工程训练系统设计与教学应用研究

摘    要：铁道运输类专业实践教学通常包含认知、操作、检修等环节，但由于设备台套数不足、控制逻辑不直观、故障难再现等问题，很难满足能力培养要求。文章以受电弓调试实操为例，基于MCD（Mechatronics Concept Designer，机电一体化概念设计），通过实体建模、连接定义、驱动施加、通讯设置等过程，实现受电弓检修设备的孪生资源开发，完成虚实一体工程训练系统的搭建。这不仅对学生认识受电弓、了解受电弓控制过程、掌握受电弓检修技能具有较好的效果，而且对铁道运输类专业开展实践教学具有很好的借鉴意义。

关键词：数字孪生；工程训练；铁道运输；受电弓

中图分类号：G640；TP391.9      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2024）08-0064-03

一、引言

职业教育的主要任务是培养技术技能型人才，因此，其更加注重实践教学的开展。相比普通教育，职业教育存在高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现的“三高三难”问题[1]。

虚拟仿真技术具有交互性、沉浸性、逼真性等特点，为常规教学提供了有力补充，有效解决了职业教育理论教学难观摩、实验教学高投入等问题[2]，在高等教育的发展过程中，起到了重要的作用[3]。随着职业教育虚拟仿真基地建设工作的开展，虚拟仿真技术也必将成为职业院校实践教学的主要技术手段[4]。

二、铁道运输类专业实践教学的现状

铁道运输类企业的需求岗位有乘务类、检修类、工程施工类、车务运转类、通信信号类等，要求学生掌握的技能主要包括：铁路路基、轨道、桥隧的施工与维护；接触网检修与施工、变配电所检修与施工、电力线路检修与安装；铁道机车驾驶、运用、维保、整备及管理；铁道车辆检修与运用；等等[5]。与能力培养相对应的实践教学具有显著的特点，且存在高投入、难实施等问题。

（一）主要特点

一方面，铁道运输类专业实训设备具有体积大、危险性高的特点。目前，铁道运输类专业常规实训室包括机车驾驶、受电弓检查与调试、制动装置检修等，且大部分实训室都具有设备体积庞大或场景巨大等特点。例如，受电弓检查与调试实训室，单台实体设备占地约15平方米（包括辅助设备）；制动装置检修实训室，单台实体设备占地约30平方米（包括辅助设备）；机车驾驶实训室，单台实体设备占地约30平方米（不包括驾驶场景）……而供电相关实训室不仅实训设备体积大，还具有高危险性的特点。

另一方面，铁道运输类专业实训设备还存在一定的技术壁垒。铁道运输行业关系到国家安全和国民经济的平稳运行，对安全性和可靠性的要求较高。铁道运输类设备需经过多年的研发及现场测试，生产制造企业也需拥有雄厚技术实力和经济实力，这使得行业存在较高的技术壁垒。此外，严格的行政许可和认证制度，也使得行业形成较高的资质壁垒。技术壁垒和资质壁垒带来的技术封闭，使得相关实训设备的研发、生产、制造成本较高，价格昂贵。

基于以上原因，铁道运输类专业实践教学具有原理性强、综合能力要求高的特点。铁道运输类专业大部分实训设备看起来较为简单，但大部分实践教学需结合规章、规则开展，并不是简单的动手能力训练，而是要做到“口到、眼到、手到、心到”，要求学生反复实操练习。

（二）存在的问题

开设铁道运输类专业的院校依据岗位能力要求，开展实训室建设。虽然实践教学体系较为完整，但由于实训设备尺寸大、价格昂贵等特点，实践教学出现实训设备台套数不足、交互层次低、型号老旧等问题。

台套数不足主要表现为实训设备少，学生独立操作、训练的机会较少，无法有效支撑实践教学开展。如某知名铁道运输类院校的受电弓检查与调试实训室只有一台实体设备，因此，只能采用单组轮流的方式开展实践教学，教学效率和教学效果无法得到有效保障。

交互层次低主要表现为在仿真教学环节中，采用人机交互的方式完成专业实训，如使用Pad（Portable android device，平板电脑）等手持终端，完成专业设备的调试等实践环节，但在教学过程中，娱乐性高于专业性。

型号老旧主要表现在新型设备（如机车）投入使用方面。目前，铁路部门对高职铁道机车车辆专业的人才培养提出了新的要求[6]，但由于实训设备昂贵及场地等的限制，院校无法及时更新实训设备，跟不上能力需求的变化。

