軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設

馬秀飛，胡福年

（江蘇師范大學軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心，徐州　221116）

軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設

馬秀飛，胡福年

（江蘇師范大學軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心，徐州221116）

1　建設軌道交通虛擬仿真實驗中心的必要性

目前，我國的高速鐵路和城市軌道交通行業發展迅速，相關人才需求旺盛。為了更好地發展軌道交通類專業，實驗室建設是提升學科專業水平、提高人才培養質量的重要平臺。然而，軌道交通類專業實驗教學和實踐培訓存在如下問題：真實平臺設備價格高昂，不適合開展多人多任務教學，難以實現多人的標準化實訓和考核；對涉及不可逆的操作如發生事故，極端的環境、不可控天氣條件的運行狀況難以進行真實教學和研究。

建設軌道交通虛擬仿真實驗中心，可有效克服實體實驗設備存在的局限，具有以下優勢：

（1）虛擬仿真系統成本低

現代化的軌道交通需要十分先進的設備作為保障。一節地鐵車輛至少要1000多萬，一節高鐵車輛則價格上億，而全套的設備配套設施昂貴，多則上億，少則千萬，高昂的價格不適合學校和科研機構的教學應用。高鐵車輛、地鐵車輛模擬仿真系統成本較低，能夠替代真實情況，實現實驗教學和實踐培訓，從而有效地解決這一問題。

（2）虛擬仿真系統功能強

高速鐵路和城市軌道交通最大的特點是設備先進，自動化技術程度高，對實驗實訓教學的要求更高。由于受諸多因素限制，傳統的專業實驗設備和技術條件有限，集成度低，完成的實驗功能單一。同時，因為設備昂貴、臺套數少，無法進行多人多任務實驗和實訓，也無法有效考核教學質量，不能滿足教學需要。

虛擬仿真實驗教學資源，依托數字虛擬現實技術、計算機技術、360度全景展示技術、網絡通信技術和人機交互技術等現代教育信息化手段，能夠實現的功能豐富，且不受臺套數的限制，因此，建設虛擬仿真資源平臺，滿足軌道交通系統的虛擬仿真實驗實訓需求，是解決上述難題的有效手段。

同時，還可以通過情景再現、模擬駕駛、事故預警技術，解決特殊工況難以展現，不可逆的操作難以實現的局限，為科學研究提供試驗支撐和數據支持。

（3）虛擬仿真系統輻射廣

虛擬仿真實驗教學系統，可以方便快捷地形成共享資源，滿足學生學習、職工培訓、科技服務等需求，輻射人群廣泛。

網絡虛擬實驗教學資源不受時間、空間和距離的限制，在網絡條件和技術允許的條件下，部分實驗項目還可實現遠程操作，輻射區域廣泛［1］。

基于以上原因，為了加快軌道交通行業急需的專業技術人才培養，滿足經濟社會發展的迫切需求，同時解決資金、設備、場地不足等問題，利用虛擬仿真技術建設集實踐教學、職工培訓、科技服務為一體，功能完備的軌道交通虛擬仿真平臺，是行之有效的方法，具有非常重要的意義。

我校整合了原有多個省級實驗教學示范中心和軌道交通類相關學科專業的實驗教學資源和人力資源，組建了軌道交通信息與控制虛擬仿真實驗教學中心，并且于2014年成功申報為國家級虛擬仿真實驗教學中心。本文主要介紹軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設經驗。

2　搭建“三位一體”實驗平臺

本中心以提高學生的工程實踐能力和創新能力，提高職工的職業技術能力和應急處理能力，提升科學研究與試驗的支撐能力為目標，首先建立實驗教學虛擬仿真平臺，進而搭建實踐培訓虛擬仿真平臺，進一步建設科研服務虛擬仿真平臺，三個平臺功能聯動，形成一體化相互推動關系，實現實驗教學、實踐培訓、科研服務有機融合。三大平臺結構如圖1所示。

圖1　虛擬仿真三大實驗平臺

實驗教學是掌握高速鐵路和城市軌道交通工作原理及運行控制的基礎，由于軌道交通實驗設備昂貴、購買數量有限、設備不適合反復拆裝、內部結構不易完整展示等特點，用實物進行實驗教學會造成巨大浪費和損耗，設備工作原理難以通過實物展示，多人同時進行實驗教學和考核都比較困難。針對上述問題，需要對城軌和高鐵的實驗教學進行仿真。實驗教學仿真主要涉及行車控制、運行車輛、牽引供電、運輸組織等方面的虛擬仿真實驗內容，滿足實驗教學需求。

實踐培訓的主要任務是培養學生和職工的日常檢修和故障處理能力。為了提高受訓者的故障處理能力，需要人為設置故障進行故障處理演練，然而實際系統中故障設置、多人同時進行故障處理都不易實現。基于上述問題，需要針對各種典型故障進行仿真，實現城軌和高鐵系統的實踐培訓，培養受訓者的日常檢修技能及快速故障處理能力。

