高速动车组虚拟仿真实验教学资源建设与共享研究

张嘉鹭, 马 军, 邢邦圣

(江苏师范大学 机电工程学院, 江苏 徐州 221116)

江苏师范大学轨道交通专业致力于培养具有较强实践能力的动车组车辆应用型人才,尤为注重虚拟仿真实验教学资源的建设。学校研发团队综合利用虚拟现实、三维建模和网络技术的优势,开发出多套动车组运用与检修虚拟仿真实验软件,学生可以在Web网页中以交互的方式快速学习动车组的技术信息、结构特点、装配顺序以及检修工艺流程,提高了实验效率、降低了实验成本[1-2]。所建设的“高速动车组运用与检修虚拟仿真实验项目”获2016年度江苏省优质在线开放实验立项[3]；所建设的“动车组转向架检修工艺虚拟仿真实验项目”获2017年度国家级示范性虚拟仿真实验教学项目立项[4]。

1 实体实验教学存在的问题

在高速动车组运用与检修实验教学过程中,传统的实体(实物)实验教学存在以下问题[5]：

(1) 实体实验成本高昂。动车组车辆价格极为昂贵(目前最新车型“复兴号”动车组售价数亿元),完善的动车组车辆实训室还需配备带轨道桥的架空轨道系统、轮对快速更换设备、盘型制动装置试验台、转向架系统落成后的专用加载试验台等众多辅助设备,这些辅助设备的购置费用和维护费用也很高。另外,由于动车组车辆重量极大,进行拆装和检修作业需要行车、龙门吊等大型起重设备和专用厂房。而上述条件在实际教学中是很难满足的。

(2) 实体实验教学效率低。若采用实体动车组车辆进行实验教学,受设备数量限制,单次受训学生仅为4人/台,每次实训时间要超过8学时,实验效率很低。由于动车组车辆零部件的配合精度极高,也不宜进行反复拆装训练。

(3) 实体实验不能模拟异常工况。动车组车辆在实际运行中可能会出现轴承烧毁、制动盘破损等失效工况。失效工况虽极为少见,但在实际教学中非常重要,并要求学生牢固掌握；而单纯通过动车组车辆实体实验教学难以模拟此类异常工况。

2 虚拟仿真教学资源建设内容

2.1 构建基于Unity 3D技术的虚拟仿真教学资源

动车组虚拟仿真实验教学资源立足国内主流的CRH380系列动车组车辆,基于目前应用广、共享性强的Unity 3D技术,依托三维建模、虚拟现实、人机交互等先进的信息化技术,构建了4类虚拟仿真教学资源,而每类教学资源又涵盖若干项实验项目：

(1) 动车驾驶虚拟仿真：包括极端工况、雨雪工况、正常工况下的虚拟驾驶等；

(2) 故障处理虚拟仿真：包括车内设备、供电系统、牵引传动系统等故障处理；

(3) 装配训练虚拟仿真：包括司机室、转向架、受电弓等虚拟装配；

(4) 检修维护虚拟仿真：包括一级、二级、三级检修虚拟仿真等。

以所建设的动车组模拟驾驶虚拟仿真教学软件为例,其交互界面如图1所示。

图1 模拟驾驶虚拟仿真教学资源交互页面

2.2 搭建三位一体的虚拟仿真共享机制

高速动车组虚拟仿真实验教学资源致力于引导和激励学生自主学习,提高创新实践能力和科学实验水平。因此,在资源建设过程中,研发团队搭建了3大虚拟仿真体系：

(1) 实验教学：包括模拟驾驶、故障处理、虚拟装配、检修维护；

(2) 实践培训：包括学生实训、高铁职工培训、城市轨道交通企业职工培训；

(3) 科研服务：包括创新训练、教师科研、企业研发、科研院所研究。

3大体系可实现彼此之间联动功能、共享资源,从而形成相互推动的一体化系统,实现教学、培训、科研的联系与融合[6]。

2.3 打造基于B/S架构的在线共享网络平台

动车组虚拟仿真实验教学资源采用Visual Studio为系统开发平台,以SQL Server为后台数据库系统,采用ASP.NET技术实现Web服务器与数据库的连接。该教学资源采用B/S的三层架构,即浏览器和服务器结构,将所研发的虚拟仿真教学资源架设在高性能服务器中,用户无需安装客户端。用户工作界面是通过Web浏览器来实现的,使用IE、360等浏览器即可在Web网页上对虚拟仿真教学资源进行远程访问和使用,从而极大地方便了目标用户,在保证系统平台易维护性的同时,增强了优质教学资源的开放与共享性。以转向架检修在线共享网络平台为例,其登录页面如图2所示。

