轨道交通智慧实训平台研究

袁泉，周少艺，梁建全

（510430 广东省 广州市 广州铁路职业技术学院 机车车辆学院）

0 引言

铁路院校所开展的实训项目，如轨道交通制动阀类检修实训、电工电子技术实训等，对培养学生技能有一定的作用，但传统的实训平台设计落后、功能分散、投入成本大，且脱离实际工作应用，给管理和学习带来不便，降低了实训教学效率。因此实现实训教学资源配置智能化能够从实训教学的根本上解决问题，进一步提高实训教学效果。随着技术的进一步发展，本项目也为实训教学智能化的实现奠定基础。

1 传统实训教学现状

本文基于问卷调查法和统计分析法，对全国多所高职院校传统实训教学中存在的问题进行调查统计，相关统计数据如表1 所示。

表1 高职院校传统实训教学中存在的问题Tab.1 Problems existing in traditional practical teaching in higher vocational colleges

传统实训教学中存在软硬资源配置不合理、数字驱动教学的效果有限、实训基地支持实训教学力度不足、面向基础薄弱群体的教学不适应性等问题，极大地约束了高职院校技能人才的培养，无法为学生提供科学、多层次、全方位的教学资源供给，实训教学质量不高。在现有实训条件中，教师难以通过技术手段实现实训全过程的智能化教学、远程化跟踪，导致实训效果不佳。实训教学中存在理论教学与实际生产相分离、理论知识与实训过程衔接不畅等问题，高校实训教学急需做出全面、智能化的变革。

新一代信息技术加速突破应用，对适应数字经济的复合型、创新型技术技能人才培养需求空前增长，倒逼职业教育必须做出全面、深刻的转型和变革。本文设计并实现了一种基于AIOT 的智慧实训操作台-以铁路货车紧急制动阀拆装实训为例。该实训操作台具有制动阀拆装教学、收纳管理、辅助评价、自动纠错等功能，综合利用智能技术为学生实训实操提供了全方面、智能化的教学指导。

2 轨道交通智慧实训平台

2.1 平台整体设计

该实训平台主要由平台整体系统、视觉识别系统、RFID 收纳管理系统、教学辅助系统、决策调度系统5 部分组成。

（1）平台整体系统是所有系统的主要依托，其他系统及相关部件安装于平台上。通过各个系统间的相互作用，平台接收使用者的操作，并将其传输到相应的系统，经过计算处理后反馈于操作界面。平台整体设计图如图1 所示。

图1 智慧实训平台整体设计图Fig.1 Overall design of intelligent training platform

（2）视觉识别系统相当于是平台的眼睛，也是其获取数据的主要来源[3]。本文在平台上布置2个摄像头采集操作信息，然后将数据传输到视觉服务器的采集卡中，由视觉处理软件对数据进行识别、分析、处理。最后传至决策调度系统。

（3）决策调度系统相当于平台的大脑，在接收到视觉识别系统传来的信息后，从中分析操作者的操作情况，随后做出相应的决策指令。

读书既要读细，更要读深，而要做到读细、读深，最讲究的是方法。在课堂上，教会孩子正确实用的读书方法，是培养孩子浓厚的读书兴趣最为关键的一步。课堂上，让孩子明确精读与浏览的区别、速读与跳读的恰当选择，掌握良好的写批注的方法，同时培养乐于交流的读书习惯：

（4）RFID 管理系统是设备管理系统，具有高效、快速、可靠、非视距读取等优点[4]。通过对每套铁路货车空气制动阀拆装实训工具植入感应线圈和芯片作为从设备，并将对应工具的信息写入芯片中，在实训工作台中设置实训工具的固定存放点，并在实训工具存放点安装RFID阅读器作为主设备，实现系统自动识别、采集、记录和跟踪实训工具，从而达到工具的有效管理。

（5）教学辅助系统综合考虑课程内容、学生接受能力、教师需求等因素，从实际实训教学出发设计相应功能，包含自动纠错、教学指导、操作评分等功能。

2.2 研究目标

本项目为解决传统实训教学中存在的软硬资源配置不合理、数字驱动教学的效果有限、实训基地支持实训教学力度不足、面向基础薄弱群体的教学不适应性等问题，提出了一种基于AIOT 的智慧实训操作台。该实训平台技术路线图如图2 所示。

