仿真沙盤在交通運輸專業實踐教學中的應用

洪 玲, 謝 超

(同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

0 引 言

近年來，交通運輸行業在我國得到了空前發展，運力結構向大型化、專業化、高速化方向發展，交通運輸企業也呈規模化、國際化發展趨勢。鐵路尤其是高速鐵路發展十分迅速，運營里程不斷增加，但與此同時，我國交通運輸專業人才卻遠遠不能滿足當代交通運輸業高速發展的需求。運輸組織管理人才缺口逐漸擴大，這極大地制約了高鐵運輸組織水平的提高。據教育部調查顯示，交通運輸專業畢業生大多到運輸管理相關的政府部門、企業、科研等注重工程實踐的單位工作[1-2]。高校“卓越工程師培養計劃”也將人才培養質量的重心放到提高學生的實踐能力上[3-4]。

實踐教學作為交通運輸專業人才培養的重要教學環節，在人才培養中起著至關重要的作用，因此，必須加強交通運輸專業的實踐教學，使理論知識與實踐教學緊密結合，充分發揮學生的主觀能動性，培養其動手能力、創新能力，以適應國家對交通運輸人才需求的變化，更好地滿足社會需要[5-8]。

同濟大學交通運輸專業卓越工程師(本科)特色課程體系以學生工程實踐能力、創新能力與科學研究能力的培養為核心，著重工程實踐與科研能力訓練。依托校內(實驗室)和校外(企業)的各類資源，安排多類實驗課、實習環節，配合課內教學，使學生在校期間能夠得到充分的工程訓練。在交通運輸本科階段，通過優化培養方案和著力貫徹執行，努力將學生培養成具備健全人格、個性突出，具有綜合交通運輸背景、軌道交通特色，掌握軌道交通領域的工程規劃與設計關鍵技術，具有系統運營管理需要基本素養且擁有寬厚基礎、開闊視野、發展潛力大、創新意識強的人才[9-10]。

目前，交通運輸專業學生實踐環節存在的主要問題是，學生在現場實習中無法實際操作。根據學校教學計劃，交通運輸專業學生要深入運輸企業進行現場參觀和實際操作，由于鐵路運輸行業運輸任務重、安全責任大等特殊性，學生只能觀察現場作業，基本上沒有實際動手操作的機會，很大程度上限制了實習的效果。由于交通運輸專業相關軟件模擬具有很大的局限性,必須擁有一定的獨立實驗設備[11]，因此學校利用985項目搭建專業仿真平臺來營造交通運輸現場工作環境，由學生擔當現場各崗位作業人員，按企業的實際規章制度和操作標準，模擬現場實際作業。

實驗室軟硬件資源的完善程度是開展實驗教學的保障。運輸系統仿真實驗室作為我校交通運輸學科的實驗研究基地，引進了國內外先進的軌道仿真沙盤系統。如何將其應用于本科實驗教學，結合現有運輸組織仿真系統和現場實際功能，設計運行控制與沙盤實時仿真一體的動態綜合演示實驗，以充分發揮其教學效果，都是值得研究的課題。

1 運輸系統仿真沙盤簡介

運輸系統軌道交通仿真實驗室新建仿真沙盤結構如圖1所示。仿真沙盤系統包括列車運行過程控制和列車運行沙盤仿真兩個系統組成。

圖1 仿真沙盤系統結構圖

仿真沙盤是貨運、客運、場站、行車等平臺建設內容的集中體現，表現形式分為靜態展示和動態演示兩部分。靜態展示能夠形象表示各類運輸設施、設備的內外部結構和細部；動態演示能夠根據各平臺下達的仿真計劃，通過轉化為控制系統指令，完成列車在沙盤上的調度運行控制，從而達到動態演示的目的。即通過對列車運行計劃信息的接收、解析、轉化和反饋，以鐵路運輸組織生產流程為主線，實現以列車動態運行控制為核心的行車組織過程。

