虛實結合的道岔檢測實驗平臺設計與應用

路宏遙 石嶸

（上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海 201620）

引言

近年來我國在軌道交通建設領域取得了巨大的成就，培養面向現代化的工程技術人才成為亟需解決的重要難題。道岔作為鐵路線路的交叉點和薄弱環節，輪軌接觸關系復雜，其服役狀態直接影響著列車運行的安全。維修規程中關于道岔的檢測項目繁多且流程復雜，這對專業檢測技術人才的理論基礎與實踐能力均提出了較高的要求[1]。

目前，道岔檢測技術的教學環節主要包括課程專業理論和現場實踐操作兩個模塊。理論學習方面，學生在軌道工程等課程中對道岔結構的組成與受力特征進行學習，但普遍存在著對隱蔽性構件與復雜檢測流程難以“具象化”認知的問題[2]。實踐操作方面，學生前往實訓基地進行道岔結構細部認知與檢測設備使用方面的學習，但實訓基地可同時容納的人數與進行實踐操作的時間受到限制，學生難以有效提升道岔檢測關鍵技術的應用實踐能力。為加強道岔結構理論基礎和實踐操作能力的全面培養，提升學生分析和解決實際工程問題的綜合能力，迫切需要開展道岔檢測技術教學模式上的創新實踐[3]。

作為新形式的信息化工具，將BIM 技術可視化優勢與虛擬現實技術相結合[4,5]，為鐵道工程專業數字化教學提供了一種全新的思路[6]。結合工務部門在道岔養護維修環節中所遇到的實際問題與人才技能的培養需求，在教學環節中引入基于“BIM+VR”技術的道岔虛擬檢測技術實驗平臺。應用軟件對道岔結構進行精細化建模，根據道岔設備養護維修的實際需求，基于Unity 等軟件搭建虛擬檢測實驗平臺，為我國軌道交通建設與維保輸送具有工程素養的應用技術型人才。

1 虛實結合檢測實驗目的與原理

1.1 虛實結合實驗開設目的

針對不同類型的道岔特點制定相應的檢測與維修規范，提高道岔結構檢測精度與效率是保障列車安全運行的重要前提[7]。傳統教學環節中學生在完成道岔結構理論學習后，通常前往實訓基地或是施工現場進行觀摩學習[8]。受到實訓時間限制與安全管理的要求，難以滿足所有同學都能有充裕時間進行實際操作，不利于學生理論知識的鞏固與實踐技能的提高。針對現階段教學模式上存在的弊端，需要以行業實際需求為導向，在理論教學、創新實驗和校外實踐等環節的教學方法與實現手段方面進行全方位改革[9,10]。

虛擬檢測技術具有不受時間與空間限制的優勢，通過開設虛實結合的道岔檢測技術實驗可有效解決以往教學環節中未能將充分理論知識與實踐操作結合起來的問題。以鞏固理論知識和加強實踐能力為目標，將虛擬現實技術融入道岔結構檢測教學中[11]，學生通過交互設備在校內實驗室中可進行道岔虛擬檢測全過程的模擬，各專業學生隨時隨地了解道岔的復雜性組成與隱蔽性構件。三維可視化教學手段的引入，既解決了理論學習時資料利用率低的問題，又為后續前往實訓基地開展現場實踐操作提前做好檢測技能方面的鋪墊，如圖1 所示。

圖1 BIM+VR 技術應用于道岔檢測教學

1.2 虛擬檢測實驗實現原理

建筑信息模型（BIM）技術的核心在于信息化集成，以各項數據信息為基礎可創建結構三維可視化模型與應用場景[12]。虛擬現實（VR）技術通過營造一個將視覺、聽覺和觸覺融于一體的虛擬環境，依靠專用的顯示頭盔和操作手柄等交互設備，對自身所處的虛擬三維場景可進行交互操作[13]。

