適應新形勢的交通運輸虛擬仿真實驗平臺建設

關鍵詞：智能型交通運輸體系；交通運輸專業人才；成渝西昆鉆石（菱形）經濟圈；一帶一路；區域經濟；區域一體化

摘要：“一帶一路”、中國高鐵“走出去”等國家發展戰略的實施，成渝西昆鉆石經濟圈、成渝經濟區等區域發展戰略的提出，以及智能型綜合交通系統的構建要求交通運輸專業人才具有較強的工程實踐和科研創新能力。西南交通大學交通運輸虛擬仿真實驗教學平臺建設以創新性工程應用與研究型交通運輸專業人才培養為根本，立足科研成果轉化、自主研發和產學研合作，整合優質虛擬實驗教學資源，而優質實驗教學資源的高度共享不僅能實現先進的實驗教學理念、創新的實驗教學方法、豐碩的實驗教學改革成果等教學科研成果快速傳播，而且為推動各區域各層次綜合交通系統的建設奠定了良好的基礎

中圖分類號：F127； F512.3

文獻標志碼：A文章編號：1009-4474（2015）03-0021-06

發展緊密聯系的地緣關系和加速經濟發展的國際、國內需求，極大地推動著國際、區際和區內各層次綜合交通系統的建設，這給交通運輸專業的人才培養工作提出了新的和更高的要求。因此，應在深刻理解經濟社會與交通運輸行業發展新形勢所提出的人才需求的基礎上，充分利用先進的工程教育信息化技術，持續強化工程人才培養的實踐動手能力和科研創新能力。而西南交通大學交通運輸專業通過優勢資源整合、工程應用與開發能力貫通培養為特色的交通運輸虛擬仿真實驗平臺建設，為探索新形勢下交通運輸專業人才的培養奠定了良好的基礎。

一、經濟社會發展新形勢對交通運輸專業人才培養的需求

從經濟社會發展的要求看，在國際層面，“一帶一路”國家戰略已獲得了國際社會的廣泛認可和積極參與，交通基礎設施作為優先開展建設的領域，急需規劃、設計、建設、管理和經營領域的大批高質量專業人才的支撐。以“中國創造”和高速鐵路“走出去”為代表的高新技術在世界范圍的快速推廣，也要求交通運輸專業人才具有較高的綜合素質、扎實寬廣的專業基礎和較強的實踐和創新能力。在區際層面，成渝西昆鉆石經濟圈的構建，既是對國家宏觀規劃的承接，也是西部各區域融合發展而形成新增長極的需要，這對西部交通基礎設施的建設和運營管理必將產生巨大的推動作用，相應對人才培養的數量和質量也提出了具體要求。在區域層面，四川省建設綜合交通樞紐的戰略舉措已取得了重大成果，成渝經濟區和川南城市群的建設，提出了新一輪通道能力提升和路網結構優化的要求，對適應區域綜合交通系統建設的交通運輸專業人才的職業素養和專業能力也提出了較高要求。

從信息化技術在交通運輸領域應用的要求看，智能型綜合交通系統是完善交通基礎設施、消除多方式壁壘、加強運輸行業產業各環節協調配合的主要手段和發展趨勢。智能型綜合交通系統的構建涉及眾多行業領域，由社會廣泛參與，存在復雜的協調關系，需綜合多學科領域的成果，由先進的交通信息系統、交通管理系統、公共交通系統、運行控制系統、運輸組織系統、費用核算系統和緊急救援系統等組成。借助先進的信息技術和控制技術，以信息采集為基礎，以智能控制為核心，以信息服務為導向構建智能型綜合交通系統，正使得原有交通運輸行業的技術裝備和運營模式等發生較大的變化，因而更加強調交通運輸專業人才對于現代高新技術的把握能力、系統集成能力、信息處理能力和綜合管理能力。

從信息化技術在教育領域應用的要求看，云計算、移動學習、3D打印、虛擬現實以及遠程實驗等新技術快速發展，平板電腦、智能手機、可穿戴設備等新媒介運用普遍，學習分析、游戲和游戲化、開放教育資源等新概念的不斷涌現，對傳統的實驗教學理念、模式、資源和手段提出了挑戰。大規模開放網絡課程（MOOC）的興起，提倡將物理環境、數字化環境和虛擬世界有機結合，建立虛實結合、相互補充的虛擬仿真實驗教學資源和環境，以實現信息技術與教育教學的深度融合。可以看出，基于信息技術和互聯網絡的全新教學方式、學習技術和自主學習環境的不斷完善，有力地促進了交通運輸領域實驗教學的深刻變革，虛擬仿真實驗教學綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通訊等技術，構建逼真高效的實驗操作環境，使得信息技術與交通運輸領域實驗教學的資源融合和平臺建設成為可能。