仿真沙盤系統的功能：

(1) 以鐵路運輸組織生產流程為主線，實現以列車動態運行控制為核心的行車組織和調度指揮模式的實體仿真；

(2) 通過對列車運行計劃信息的接收、解析、轉化和反饋，在綜合沙盤上實現行車組織過程的動態演示，將已編制運行計劃的列車運行過程和控制過程進行仿真展示；

(3) 生動展現客運樞紐、客運站、線路軌道與道岔、信號設備、列車等運輸設施和裝備。

(4) 生動體現基于高速鐵路的CTCS-2和CTCS-3級的控制原理和實施方法。

綜合沙盤系統由沙盤模型、車輛模型、仿真控制系統以及仿真控制系統與沙盤模型的接口組成高速鐵路沙盤模擬系統，充分體現高鐵的功能特點。共分為軟件和實體沙盤兩大部分。實體沙盤長度約為35 m，寬度為1.2 m，面積約為42 m2，沙盤各部分總體區域布局如圖2所示：

圖2 實驗室仿真沙盤布局圖

場站以滬杭高速鐵路為背景，實際線路全長158 km，設置虹橋站、松江南站、金山北站、嘉善南站、嘉興南站、桐鄉站、海寧西站、余杭南站和杭州東站共9個站點。沙盤的車站設置與實際一致，設9個車站，8個區間，1個停車場，線路以高架為主。

沙盤系統以微縮設備模擬線路軌道運行情況，實現線路上列車行車調度信號、指揮系統和調度系統的模擬實訓；包含相應軟件支持，能模擬演示信號故障，演繹行車規則，訓練行調和值班站長對事故處理的能力；能真實顯示出操作列車運行圖、列車閉塞；道岔能電控，庫內調車，按進路式逐段開通進路，分別以調車信號機、車擋或X為分界點，車站設進出站信號機。

2 沙盤在專業實驗教學中的主要應用

為使學生能全面了解軌道交通運輸組織的各類作業以及熟悉相應的操作，設計開發結合沙盤實時仿真的新實驗以及對現有實驗進行補充拓展。

2.1 設計開發新實驗

2.1.1高鐵管控一體化實驗

在現場工作中，利用計算機指揮調度行車工作已經是列車運行控制技術的現狀和發展趨勢[12-13]。根據實驗體系的要求，設計仿真沙盤行車部分的列車運行仿真的整體框架如圖3所示。

從該框架可以看出，沙盤控制系統按照下達的運行計劃，通過控制沙盤上列車的起停、道岔的轉換、信號機的顯示、進路光帶的表示、軌道電路的供電等操作，實現列車運行，并在計劃執行過程中不斷將獲取的軌道電路、信號機、道岔、列車等系統狀態信息通過接口實時反饋至調度指揮仿真系統。沙盤可提供列車運行過程控制與調整、調度員的培訓、運營計劃的制定、控制和調整、列車運行過程顯示、相關運營指標輸出等功能于一體的鐵路CTC仿真環境。

圖3 行車部分運行仿真架構圖

因此，通過采集滬杭高鐵現場線路基礎數據，建立擴充線路基礎數據庫，結合高速鐵路管控一體化仿真系統軟件，設計符合運輸組織現場實際操作的實驗內容，包括：①編制行車計劃；②編制站線使用計劃；③調整車站及區間線路使用情況；④鋪畫列車運行圖，可以單人單機實驗，也可以進行列車運行計劃調整、列車運行調度指揮等多人多機多崗協同實驗。

2.1.2模擬駕駛

列車駕駛模擬子系統模擬CRH2和CRH3型動車駕駛臺的顯示和操作功能，具有與現場一致的操作界面。通過采用虛擬成像技術與投影顯示設備實現視景仿真，采用運動系統實現司機室的動感仿真，采用聲音仿真技術實現聲音模擬，通過網絡化計算機控制技術構成的分布式計算機實時交互仿真系統。并且與仿真沙盤和列車控制系統連接，實現計算、控制、操控、實物演示的一體化。模擬駕駛操作臺能接收到沙盤列車運行的實時視頻圖像。學生通過安裝在計算機上的模擬駕駛軟件，體驗列車駕駛員的感受。通過設置并模擬各種事故與突發事件，培訓學生在異常情況下的故障判斷和排除等應急處置能力。

