面向用户的轨道车辆制动系统虚拟技术研究

摘  要：以地铁车辆架控式制动系统为研究对象，开展关于面向地铁运营用户可用于数字虚拟教学、虚拟维护与检修的虚实融合的制动系统实训平台的研究。基于最小可更换单元（LRU）、三维爆炸图、零部件索引等技术，映射系统作用过程与虚拟部位，同时结合部件真实结构及其运用状态，使产品的维护、维修过程更为直观，操作训练过程更为高效，满足下一代城市轨道交通车辆机电设备的智能运维需求。

关键词：虚拟技术;轨道交通;制动系统;检修工艺

中图分类号：TP274.4;TP391.9     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）13-0065-03

Abstract：Taking the bogie controlled braking system of metro vehicles as the research object，this paper carries out the research on the braking system training platform which can be used for digital virtual teaching，virtual maintenance and repair for metro operation users. Based on the technology of LRU，3D exploded view，parts index，etc.，the systems function process and virtual parts are mapped. At the same time，combining the real structure of the component and its operating state，the product maintenance and operation training process is intuitive and efficient，which meets the development demand of intelligent operation and maintenance of the next generation of urban rail transit vehicle electromechanical equipment.

Keywords：virtual technology;rail traffic;braking system;maintenance technology

0  引  言

制动系统是现代城市轨道交通车辆的基本安全保障。地铁车辆制动系统存在设备结构复杂、维修时间紧迫、现场演练困难、维修人员缺乏经验、维修流程缺乏相关标准等问题。随着我国城市轨道交通的迅速发展，传统地铁车辆行车的教学培训模式已经无法满足车辆制动设备检修工艺及实验训练的需求。

近年来，由于虚拟技术在精密制造、轨道交通、航空航天等领域的广泛应用，世界各国都对虚拟技术给予了高度的重视，并投入了大量的人力物力进行研究。在轨道车辆方面，马然等[1]设计开发了现代轨道交通虚拟仿真实验教学中心设备，陈文等[2]研究实现了地铁车辆与环境虚拟现实仿真系统，肖乾等[3]开发了基于Unity 3D的虚实结合的铁道单车制动实验培训系统。

本文基于CATIA数字虚拟装配技术在地铁车辆制动系统教学应用中的研究成果，选取如图1所示的某国产EPB型架控式制动系统为研究对象，旨在研究与探索面向地铁运营用户的轨道车辆制动系统的数字虚拟技术应用，以模拟现场真实环境及运用操作为目标，借助计算机模拟的虚拟现实环境，并结合主要部件实物，开发基于单车虚实融合的制动实训平台，为创新现代地铁车辆制动系统的维护检修工艺及技能训练方法打下扎实的基础。

1  基于虚拟样机的制动维护检修

虚拟装配就是在虚拟环境中利用数字虚拟技术将设计的产品的三维模型进行预装配，实现复杂产品的三维仿真与实际设备制造、装配过程的统一[4]。德国Fraunhofer工业工程研究所[5]较早开展了对虚拟装配规划系统的研究，其系统能够实现在虚拟环境中执行装配操作（包括交互式装配和拆卸零部件）以及成本分析等。

虚拟样机（Virtual Prototype）是相对于物理原型机而言的，它是最终产品或系统的计算机虚拟模型[6]。同物理原型机相比，它具有制作速度快、成本低的特点，可以用来很好地论证工程分析及工艺参数的有效性，给用户呈现不同的结构观察视角及内部结构分析。此外，虚拟样机技术还能用于多种途径，包括通过反馈信息对系统进行修改设计、让训练工人进行虚拟装配等等，其应用场景已扩展到产品设计开发及生产制造的全过程。

将虚拟样机技术应用到城轨车辆制动设备的日常检修工艺的设计中，可以在虚实结合的环境中，为用户真实反映设备的实际安装位置、空间结构及检修工艺要求等，提高作业效率。

借助虚拟现实技术建立城轨车辆制动装置各部件的三维模型，生成制动系统的虚拟环境，实现用户与环境之间的信息交互。用户可以通过交互设备进入到整车虚拟场景中，根据实际需求完成现场维护工艺设计、实际操作演练模拟，脱离了传统的图纸及工艺文件设计模式[7]。

首先，通过CATIA软件分别建立制动系统的主要模块（风源装置、制动控制装置、基础制动装置、滑行控制装置）的零部件数据库，并对主要加工零部件赋予基本特性（包括Item序列号、材料属性、表面处理工艺等）。各部件可进行放大、缩小、旋转、移动，结构均按照实物1：1比例建立，反映的材质与真实车辆完全相同。在计算机上通过人机界面，可以实现各总成的零部件本身以及位置关系的表达。

其次，基于可拆卸可装配理论原则（拆卸是装配的逆过程），通过将约束好的模型进行可行性拆卸、编排装配流程序列，将该模型划分成多个子装配体。由零件和组件先装配成子装配体，再由子装配体和连接件装配成整个模型，最后规划仿真路径、创建相关仿真信息，并进行干涉检查，从而驗证装配路径是否满足实际操作空间的要求。装配过程如图2所示。

最后，通过三维交互式的检修场景，按照地铁公司的实际检修流程实现日检、定修、月检。将VR/AR技术与装配技术充分结合，最大化模拟拧紧装配与测量过程，帮助操作者快速熟悉整套系统的操作及工艺流程;通过模拟拧紧装配与测量过程中可能出现的问题，例如组装顺序、使用物料、拧紧过程等工艺流程问题，以及模拟装配系统的常见故障及处置预案，为用户提供设备维护方案。制动设备车底检修作业虚拟装配如图3所示。