科研服務虛擬仿真平臺為教師的科學研究、項目試驗提供平臺，方便教師進行科學研究，有利于提高教師的科研水平。同時，平臺為本科生、研究生的科研立項、科技創新、學科競賽提供服務，使學生通過自主探究學習，培養科研能力和創新能力。同時，為了保證軌道交通運行安全，掌握各種運行條件下的運行狀況和可能出現的故障類型，科研服務平臺利用虛擬現實技術來實現事故情景再現、模擬駕駛、事故預警，為軌道交通行業的企業、相關科研院所提供可靠數據和試驗支撐，最大限度地減少各類事故的發生，為安全穩定運行提供堅強保障。

本中心樹立了“培養專業基礎扎實、動手能力強、轉型快的實用性人才”的實驗教學理念，通過虛擬仿真實驗教學，使學生有效利用課上、課余時間隨時選做軌道交通專業的相關課程實驗和實訓，提高學習效率，避免在實物操作過程中因操作不熟練或誤操作等原因引起的危險；同時也提供高鐵和城軌職工培訓，滿足技術快速發展情況下企業日益增長的職工培訓的要求；還可以通過情景再現及不可控極端天氣條件下的模擬駕駛，為科學研究提供數據支持，為行車安全提供技術服務。

3　形成“一縱四橫多分支”實驗資源體系

在三個平臺上，按照“能實不虛、虛實結合、相互補充”的原則［2］，以專業核心課程知識點為依據，以軌道交通全過程工程實際規范為標準，以構建軌道交通虛擬仿真系統為主線，建設行車控制、運行車輛、牽引供電、運輸組織四大部分交相呼應的實踐教學資源體系，每個部分又包含多個分支，擁有多個實驗項目，形成了中心“一縱四橫多分支”的實驗資源體系，如圖2所示。

四大部分彼此互相支撐、相互融合，充分體現虛實結合，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，低成本、低消耗、高質量地完成大型或綜合訓練，提供安全可靠、經濟實用的仿真項目，以滿足多學校、多企業、多地區的虛擬仿真實踐教學需求，實現校內外、本地區及更廣范圍內的資源共享，形成中心可持續發展模式。

4　開發“三層六型”實驗項目

根據教育部高等學校本科專業課程實驗設置要求，中心將虛擬仿真實驗分為基礎層、應用層、提高層三個層次，包含驗證型、演示型、綜合型、設計型、科研型、創新型六種實驗類型。

實驗教學虛擬仿真實驗屬于基礎層，注重基本原理理解和驗證，有驗證型、演示型仿真實驗項目46個；實踐培訓虛擬仿真實驗屬于應用層，注重專業知識的綜合應用，培養學生的工程實踐能力，提高職工的專業技能與職業素質，共有綜合型、設計型項目42個；科研服務虛擬仿真屬于提高層實驗，共有科研型、創新型項目14個，全部面向學生、教師、軌道交通相關企業和相關科研院所開放，注重研究能力和創新能力的提升。

圖2　虛擬仿真實驗資源體系

5　虛擬仿真實驗中心建設的特色

江蘇師范大學軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設具有以下幾點特色：

（1）多方聯建

利用學校的教學和科研優勢，依托軌道交通行業的先進技術、實體資源和運行數據，借助軟件公司的開發實力，開展國際化合作辦學，共享俄羅斯圣彼得堡國立交通大學的師資力量，提升建設能力、提高建設水平、豐富教學資源、加速產品研發和成果轉化，共同打造虛實結合、數據共享、信息交互、職前培養、職后培訓的軌道交通信息與控制虛擬仿真實驗教學中心。

（2）功能聯體

構建“實驗教學、實踐培訓、科研服務”一體化平臺。利用實驗教學虛擬仿真平臺，搭建實踐培訓虛擬仿真平臺，進而建設科研服務虛擬仿真平臺，使實驗教學與工程實際應用緊密結合，實現實驗教學、實踐培訓與科研服務三大功能聯體，培養學生的工程實踐能力和創新能力，提高職工的職業技術能力和應急處理能力，提升科學研究與試驗支撐能力。

（3）四部聯動

建設“一縱四橫多分支”虛擬仿真實驗教學資源體系。以“行車控制、運行車輛、牽引供電、運輸組織”四大部分為核心，以提升實驗實訓質量為目標，以軌道交通運行規范為依據，構建軌道交通虛擬仿真實驗教學資源。每個部分教學資源相對獨立，又互相聯系、相互支持，形成四部聯動的實驗教學資源，滿足多專業教學需求。