图2 转向架系统检修在线共享网络平台页面

2.4 建立科学、高效的管理体系

虚拟仿真实验教学资源旨在实现优质资源的高效利用与远程共享,并在此基础上建立有利于激励学生自主学习和提高学生自我创新能力的创新型管理体系。为此,要逐步健全管理体制、完善运行机制,提升中心教师队伍水平,努力形成理论教学与实验教学互通、科学研究与工程开发结合。实验教学资源的管理实行主管领导和部门指导下的主任负责制,采取统一管理、统筹规划、资源共享、有效利用的管理模式,对高速动车组虚拟仿真教学资源的运行和管理全面负责[7-8]。虚拟仿真教学资源管理体系如图3所示。

图3 虚拟仿真实验教学资源管理体系

3 实验教学资源共享机制的构建

3.1 教学资源共享的范围和效果

高速动车组虚拟仿真实验教学资源依托江苏师范大学轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心,坚持资源丰富、远程共享的运营机制,目前已实现了校内共享、校际共享、国际共享和企业共享。

(1) 校内共享。高速动车组虚拟仿真实验教学资源可基于B/S架构在校园网中共享。车辆工程专业或其他有兴趣的学生可通过Web浏览器进入网络共享平台进行自主实践学习,在虚拟环境中进行实验活动,强化训练基本实验能力。在激励学生自主学习的同时,进一步提高学生综合运用所学专业知识解决实际应用问题的能力,提高科技创新水平。

(2) 校际共享。高速动车组虚拟仿真实验教学资源可为周边兄弟院校提供实验教学服务,支持教师开展科研实验,为教师提供必要的实验资源和技术支持,满足多种实验任务的需求。该项服务可进一步扩展到淮海经济区,辐射周围4省高校,发挥区域辐射引领作用,不断提高虚拟仿真实验教学资源利用率[9]。

(3) 国际共享。江苏师范大学在与俄罗斯圣彼得堡国立交通大学的联合办学中,基于双方所搭建的在线共享网络平台,已初步实现动车组运用与检修等专业的虚拟仿真教学资源共享和优势互补,共同致力于虚拟仿真实验教学资源和设备开发,建设先进的高速动车组虚拟仿真实验教学资源,促进双方实验教学创新和教学水平的提升。

(4) 企业共享。高速动车组虚拟仿真实验教学资源与企业共享,为周边地区动车检修所、转向架生产厂的职工培训发挥了积极作用,已经取得丰硕成果。例如,由我校与上海铁路局南京动车段共同开发的动车组转向架虚拟装配技能培训与智能评价系统,利用虚拟仿真技术再现转向架装配工作过程,判别转向架的运行状态,实现对职工的实训和考核评价,取得了良好的应用效果。目前该虚拟仿真教学资源通过B/S架构架设在我校大数据计算中心的服务器中,南京动车段的职工可通过网络共享平台进行远程访问与学习。

3.2 进一步实现共享的计划与安排

(1) 加大实验教学资源开放力度。为了进一步加大虚拟仿真实验教学资源的远程开放共享力度,本着“以生为本,提升质量,制度创新,共建共享,强化辐射,互惠互利”的原则,创新建立了教学管理与运行机制,进一步推进虚拟仿真实验室的开放与资源共享,为学生个性化发展与自我成长提供更大的空间,满足我校及兄弟院校轨道交通类专业学生工程能力训练的需求,同时为电气工程、自动化、计算机、通信与信息等专业学生的工程实践提供支持[10]。

(2) 加快共建共享合作进程。 “五省通衢”的徐州是淮海经济区的核心城市,也是国内重要的铁路枢纽,京沪铁路、陇海铁路、京沪高速铁路、徐兰高速铁路在此交汇。高速铁路的建设和开通为区域发展带来了无限机遇,也对轨道交通高质量专业技术人才的需求更加迫切。我校以此为契机,创新办学机制,加强与科研院所、软件开发公司合作,以轨道交通虚拟仿真实验、实训教学资源开发为依托,发挥学校的科研优势和软件公司的技术优势,加快科研成果转化,形成教学研究、产品设计、技术开发、市场开拓的良性循环[11]。

(3) 完善可持续发展机制。科学制定虚拟仿真实验教学中心可持续发展政策措施：(1)进一步健全中心规章制度,强化经费使用管理；(2)加强工作绩效考核、师资队伍建设,加强教学效果考核与评价反馈；(3)完善中心与合作企业、国内外高校的共建、共管、共享机制,建立常态化的研讨交流制度,合作进行人才培养、专业建设与技术开发；(4)建设产、学、研一体化的校企科研合作平台,达到共享优质虚拟仿真实验资源,培养目标人才质量的目的。

4 结语

通过高速动车组虚拟仿真实验教学资源的建设与开放共享,在我校动车组运用与检修类课程实验教学中效果显著。该教学资源具有良好自主性、交互性和可扩展性,集创新设计、虚拟资源、教学管理和智能指导于一体。学生在短时间内通过虚拟仿真软件自主学习,掌握高速动车组的空间结构特征,并熟悉动车组运用与检修工艺流程,使专业技能和解决实际问题的能力得到显著提升。