BIM+VR 技術的應用可有效解決道岔檢測教學環節中“現場模擬困難”的問題，同時能夠有效促進教學資源的統籌、規劃與整合。以BIM 技術為載體融合道岔不同構件的信息，依托虛擬現實技術在沉浸性和交互性等方面的優勢，可在教學中引入并開發道岔虛擬檢測實驗模塊。學生在虛擬現實環境中沉浸式漫游，開展道岔隱蔽性結構與關鍵傳力構件細部三維可視化認知學習。通過顯示頭盔和操作手柄實現人機交互，按照養護維修規程的要點在虛擬場景中進行相關檢測步驟和流程的操作模擬，實現道岔檢測理論由淺而深的學習，逐步增加對道岔養護維修關鍵技術的理解。

2 虛實結合道岔檢測技術實驗設計

2.1 道岔三維可視化建模

選用Revit 軟件作為主要的三維建模工具，分別建立不同號碼的道岔與所需的巡檢設備工具。結合道岔結構的復雜性和檢測工具的差異性，分別構建自定義族并精確進行參數設置?；灸Ｐ蛶旖⑼瓿珊?，為進一步完善模型信息化的屬性，除了模型的幾何信息以外，非幾何信息可依據實際情況進行添加，主要包括使用部門、維護單位和設備編號等關鍵參數，滿足不同專業、不同階段之間的協同檢測需求，結合設計資料所建立的細部構件和道岔整體模型如圖2（a）～（e）所示。

2.2 道岔虛擬檢測方法的實現

將道岔結構三維模型進行優化處理，并使用著色器、材質球等工具對模型進行渲染，可以創建逼真的現場檢測環境渲染效果。充分考慮實際中可能存在的各種檢測條件與場景，通過設置天空盒參數信息來調整光照、云層等自然信息，選擇合適的材質球定義軌道交通現場設施設備的顏色和反射等屬性。將BIM 模型載入到Unity 工程文件時，要對模型進行檢查，使用編輯工具來矯正和修復模型在導入過程中可能出現的模型損失或變形等問題。調用Steam VR 等相關插件，搭建符合現場實際情況的道岔檢測虛擬現實場景，如圖3 所示。根據養護維修規程要求使用C#編寫交互腳本，開發所需的人機交互功能，通過空間位移、頭部運動和手柄控制等操作實現道岔結構認知與檢測仿真等相關內容。

圖3 道岔虛擬檢測場景設計

以道岔區域的軌距虛擬檢測為例，需根據道岔養護維修的要求，預先設置所需測量軌距的位置的坐標位置Ai=（Xi，Yi，Zi），i代表需要檢測的位置的數量。在FixedUpdate 函數中記錄軌檢尺的位置A0=（X0，Y0，Z0），當操作者手持軌距尺接近預定的檢測位置時，軌距尺將自動移動到指定位置，彈出軌距測量信息[14]。學生需根據規范要求，判斷所測量位置處的軌距是否滿足道岔靜態幾何尺寸容許偏差管理值要求，并依次進行下一待檢測位置的軌距測量，虛擬檢測交互的算法邏輯如圖4 所示。

圖4 道岔虛擬檢測功能實現流程

2.3 道岔虛擬檢測功能設計

道岔結構常見的病害主要包含道岔軌距與水平不良等問題，在日常養護維修中，選用合適的檢測設備對道岔進行全面檢測并記錄數據，分析檢測結果是否存在超限情況，依此制定合理的維修計劃和整治措施。結合已開設的軌道檢測技術實驗、線路工程實習等實踐課程情況與工程所需的實踐技能要求，對虛擬實驗教學內容進行功能與模塊設計，如圖5 所示。

圖5 虛擬檢測實驗平臺設計

虛擬檢測實驗平臺的引入彌補了道岔隱蔽性構件在理論教學方面難以生動展開講解的不足，學生使用交互裝置實現構件的拾取和旋轉，進行多角度、全方位認知學習復雜結構的細部組成和連接構件的受力與傳力特征。同時，不受時間與空間的限制，學生在前往現場實訓前通過虛擬檢測進行提前學習，了解道岔檢測設備的使用方法與校準原則，調用軌距尺等工具對道岔不同位置的水平與軌距等參數進行虛擬檢測，并學會利用檢測數據制定出合理的維修計劃，依照規范對道岔服役狀態進行準確評價，如圖6（a）～（b）所示。