2  基于虚实融合的制动综合训练

基于对运营安全的考量，运营公司内部的地铁车辆行车教学培训基本采用师带徒的方式，并且对制动系统设备的操作训练以及故障应急处理的培训完全采用纯理论教学方式，无法在正线开展综合实训。相比传统的VR虚拟现实制动操作演练系统，基于单车虚实融合的地铁车辆制动实训系统可以让运营人员面对真实设备进行仿真操作演练，具有更高的学习效率，更适合面向希望掌握制动试验技术的用户。

针对高校及铁路行业相关企业的互动式教学需求，采用虚实结合的设计思路，核心部件使用与真车一致的设备，并根据不同车型定制开发控制软件，在满足列车实际运行的各项功能基础上，实现整车制动系统的三维结构和工作原理展示、虚拟拆装、故障模拟和排除以及检修流程的实训、教学和考核。

将司机控制器、线路管路、风源装置、制动控制装置、制动风缸、基础制动装置以及空气管路按照轨道车辆单车转向架上的连接方式连接，在线路管路上安装控制器，空气管路上接入压力传感器，使其分别与一体化总线式控制和采集模块的两端连接。基于单车虚实融合的制动实训系统如图4所示，组成部分分别为：（1）司机控制台（含司机控制器）;（2）显示屏;（3）电器柜;（4）风源装置;（5）制动控制装置;（6）辅助控制装置;（7）基础制动装置;（8）空气弹簧。

采集模块采集制动控制的各种信号，并将信号传送给控制模块，控制模块接收并发送指令给线路管路的控制器，控制器控制制动系统实现各种制动模式的操作以及应对各种故障和应急状况的实训。

基于单车虚实融合的地铁车辆制动实训系统充分结合了VR虚拟现实技术及模拟试验装置的优点，采用简单易懂的图片和动画实现对制动系统结构及原理的教学、典型故障的模拟和排除等功能。

通过司机控制台、显示屏和产品的联动，可以实现列车的常用制动、快速制动、紧急制动等相关功能的演示;通过显示屏可以清晰展示不同制动模式下的电气指令传递、风管压力变化、制动缸压力变化、响应时间等主要信息，实现单车制动功能的可视化;此外，通过设置系统单点、多点故障，模拟列车实际运营过程中电气、气动部件故障可能造成的系统故障现象，并结合实物实现日常操作、维护、故障处理等，如图5所示。

系统能够真实地模拟地铁列车在各种工况下的运行状况、牵引/制动特性以及其他特性。通过实验，用户可以全面掌握列车运行的基本操作方法、操作规程与操作步骤，熟悉列车运行过程中对制动系统故障及突发事件的处理方法、步骤和规程，并能实现驾驶能力及排除故障能力的全面训练和技术考核。同时，还可以采用三维动画的方式来显示列车的制动过程，让实验人员能够更加直观地观测制动设备和列车在制动实验过程中的运行情况，如图6所示。该系统能解决特殊工况难以展现、实际操作难以实现的局限性，为科学研究提供实验支撑和数据支持。

3  结  论

制动系统作为行车安全的关键子系统，承担着保证列车安全、准确停车的重要职能。基于虚拟装配与虚实融合的制动实训系统，能满足基于智能化运营维护的下一代城市轨道交通车辆的发展及运用需求。其面向目前现代城市轨道交通运营用戶，能有效解决新线路、新系统、新工艺的培训难题，可在优化检修工艺成本、提升综合运维效率、提升运营安全性及运营品质等方面获得卓越成效，将为城市轨道交通带来显著的经济效益和社会效益。

本文采用理论研究、计算机建模与仿真、实践教学相结合的技术路线，开展面向地铁公司的某国产EPB型架控式制动系统的数字虚拟教学、虚拟维护与检修方案的研究，基于最小可更换单元（LRU）、三维爆炸图、零部件索引等技术，映射系统作用过程与虚拟部位，借助虚拟环境使教学过程直观化。根据产品维护手册，建立制动系统的日常故障维修及维护性维修的数字化虚拟系统，使用户直观形象地掌握产品的使用及维护方案。采用虚实结合的技术可以实现轨道车辆制动系统各部件的三维建模和虚拟装配以及控制系统的仿真，且设计周期短、效率高，对轨道车辆检修数字化设计的研究具有重要意义。

参考文献：

[1] 马然，马军，周连佺，等.现代轨道交通虚拟仿真实验教学中心建设 [J].实验技术与管理，2017，34（10）：215-218.

[2] 陈志文.地铁车辆与环境虚拟现实仿真研究 [D].深圳：深圳大学，2016.

[3] 肖乾，韩瑞，刘行，等.基于Unity3D虚实结合的铁道单车制动实验培训系统 [J].华东交通大学学报，2018，35（5）：135-142.

[4] 姚竞争，韩端锋，李健.基于CATIA系统的虚拟装配仿真研究 [J].船舶工程，2011，33（1）：49-52.

[5] 谢叻，肖波，吴巧教，等.虚拟装配技术及应用 [J].模具技术，2006（1）：60-63.

[6] 隋爱娜，吴威，赵沁平.虚拟装配与虚拟原型机的理论与技术分析 [J].系统仿真学报，2000（4）：386-388.

[7] 刘佳，刘毅.虚拟维修技术发展综述 [J].计算机辅助设计与图形学学报，2009，21（11）：1519-1534.

作者简介：周其显（1985.09—），男，汉族，湖北黄冈人，工程师，硕士研究生，研究方向：列车制动技术。