二、交通運輸虛擬仿真實驗平臺建設目標與思路

1.建設目標

以創新性工程應用與研究型交通運輸專業人才培養為根本，立足科研成果轉化、自主研發和產學研合作，整合優質虛擬實驗教學資源，打造高水平實驗教學和管理隊伍，探索虛擬仿真實驗教學保障機制和教學效果考核、評價、反饋機制，建成“大交通”特色鮮明、軌道交通優勢突出、國內一流的交通運輸虛擬仿真實驗教學中心，實現優質實驗教學資源的高度共享，為新形勢下交通運輸人才培養質量的持續提升提供堅實保障。

2.建設思路

首先，充分發揮全國排名第一的學科和國家重點專業、國家特色專業優勢，以培養學生工程實踐和創新能力為出發點，堅持“虛實結合、能實不虛、互為補充”的原則，按照“集人才培養、科學研究、學科建設、社會化服務等功能于一體，突出軌道交通優勢，涵蓋多種運輸方式”的建設理念，建成高水平虛擬仿真實驗教學中心。

其次，根據交通運輸生產過程及作業環節的不同特征、實驗要求和實驗效果，明確網絡虛擬仿真和虛實結合仿真的實驗教學資源分類，建立科研成果向實驗教學資源轉化的激勵機制，根據交通運輸科學技術發展最新成果，不斷優化、升級、擴充仿真實驗教學資源。

再次，解析“跨時空、多環節、不可逆、高風險、大信息量”的交通運輸生產過程及作業環節并進行原理抽象，應用現代信息技術，立足自主研發，構建高度仿真軌道交通、道路交通、交通運輸安全、物流等系統作業組織與管理環節的實驗教學平臺。

最后，運用分布式資源存貯技術、應用虛擬化技術、流媒體處理技術、數據庫技術等現代網絡通信和共享技術，搭建具有擴展性、兼容性、前瞻性的虛擬仿真實驗教學高效管理和共享平臺。

三、交通運輸虛擬仿真實驗教學資源建設模式

交通運輸系統是由固定設備子系統、移動設備子系統和運輸組織與管理子系統構成的復雜大系統，具有生產過程連續性、作業環節跨時空、超區域等特點。運輸組織與管理子系統正是通過對固定設備和移動設備子系統的合理運用與控制以及對生產作業環節的合理組織與優化實現交通運輸系統的協調運轉。隨著現代網絡信息與通信技術在交通運輸行業的廣泛應用，交通運輸設備已經實現了虛擬仿真和遠程控制，如鐵路區間信號控制、車站接發列車進路排列與控制等；交通運輸生產過程的組織優化也在生產計劃的計算機編制及調整基礎上，實現了人工輔助智能決策，如車站作業計劃編制系統、車站調度指揮輔助決策系統、計算機編制列車運行圖系統、列車調度集中系統等得到廣泛應用。

而交通運輸專業人才培養的能力標準要求學生掌握運輸設備及其操作的基本原理與方法，掌握運輸生產組織的基本技能并具備對系統管理與控制進行優化調整的綜合能力。這就要求在交通運輸實驗手段方法及實驗項目設置上，既要提供實體仿真或虛擬仿真運輸設備及其控制原理的模型或計算機仿真系統、可重復操作且不受時空限制的生產作業環節虛擬仿真系統，又要求搭建高度仿真的多崗位、多工種、多環節生產現場實際的實驗環境，提高對學生系統優化控制與調整的綜合能力訓練的效果。因此，依據交通運輸系統結構特征、交通運輸生產過程及作業環節特點、人才培養能力標準要求和實驗效果需要，需確立網絡虛擬仿真和虛實結合仿真的實驗教學資源分類建設模式。

通過兩類模式的實驗教學資源建設，學生既能夠利用虛擬仿真實驗教學平臺在網絡虛擬仿真的實驗環境中自由選擇搭建實驗項目，進行遠程虛擬實驗，也可以在虛實結合仿真的實驗環境中進行綜合技能和創新能力培養。

四、交通運輸虛擬仿真實驗教學資源整合

順應新形勢下交通運輸專業人才培養在經濟發展和信息化應用方面的要求，以“夯實基礎、培養能力、突出創新、張揚個性、以學生工程實踐能力和創新能力提高為核心”的實驗教學理念為指導，根據交通運輸專業人才實踐與創新能力貫通式遞進培養的要求，立足自主研發與科研成果轉化，運用現代信息技術建設網絡虛擬仿真和虛實結合仿真兩類高水平實驗教學資源。通過整合各類優勢資源，形成“4+1+1”模塊化優質實驗教學資源群（見圖1），實現對交通運輸、交通工程、安全工程、物流工程、物流管理5個交通運輸專業人才培養核心專業課程的全面覆蓋，同時不斷優化、升級、擴充虛擬仿真實驗項目，豐富實驗教學內容，實現學生綜合設計、工程實踐和創新能力的提升。