图2 实训平台技术路线图Fig.2 Technology roadmap of training platform

以铁道车辆货车紧急制动阀拆装实训为例，提出以下研究目标：（1）基于校内实训使用的货车紧急制动阀实物，建立机器视觉识别特征库；（2）通过识别现场实训操作视频，检测和确定使用特征库训练后的机器视觉算法；（3）采用数字孪生技术，将机器视觉采集分析的零部件状态信息与虚拟模型数据关联，在拆装过程中达到虚实同步的效果[5]；（4）使用基于无线射频识别即射频识别技术（RFID）管理实训工具管理系统，实现系统自动识别、采集、记录和跟踪实训工具；（5）设计并制造智慧实训操作台，做到工具和零部件有序摆放和存放，教学信息展示和交互。

2.3 研究内容

2.3.1 紧急制动阀及各部件特征库研究

以铁路货车制动实训为例，利用校内实训教学的货车紧急阀实物，构建紧急阀及各部件特征库。对拆解前货车紧急制动阀实物进行多角度拍摄捕获特征，并测量相关尺寸数据，构建阀体特征数据库。对拆解后阀体的各个零部件进行多角度拍摄捕获特征，收集零部件相关尺寸数据，构建零部件特征数据库。将阀体拆解过程中的每一步骤进行多角度高清拍摄，并将拆解过程规范步骤导入特征数据库，结合教学及自动纠错算法实现拆装教学及拆装过程自动纠错功能。

2.3.2 部件识别分析算法研究

根据铁路货车紧急制动阀拆装实训场景分析，本项目拟采用SIFT 和SFM 传统机器视觉算法，从“紧急制动阀及各部件特征库研究”的特征库中提取特征，用于识别实训过程中紧急制动阀零部件的状态信息。将通过训练后的多种传统机器视觉算法在实际测试中检验算法效果及性能。

2.3.3 数字孪生拆装步骤映射研究

运用“部件识别分析算法研究”的机器视觉算法，采集实训过程中紧急阀零部件的状态信息，分析紧急制动阀所处的拆装步骤，将其结果关联虚拟模型数据中的对应阀体拆装步骤，自动生成步骤动画用于指导教学。

2.3.4 基于RFID 的实训工具管理研究

对每套铁路货车空气制动阀拆装实训工具植入感应线圈和芯片作为从设备，并将对应工具的信息写入芯片中，在实训工作台中设置实训工具的固定存放点，并在实训工具存放点安装RFID 阅读器作为主设备，实现系统自动识别、采集、记录和跟踪实训工具，从而达到工具的有效管理。

3 建设成效

（1）构建了自适应的实训评价平台系统。以高职院校学生核心素养为参照设计的实训平台系统可以科学分析学生在实训过程中的学习动态，客观地评估和记录学生的职业道德、职业素养、职业操守等。例如，可对学生实操过程中的操作步骤、使用工具、搜索内容、答题补迹等信息进行评判，记录他们的操作方法，形成操作路径，既实现学生学习轨迹的可查、可思、可判，也为企业引进人才提供重要参考依据。

（2）形成了促进精准教学的智慧实训教学模式。将信息技术引入到高效的精准教学中,并设计一种信息技术支持的精准教学模式,以实现人机合理分工[6]。“以虚控实、以实验虚”，促使学生以主动的、实践的、注重课程之间有机联系的方式学习，促使的方式扩充整合各专业实训内涵，形成实训课程体系与项目体系并举、实训设备与项目资源自选代共生的智慧实训教学模式，拓展人才培养的多样性。

（3）建设了一体化的智慧实训课程体系。以铁路院校铁道车辆专业为例，将专业课程融入实训平台，开发了虚实互补的实训课程资源，形成了由“基本技能模块(模块级实训)-职业技能项目(项目或实训)-综合(专业级系统实训)”组成的层层递进、螺旋上升式的实训课程内容，实现了实训课程体系的智慧化和一体化。

4 结语

本智慧实训操作台建设在标准上接轨企业，设备上同步企业，人才培养上结合企业需求，集智能化理论教学、技能培训、考核于一体，是高职院校对接企业实际工作的升级，是加强实践教学建设的重要内容，对提高人才培养质量有着重要的意义。同时针对轨道交通领域实训教学领域已有的实训设备，对其进行全面升级，利用已有的人工智能教育实训平台的设计，推出智慧实训平台，具有制动阀拆装教学、收纳管理、辅助评价、自动纠错等功能，综合利用智能技术为学生实训实操提供了全方面、智能化的教学指导。