三 实践课程设置及教学现状

1 实践课程设置现状

目前本课程主要通过课内实验方式进行实践教学。实验课程是对车辆故障检测中常用无损检测方法的应用，目的是帮助广大学生加强对书本知识中的理解和掌握，并在实验过程中，深入认识无损检测的优缺点以及应用范围，理解无损检测在轨道车辆上的用途。当前课内实验包括渗透检测实验和磁粉检测试验，内容包括检测原理介绍，检测过程中使用的试剂、材料、设备等介绍以及实验结果演示。要求学生了解这两种检测技术的特征、适用范围、技术要点。

2 实践教学分析

渗透和检测实验的设置主要是对接轨道车辆转向架构架等机械零部件的结构损伤检测。但实际实验过程中并不会采用真实的构架模型，而只是采用专用的故障演示器材，严重偏离实际，这就导致学生对现场的认识感不强，对学生掌握真实的车辆故障诊断技术产生较大限制。同时，在无损检测实验中，还有大量耗材的使用，成本较高。实践教学过程中学生很少由实际动手操作的机会，不利于培养学生的动手能力，不利于培养工程应用型人才[2]。

四 基于VR技术的实践教学方案

1 VR技术简介

VR技术是一种综合利用计算机图形系统和现实中各种接口设备，在计算机上生成可交互的沉浸式环境的技术。该技术借助计算机对真实的场景进行建模，让使用者可以在一种虚拟环境中产生在真实的客观世界中的感觉，同时，使用者能够利用接口设备进行场景交互，在虚拟的场景中感受到真实世界。将VR技术与教学手段结合，可以极大地降低实践成本，同时能够很大程度上保留在真实场景中的实践效果，因此该技术越来越受到国内外高校的重视，是未来智能化教学的方向[3]。

2 基于VR技术的实验内容设计

（1）牵引控制系统虚拟检修

牵引控制系统是城轨列车的核心系统之一，对牵引控制系统的检修包括牵引逆变器、受电弓、牵引电机等的检修内容。利用VR技术，展示出这些零部件在地铁车辆的位置，通过动画拆解以及虚化无关项的形式，把需要检修的零部件展示在显示设备上。将牵引控制系统设置成可虚化模式，假设液压减震器故障，可以将其表现为红色，检修过后再表现为正常颜色，受电弓其他完好的零部件正常显示并且稍微虚化，然后将牵引控制系统中其他部件虚化程度更高一些，以此类推，还可以制作虚拟动画展示拆装检修过程。

（2）车门控制系统虚拟检修

车门控制系统为电控气动门，主要包括门扇、驱动装置、门控器等，驱动装置又包括丝杠、导轨、连接器等。主要故障表现为电控制部件失效、气动控制部件损坏及传动机构机械疲劳等，其中车门控制继电器、短行程风缸、中央控制阀及行程开关故障占电控气动门故障的主要部分，这些零部件是检修的重中之重。在VR技术中检修其中一种部件的时候，出现故障的零部件以有特殊的形式表现，例如鲜亮的颜色，特殊的文字标注等，也可以把故障部件的故障模型在VR中展现。

（3）轨道电路虚拟检修实验

轨道电路虚拟检修主要是根据输入的电路图的连接关系生成逻辑文件，再利用逻辑文件生成逻辑回路；当电路虚拟仿真+.运行时根据设计人员或培训人员设置的各种工况或故障状态,用颜色、位置、形状等信息动态地刷新显示列车电路中各种器件的得电及动作、导线的电信号流向,并配之以声音、文字等说明,使列车电路原理形象、直观地显示出来。

3 教学效果分析

利用VR虚拟技术进行教学仿真，摆脱了现阶段那种众多学生围在一起看教师操作的模式，也摆脱了固定时间固定地点听老师侃侃而谈的模式，借助于相关的电子设备，将教学内容详细直观地展示给学员，学员随时随地可以自主学习。借助操作设备，学员随时可以手动模拟现场故障诊断实践操作，巩固所学内容，迅速地掌握故障诊断技巧。同时可以借助于教师的科研项目，以“项目驱动式”实践教学模式[4]，开阔学生视野。

五 结语

本文以城市轨道交通车辆故障诊断诊断技术课程为例，探讨了VR技术在专业课教学中的实践教学方案。通过分析现有实践教学中存在的问题，设计了相应的实践教学内容及方案。采用VR技术可以极大地降低教学成本，同时通过虚拟环境和接近真实的代入感，使学生充分感受到现场故障诊断的操作模式，有效地提升教学效果。