從圖1可以看出，交通運輸虛擬仿真實驗教學平臺具有擴展性、兼容性和前瞻性，表現出“大交通”的鮮明特色和軌道交通領域的突出優勢，能夠實現交通運輸優質實驗教學資源的高度共享。在資源整合過程中，針對運輸生產系統的復雜性，運輸作業過程多環節、跨區域、不可逆、涉及高危特殊環境等特點，通過解析實體模型、原理抽象、仿真建模，應用現代信息技術，建設了大型復雜遠程控制實驗系統、高水平軟件系統、模擬仿真高危高成本實驗系統、實體及實體模型實驗系統等34個仿真實驗教學系統。

其中，大型復雜遠程控制實驗系統包括分散自律調度集中仿真實驗系統、高速鐵路綜合調度指揮仿真實驗系統、編組站作業仿真實驗系統、城市軌道交通調度指揮仿真實驗系統、物流中心運作仿真實驗系統等12個系統。其中，在“高速鐵路調度指揮體系理論關鍵技術”科研成果轉化基礎上，由中心與廣鐵集團聯合研發建成高速鐵路綜合調度指揮仿真實驗系統（如圖2所示），通過獲取實際線路不同運行時間、不同線路區間的數據信息，仿真實現列車調度、計劃管理、車站作業等崗位的運輸生產過程，實現了高速鐵路調度指揮多崗位、多工種、跨區域的協同作業的專業技能和團隊合作能力的綜合訓練。

高水平軟件系統包括計算機編制列車運行圖實驗系統（如圖3所示）、交叉口仿真與虛擬設計實驗系統、城市道路規劃設計仿真實驗系統、物流核心流程仿真實驗系統、重大危險源區域定量風險評價系統等13個系統。其中，通過自主規劃設計、軟件引入及企業合作開發共建等方式建設的物流核心流程仿真實驗系統，根據不同行業物流企業的情景數據，完成訂單、采購、倉儲、運輸配送和報關等五項業務的不同組合實驗，能有效地培養學生業務流程建模分析的能力、信息系統設計與開發的能力、多行業不同崗位物流主要業務管理能力。

模擬仿真高危高成本實驗系統包括交通事故

再現仿真系統、交通行為安全仿真實驗系統、高速鐵路駕駛行為仿真系統等5個系統，可模擬高危和不可重復的真實環境。其中，自主開發建設的交通行為安全仿真實驗系統采用運動模擬和視景仿真系統營造不同道路條件和不同氣候條件下虛擬駕駛環境，采集駕駛員腦電波數據、眼球位置與運動、瞳孔大小數據、多道生理信號數據，分析駕駛員在不同環境下的駕駛行為特征，并評價道路設計安全性。

實體及實體模型實驗系統包括交通運輸基礎設備系統、貨物裝載加固仿真實驗系統、危險貨物性質分析實驗系統等4個系統。其中，危險貨物性質分析實驗系統利用實體分析設備可進行包括貨物的爆炸、易燃、毒害、腐蝕、放射性等九類危險貨物的性質鑒定與分類鑒別。

上述系統包括16個網絡虛擬仿真資源和18個虛實結合仿真資源。在涉及高危或極端的環境，不可及或不可逆的操作，高成本、大型綜合訓練等情況時，提供了可靠、安全的實驗項目，豐富了實驗教學內容，學生既能夠利用虛擬仿真實驗教學平臺在網絡虛擬仿真的實驗環境中自由選擇搭建實驗項目，進行遠程虛擬實驗，也可以在虛實結合仿真的實驗環境中培養綜合技能和創新能力。

五、交通運輸虛擬仿真實驗教學平臺構建

依托覆蓋全校的穩定、高效、安全的校園網絡環境，采用分布式資源存貯技術、應用虛擬化技術、流媒體處理技術、數據庫技術等現代網絡通信和共享技術，搭建“三系統、四功能、五層次”的具有開放性、互動性、前瞻性的虛擬仿真實驗教學平臺：三系統即信息化硬件支持系統、實驗教學資源整合共享系統及遠程虛擬仿真實驗教學系統，四功能即公共信息管理功能、實驗系統整合配置功能、實驗教學資源管理共享功能及遠程虛擬仿真實驗功能，五層次即用戶群層、網絡層、管理共享層、資源群層和實驗項目層。

虛擬仿真實驗教學平臺通過應用“軟件即服務（SAAS）”、“平臺即服務（PAAS）”、Cluster集群等信息技術，將仿真實驗教學中心各實驗教學資源整合、虛擬化并共享，實現了對虛擬仿真實驗教學資源進行智能化、自動化及遠程虛擬仿真實驗教學的管理，將“有限的物理實驗教學空間”拓展成為“無限的虛擬實驗教學空間”，創新了虛實結合的實驗教學模式，實現了多地、多校、多專業的實驗教學資源整合和共享，形成了虛實結合、師生互動、自主學習的實驗教學環境，增強了學生的實驗興趣，促進了學生工程實踐與創新能力提升，人才培養效果顯著。