三、基于数字孪生的工程训练系统框架

为了解决台套数不足、交互层次低、型号老旧等问题，文章以受电弓调试为例，以操作、调试、故障分析等能力培养为目标，以控制逻辑分析能力培养为拓展，构建基于数字孪生的工程训练系统框架（图1）。

工程训练系统由实训设备、孪生平台、上位系统3部分组成，具体如下。实训设备由被控对象和控制装置组成，是营造真实岗位场景、实现岗位能力无缝对接的必不可少的组成部分，用于实操、工程验证等教学环节；孪生平台由孪生体、驱动控制、通讯接口组成，其中，孪生体是实训设备的虚拟镜像，利用建模技术和虚拟仿真技术，映射实训设备的工作状态，而通讯接口的数据传输速度，决定了孪生体与实训设备的同步程度；上位系统由I/O（Input/Output）设备和可编程控制系统组成，其中，I/O设备用于孪生体、实训设备的模拟操作训练，可编程控制系统用于孪生体、实训设备的逻辑控制和调试分析。

基于工程训练系统，教师可完成实控虚、虚控虚的成班制教学，以及虚控实的结果验证，培养学生操作、调试、故障分析等能力，使系统交互层级达到混合现实级别。

四、孪生体搭建

受电弓孪生体基于MCD进行搭建。MCD支持硬件在环调试，一方面，基于物理属性的机构仿真，可模拟机械零件和组件的运动行为，实现机构的模拟和评估。另一方面，基于设计对象的数字化模型和开放式接口，可接入控制软、硬件，实现机械、电气、软件的协同设计和联调。

孪生体搭建流程包括：实体建模、机电对象定义、运动副定义、约束定义、材料定义、耦合副定义、传感器定义、执行器定义、信号定义、信号连接等。部分流程如下。

（一）实体建模

实体实训设备，从结构上可以分为：底架、下臂、拉杆、上臂、弓头、滑板和传动机构等。

使用拉伸、扫描、旋转等模型特征，创建实训设备的虚拟镜像，1∶1构建受电弓孪生体模型，如图2所示。

孪生体可应用“爆炸图”，展示受电弓组件、结构拆装过程，工作原理等。

（二）连接定义

连接定义包括机电对象、运动副、约束等定义。根据受电弓实训设备工作原理，底架、下臂、拉杆、上臂、弓头、滑板和传动机构等部分被定义为刚体，如需要增加碰撞检测功能，还应将相关部件定义为碰撞体。为确保孪生运动的准确性，定义底架、弓头和滑板为固定副，定义上臂和底架、底架和弓头为碰撞约束，定义底架和下臂、下臂和上臂、上臂和拉杆、上臂和弓头为铰链副，定义气缸和活塞为柱面副，进而完成各部件之间位置关系的定义。

（三）传感器和执行器定义

传感器的作用是提取部件的运动特征，包括位置、速度、加速度等。执行器的作用是为部件提供力矩、速度等驱动信号。受电弓调试工程训练系统需要执行升降弓操作，并检测受电弓到位信息及升弓拉力等，定义气缸与活塞之间柱面副驱动力，弓头位移、速度、加速度传感器等，完成传感器和执行器定义。

（四）通讯设置

通讯设置是为了保持工程训练系统、实体实训设备、上位控制系统数据实时互通。通讯设置包括信号定义、信号连接、服务器设置等流程。以气路压力控制和升弓控制为例，说明通讯设置流程。

气路压力控制通过调整气泵压力调节阀角度完成，属于内部信号，需定义孪生体调节阀执行器或通过鼠标拖拽方式旋转，同时定义调节阀和压力表指针为齿轮耦合副，关联调节阀角度和指针角度，联动效果如图3所示。

升降弓控制通过HMI（Human Machine Interface，人机界面）的升降弓按钮或控制装置的升降弓旋钮完成，属于外部信号，需定义孪生体升降弓执行器、升降弓信号、升降弓信号连接等。升降弓执行器可通过添加速度控制执行器实现，如需进行受电弓动力学分析，可添加力/扭矩执行器。升降弓信号定义时，选择升降弓执行器为连接对象，以实现信号控制执行器的效果。升降弓信号连接定义需通过信号映射完成。