6　虛擬仿真實驗中心的資源共享

教育部要求，國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設尤其要強調優質資源的開放共享，鼓勵各高校建設能體現自身學科優勢和專業特色的虛擬仿真實驗教學資源，并建立互補互利、優勝劣汰的開放共享機制［2-4］。

我校軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心針對資源共享問題探索發展了以下機制：

（1）校內共享

中心教學資源可通過校園網對全校學生開放共享，學生可在課內、課外進行實踐學習，強化基本能力訓練，滿足軌道交通及相關專業的實踐教學需求，提高綜合運用專業知識解決問題的能力，培養學生的科技創新能力。教師可利用實驗教學中心資源進行項目試驗和科學研究，部分成果可轉化為產品或實驗項目，進一步豐富實驗教學中心資源庫。

中心還可滿足“卓越工程師教育培養計劃”實施的要求，軌道交通類專業通過卓越工程師培養，與軌道交通行業的企業合作，聯合開展相關技術的仿真教學和競賽活動。

（2）校際共享

中心利用徐州高校教學聯合體平臺，實現為周邊兄弟院校服務，為教師科研提供支持，承擔其相關專業的實驗和實訓任務，校外學生可以通過校聯合體平臺預約注冊登錄后，遠程共享部分實驗教學資源，完成實驗、設計等任務，提高學習效果。解決網絡局限后，可進一步擴展共享范圍，提高虛擬仿真實驗教學資源利用率，發揮區域輻射引領作用。

（3）國際共享

我校已與俄羅斯圣彼得堡國立交通大學在軌道交通信號與控制等專業開展聯合辦學，雙方以國際化、大工科、多樣性為特色，以師資共享、優勢互補、專業優化為宗旨，共同開展專業建設。根據雙方特點，利用雙方優質資源，設置實驗項目，研制實驗設備，共同開發虛擬仿真實驗教學資源，創新與提升實驗教學水平，建設一流的軌道交通信息與控制虛擬仿真實驗教學中心，培養軌道交通專業知識扎實、創新能力強，具有國際視野和現代軌道交通理念，掌握軌道交通工程的前沿理論與技術，能夠勝任軌道交通相關工作的專業人才。

（4）企業共享

中心為上海鐵路局徐州電務段、供電段、徐州高鐵客運站提供高鐵列車模擬駕駛、綜合調度系統、列車檢修、牽引供電系統等虛擬仿真職工培訓，同時為企業的產品研發等提供全方位、多功能的服務平臺，為周邊地區軌道交通的發展發揮積極作用。

7　結語

軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心擁有優秀的教學團隊和豐富的教學資源，形成了一套高效的實驗教學運行機制和管理方法，在實驗教學效果、實踐基地建設、師資隊伍建設等方面取得了豐富的成果，得到了校內外專家的好評。在學校的大力支持下，中心將進一步加快建設和發展步伐，建成具有示范引領、輻射服務作用的國內一流虛擬仿真實驗教學中心，以提高人才培養質量，提升行業服務水平和科研支撐能力。

［1］王涌，李國麗，應艷杰，賈立新．建設網絡虛擬實驗室，深化實驗教學改革［J］．實驗技術與管理，2010，27（9）:85-87．

［2］教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知［Z］，2013-08-13.

［3］李平，毛昌杰，徐進 .開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設 提高高校實驗教學信息化水平［J］.實驗室研究與探索，2013，32 （11）:5-8.

［4］胡今鴻，李鴻飛，黃濤．高校虛擬仿真實驗教學資源開放共享機制探究［J］．實驗室研究與探索，2015，34（2）:140-145．

Virtual Simulation Experimental Center；Rail Traffic Information and Control；Laboratory Construction

Construction of National Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Rail Traffic Information and Control

MA Xiu-fei，HU Fu-nian
（National Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Rail Traffic Information and Control，Jiangsu Normal University，Xuzhou 221116

1007-1423（2015）25-0040-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.25.012

馬秀飛（1977-），女，山西大同人，講師，碩士，從事領域為軌道交通信號與控制等

2015-07-28

2015-08-24

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容。以江蘇師范大學軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設為例，介紹建設虛擬仿真實驗中心的必要性、實驗平臺的搭建、實驗資源體系的形成、資源共享的機制等內容，對虛擬仿真實驗中心的建設方法、創新人才培養機制進行深入的研究。

虛擬仿真實驗中心；軌道交通信息與控制；實驗室建設

胡福年（1967-），男，新疆烏魯木齊人，教授，博士，從事領域為軌道交通信號與控制、電氣工程等

Virtual simulation experimental teaching is an important construction content of the higher educational informatization and the experimental teaching demonstration center.Takes the construction of national virtual simulation experimental teaching center for rail traffic information and control in Jiangsu Normal University as an example，introduces the necessity of virtual simulation experimental center and the method of build experimental platform，form experimental resources，share resources.Studies the construction method of virtual simulation experimental teaching center and the mechanism of student training.