六、交通運輸虛擬仿真實驗平臺教學效果

交通運輸虛擬仿真實驗教學平臺實現了優質實驗教學資源網絡共享，面向國內同類高校學生和交通運輸與物流行業在職人員開放，滿足了校內外多學科的虛擬仿真實驗教學需求，能夠全面提升交通運輸與物流專業人才培養質量和行業在職人員業務水平。

1.教學資源網絡虛擬共享效果突出

以分散自律調度集中實驗系統、物流核心流程模擬實驗系統等為代表的高水平仿真教學資源已面向校內其他專業等開放了多個實驗項目。學生可以通過校園局域網訪問中心虛擬仿真實驗平臺，進行自主實驗，學生的工程實踐能力和科研素質得到了顯著提升。

通過整合校內土木工程學院的虛擬環境選線設計實驗系統、電氣工程學院的列車運行與牽引傳動綜合仿真平臺等虛擬仿真實驗教學資源，實現了校內實驗教學資源高度共享。

面向中國鐵路總公司高速鐵路綜合調度指揮技術人員培訓，開放了高速鐵路運營調度仿真與應急演練虛擬仿真實驗系統。學員可遠程登錄中心虛擬仿真實驗平臺，進行高速鐵路行車調度指揮、高速鐵路接發列車、高速鐵路列車調度應急演練等遠程控制實訓。

2.示范引領作用突出，推廣應用成效顯著

采取“網絡虛擬仿真和虛實結合仿真”兩種實驗教學方式相結合，可以在時間、空間、過程、項目上全面向學生開放。學生能夠充分自主的學習和掌握實驗教學內容，受益學生包括全校交通運輸類和電氣工程、土木工程、車輛工程以及電子商務等23個專業的學生。

采用自主研發的軟、硬件設備，援助西藏大學建成交通運輸實驗平臺（綜合調度指揮和機車駕駛模擬平臺）和智能交通實驗平臺（交通仿真、交通管理與控制、交通環境等）。北京交通大學、同濟大學、中南大學、東南大學、長安大學、大連交通大學、重慶交通大學、蘭州交通大學、西華大學等全國20多所高校來我校交流學習交通運輸虛擬仿真實驗教學資源建設經驗，部分高水平的實驗系統在相關院校中得到了較好的推廣和應用。

“計算機編制列車運行圖系統”作為中國鐵路總公司專用編圖系統在全國所有鐵路局得到推廣應用，“大型客運站調度仿真實驗系統”在成都、哈爾濱等大型客運站得到了推廣應用，實驗教學資源行業推廣和應用成效顯著。

3.社會化服務效果顯著

近三年來，交通運輸虛擬仿真實驗平臺為高速鐵路調度指揮與運營管理、城市交通管理、交通安全、物流管理等培訓高級管理人員和專門技術人才超過6000人次，已成為我國交通運輸和物流領域特別是高速鐵路運營管理人才培養的重要基地。該平臺承擔了中國鐵路總公司高速客運專線綜合調度指揮技術人員培訓、中國鐵路總公司所有路局運輸處長、總調度長、調度中心主任等組成的運輸安全高級干部培訓；承擔了成都鐵路局CRH動車組客運培訓班、成都鐵路局職教干部高速鐵路知識培訓班、廣鐵集團青年科技拔尖人才培訓班、廣鐵集團客運專線技術培訓班、哈爾濱鐵路局車務系統全部技術人員的培訓、成都鐵路局和昆明鐵路局危險貨物運輸技術培訓、四川省城市交通管理實用人才培訓、貴州省城市交通管理實用人才培訓等，社會化服務效果廣受好評。

七、結論與展望

順應新形勢下交通運輸專業人才培養對于工程實踐和科研創新能力的要求，特別是針對交通運輸領域大量需要高成本、高消耗的大型或綜合性實驗手段的教學活動情況，虛擬仿真實驗教學具有明顯的優勢，是高等教育信息化建設的重要內容，體現出信息技術與交通運輸專業教育教學融合發展，以及與交通運輸學科專業深度融合帶來的實驗教學改革與創新。西南交通大學交通運輸虛擬仿真實驗教學平臺建設的全面展開，必將推動信息技術、教育教學與產業發展的互相促進，也將強化實驗教學平臺的示范和引領作用，能夠將先進的實驗教學理念、創新的實驗教學方法、豐碩的實驗教學改革成果、優質的實驗教學資源廣為輻射，為推動各區域各層次綜合交通系統的建設奠定良好的基礎。參考文獻：〔1〕

王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議〔J〕.實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.

（責任編輯：葉光雄）