2.1.3車底組數試驗

在運行圖試運行的基礎上，進行配合線路能力的運能實驗，在不同運行方案基礎上試驗車底需要數，以尋找和檢驗需求和運能的匹配性。

2.1.4應急處置

在模擬駕駛以及調度指揮中進行應急故障設置與模擬處理，以及非正常情況下行車事故的虛擬仿真演練：對于不同事故故障條件下的行車調度指揮應急演練，并對各種突發狀況形成有效預案。

(a)

(b)

2.1.5軌道交通設備認知實驗

(1) 線路基礎設備認知實驗。了解車場、線路、道岔種類，道岔工作原理等；

(2) 機車車輛設備認知實驗。了解機車車輛車體、底架、走行部、車鉤緩沖裝置和制動裝置；

(3) 通信信號設備認知實驗。了解閉塞分區、信號聯鎖等概念及工作原理。

通過對以上新實驗的設計開發，仿真沙盤這一支撐交通運輸實驗教學平臺的應用，使得學生在校期間能夠得到充分的實踐訓練，增強了實驗教學內容的完整性和系統性，有利于培養具有綜合運輸系統思想的創新型工程應用與研究型交通運輸專業人才。

2.2 拓展現有實驗內容

2.2.1RailSys實訓運行圖試運行

德國的RailSys軟件系統具有新線和既有線列車時刻表的編制、對軌道交通基礎設施狀況進行評估、對正常和異常事件下列車運行圖可靠性進行分析以及對列車運行調度方案進行評估的功能[14-15]。

在實訓中，學生通過軟件以某一線路為背景先建立軌道交通線路與車站拓撲結構，設定列車機車與車輛基本參數，并在該環境下制定列車開行方案同時鋪畫列車運行圖，最終評價列車開行方案的優劣。以往學生受實驗設備限制，只能到此為止，全部實驗內容只能在軟件的基礎上完成，沒有直觀的實物觀察和體驗。現在上述實驗的基礎上加入“沙盤實時仿真所鋪畫的運行圖”的實驗內容，學生可以將自己所畫的運行圖在沙盤上進行實際試運行。如此，學生在線路規劃設計的基礎上進行運行方案的設計，并對所設計成果進行有效的檢驗和評估，可以真實的檢驗設計成果的適用性，極大地豐富了實驗內容。使得實驗設計的評估效果更加直觀，學生對于列車延誤、交路設計的合理性等有強烈的責任感受，對軌道交通運輸的“安全”、“高效”等概念有更真切的了解。

圖5 RailSys列車運行圖設計

2.2.2車站接發列車實驗

該實驗模擬鐵路現場實際情況，使學生通過實驗，能進一步鞏固所學理論知識，熟悉接發列車的有關規定，了解中間站信號、聯鎖、閉塞設備的使用方法，掌握接發列車的實際操作技能。

原有實驗為隴海線某段10個車站9個區間的車站列車接發作業，學生實驗室也只是在計算機軟件上進行操作，沒有具體線路的概念。現改由結合沙盤計算機模擬滬杭客專9個車站8個區間的雙線自動閉塞調度區段。學生通過軟件按照鐵路接發列車作業標準進行各車站的列車接發作業，體驗鐵路運輸組織中一線作業人員(車站值班員和信號員)的職責。改進后接入仿真沙盤，使得學生能直觀清晰的辨識股道安排以及道岔、信號機工作，在沙盤上看到列車進站的一接近、二接近，列車發車后的一離去、二離去的概念，以及因調度失誤造成的線路擁堵的產生，深切理解列車調度指揮的重要性。

對以上兩個實驗的補充拓展，極大豐富了原有的實驗的內容，加深了學生學習興趣，增強了實驗效果。

3 結 語

在交通運輸專業實驗教學中引入軌道交通仿真沙盤，改革了傳統實驗教學手段，突破了運輸生產、場地局限等方面對實踐教學的限制，拓展專業課的實驗教學空間。同時綜合了系統仿真基礎、列車運行組織、高速鐵路運營組織等交通運輸多門專業課的理論知識，提高了學生學習專業課的興趣和主動獲取知識的積極性，有效培養了本科生以及研究生的專業基礎素養，以及實際操作能力、應變決策能力及團結協作意識。

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