五、数字孪生工程训练系统构建

（一）控制装置

控制装置依据受电弓的检修与调试赛项搭建，主要由PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）、升降弓旋钮和电磁阀组成。PLC搭载受电弓控制程序，是控制系统的核心；升降弓旋钮是控制装置的输入元件，实现升降弓操作；电磁阀是控制系统的输出元件，实现气路的通断控制。

（二）HMI

HMI搭建过程包括界面设计、变量定义、数据链接3个环节。界面设计环节，主要创建受电弓升、降控制按钮，受电弓状态指示灯，以及总风压、气缸气压、工作气压指示仪表盘等图形元件；变量定义环节，主要是对图形元件的输入、输出状态进行变量定义和关联；数据链接环节，主要是建立系统内部变量之间的数据传递关系，确保实训设备、孪生体、HMI数据一一映射，从而实现HMI的输入、输出能够反映孪生体的动作和实训设备的实际状态。

（三）信号连接

信号连接是数字孪生工程训练系统实现虚实同步的关键环节，主要包括数据服务器建立、映射控制装置操作信号、映射上位系统HMI信号、连接孪生体执行状态信号。基于OPC（OLE for Process Control）服务器建立信号连接服务器，分别连接控制装置和HMI。孪生体侧，信号定义类型为OPC DA，服务器选择基于OPC建立的服务器，并选择对应的内部信号和外部信号，最后执行映射。HMI侧，定义变量类型为I/O，连接OPC服务器后，找到对应的信号寄存器并设置读写属性为读写。通过同样的步骤，完成其他信号的连接。

六、数字孪生工程训练系统应用

数字孪生工程训练系统包含实训设备、孪生平台、上位系统3个部分。在教学过程中，教师采用虚实一体的教学场所，实训设备与上位机、孪生体分区域布置，并通过网络连接到上位机、孪生体。上位机、孪生体共用PC

（Personal Computer）主机，分屏显示，以增强操作的真实感。

教学过程可分解为结构认知、升降弓操作、控制原理分析、检查与调试、故障分析等环节。其中，升降弓操作环节，可通过HMI控制按钮或控制装置旋钮控制受电弓升降，通过虚拟气泵旋钮调节气压大小；控制原理分析环节，可通过修改PLC程序，使学生深入学习受电弓控制逻辑，为故障分析环节奠定基础；故障分析环节，可在孪生体、实训设备、PLC中设置常见故障。

通过教学实践，数字孪生工程训练系统对学生认识受电弓、了解受电弓控制过程、掌握受电弓控制和检修技能具有较好的效果。

七、结束语

基于数字孪生技术搭建数字模型和实体控制器相结合的工程训练系统，解决了实践教学中存在的设备台套数不足、控制逻辑不直观、型号老旧、故障难再现等问题。教学实践表明，数字孪生工程训练系统教学效果明显优于VR（Virtual Reality，虚拟现实）级别训练系统教学效果，且交互性好、真实感强，可维护、可扩展，对铁道运输类专业开展实践教学有很好的借鉴意义。

参考文献：

[1]  申剑飞.试论职业教育虚拟仿真实训平台开发[J].

湖南大众传媒职业技术学院学报，2014，14（3）：54-56.

[2]  李刚.职业教育虚拟仿真实训基地建设研究[J].天

津职业大学学报，2022，31（2）：92-96.

[3]  吴晨曦，蒋嵘，钟超.基于虚拟仿真的机械电子工程

专业实验教学改革与探究[J].黑龙江教育（理论与

实践），2023，77（7）：76-79.

[4]  王烁.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应

用[J].黑龙江教育（理论与实践），2017，71（1/2）：78-79.

[5]  刘晓东.高职院校开放式实训室的构建与管理：以高

职铁道交通运输类实训室为例[J].佳木斯职业学院

学报，2015（7）：49；70.

[6]  冉龙超，宋海湖，罗洪强.深化产教融合“2+1”协同

育人模式研究与实践：以铁道机车专业为例[J].中

国储运，2023（6）：89-90.

■ 编辑∕陈晶

收稿日期：2023-11-29                                                          修回日期：2023-12-19

作者简介：李刚，男，教授，研究方向为职业教育、智能制造技术应用；韩娜丽，女，讲师，博士，研究方向为职业教育、传热传质、建筑节能。

基金项目：安徽省教育厅精品课程“城轨车辆电器”（2022jpkc005）；安徽省高等学校科学研究项目“基于IPO的职教虚拟仿真基地绩效评价研究”