圖6 復雜構件認知與狀態評價

3 虛實結合的道岔檢測技術實驗應用

基于“BIM+VR”技術構建虛實結合的道岔檢測技術實驗，將復雜的檢測過程在虛擬現實環境中進行模擬，增加了教學環節的直觀性與互動性，一方面結合工程所需有針對性地提高了學生的創新意識和工程思維，另一方面有效地推動現有教學模式系統性的全面創新。

3.1 道岔虛擬檢測平臺應用

在道岔可視化認知模塊中，學生在虛擬軌道環境中自由漫游，通過交互設備調整控制視角，直觀學習道岔的整體組成與細部結構。通過拖拽細部模型實現關鍵構件的分解與裝配，熟悉隱蔽性構件的連接關系。在道岔檢測作業模擬模塊，通過拾取軌距尺與塞尺等工具，結合理論課程所學，掌握道岔檢測所需的工器具使用方法和數據處理思路，完成道岔檢測作業全過程的模擬操作。對于理論課程中未能充分理解的難點，學生可以通過圖文說明和動態演示多維度分解學習，如圖7 所示。每組虛擬檢測實驗完成后，學生需提交實驗報告并對虛擬實驗內容設計和虛擬操作效果進行評價與反饋，這將作為道岔虛擬檢測模塊功能進一步開發與完善的重要參考。

圖7 道岔關鍵構件多維度學習

3.2 立體化教學方法實現

虛實結合的道岔檢測技術實驗采用理論學習、虛擬檢測與現場實訓相結合的立體化教學方式，讓學生以最直觀的方式參與到工程實踐中，由淺入深地提高專業水平，如圖8 所示。

圖8 立體化教學方法

（1）理論學習

在傳統平面化的理論教學中增加了靈活多樣的虛擬教學手段，重點補充了道岔隱蔽性構件的可視化認知環節，學生通過觀察三維模型和沉浸式漫游等方式解決理論學習中的困惑，鞏固了道岔結構檢測技術的理論基礎。

（2）實踐操作

虛擬檢測環節的引入有效解決了專業實踐場地與時間受限的問題。通過虛擬檢測平臺學生對道岔養護維修關鍵流程進行全過程進行模擬，應用理論所學準確分析檢測數據，為后續進行的現場實訓做好準備，提升了運用技術標準與參考資料解決實際工程問題的能力。

3.3 推進教學模式改革

以鞏固道岔檢測關鍵技術的認知和提高學生解決工程實際問題的能力為目標，虛實結合的道岔檢測技術實驗有效促進了學科間的交流，并積極推進了教學模式的改革。

（1）教學方法靈活設計

在教學方法上力求創新，可進行更為靈活的教學方案設計，改變了傳統模式中學生僅通過閱讀紙質教材或電子文件的單一化學習方法。學生可直接應用建模工具構建各類軌道設施（如道岔、軌枕、鋼軌等）的三維可視化模型，并進行虛擬檢測全過程的沉浸式學習，提高了專業人才培養的效率。

（2）教學模式多元創新

“BIM+VR”技術在實驗環節中的應用，有效解決了道岔檢測實訓環節中時間與空間受到限制的問題，緩解了實訓場地統籌規劃和設備資源整合的難題，實現了教學成本最小化，教學效果最大化，并為相關課程提供了多元化教學模式的思路。

（3）教學資源開放共享

虛實結合的道岔檢測技術實驗的實施極大豐富了課程的教學內容和手段，可同步利用已設計的道岔虛擬平臺開展軌道交通多專業聯檢的實驗項目，并為大學生進行科技創新活動提供了平臺支撐。

4 結論

結合軌道交通創新型人才培養的需求，虛實結合的道岔檢測技術實驗設計以立體化的方式將理論學習、虛擬檢測與現場實訓有機結合，為專業學生培養提供了沉浸式互動學習的新模式。結合道岔結構檢測的關鍵性問題，學生有針對性地開展課程學習與專業實踐，有效提升了自我學習和創新實踐的綜合能力。