面向軌道交通信息控制的《信息傳輸原理》教學改革實踐

歐冬秀 閆黃 陳麗璇 黃世澤 沈拓

摘要：高速鐵路與城市軌道交通快速發展過程中高速、高密度、高安全是目標，而控制中心與列車、軌旁設備的安全信息傳輸是實現列車安全運營的核心保障技術之一。本文重點探索軌道交通信息工程與控制專業人才培養的教學體系中專業基礎課“信息傳輸原理”的教學內容和教學方法改革，分析新形式下交通信息交叉學科卓越人才培養中的工程能力培養需求，探索專業基礎課中基礎原理與工程的結合方法。實踐表明，該教學內容和方法的改革，能有效提升學生的學習興趣，幫助學生更好的明確課程學習的目的和自主學習，為后續專業課的學習奠定了良好的基礎。

關鍵詞：交通信息工程及控制；軌道交通；信息傳輸原理；工程能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）39-0095-04

一、交通工程卓越工程師培養

從上世紀70年代末恢復高考到現在，對于我國高等教育的辦學條件、辦學內容和辦學要求這些方面，都發生了很大的變化，并且創新意識也已經成為了優秀人才的必要標志。在上世紀80年代末期，北京大學通過考察研究，提出了“加強基礎，淡化專業，因材施教，分流培養”的16字教學改革方針，即在低年級進行通識教育，高年級進行寬口徑的專業教育。據此，各重點大學也根據自己的教學定位和專業學科的特點，先后實施了按照學科大類招生和培養的制度。學生通過大類招生入校后，經過1～2年的基礎培養，再根據興趣和雙向選擇原則進行專業分流。

同濟大學同樣也是按學科大類招生的本科生培養方式，招生門類包括土木類、交通運輸類、電氣信息類、機械類等。交通運輸類下的交通工程專業自1980年開始首批招收交通工程本科專業學生，該本科專業是從傳統優勢的土木工程學科專業群中延伸出來的新專業，2000年隨著兩校合并，集中兩校原有的道路與鐵道工程、交通工程與交通運輸、交通信息工程等方面的教學力量，在現在的交通工程本科專業內分別設置了交通規劃、道路與機場工程、交通信息工程和軌道交通工程等四個專業方向。交通信息工程專業方向是電子信息工程與交通運輸工程這兩大學科門類的全新融合，它是將信息科學技術完美地結合到現代交通運輸系統中去，充分發揮信息技術在交通運輸工程中的作用。因此，交通信息工程專業的培養目標應該是使前沿的信息技術更好地在交通運輸工程中得到推廣使用，以便更好的發展和推進交通運輸事業的現代化和信息化。

面向“卓越工程師”目標的交通工程本科專業培養方案是為了培養卓越工程師，故需探索多元化教學方式，積極建設面向工程能力培養的卓越工程師培養體系，解決復雜工程問題能力的培養模式，培養能夠勝任交通工程及相關信息系統、基礎設施的規劃、設計、施工、管理、控制、運行、維護、研究、教育以及投資開發等工作，并能面向未來，掌握解決現代交通問題的基本技能，掌握終身學習能力和國際視野的高級工程專門人才和拔尖創新人才。

二、面向交通信息的《信息傳輸原理》基礎課建設

（一）課程與其他課程的銜接關系

信息傳輸原理這門課程是交通與信息交叉中的一門屬于電子信息類的專業基礎課，它建立在電路分析基礎、信號與系統、電子技術基礎這些基礎課之上，除了需要交通運輸類常規的高等數學、線性代數的數學知識外，還需要電子類的數學基礎課復變函數與積分變換。

由于軌道交通信息控制以及智能交通系統中的管理與控制平臺、車路協同控制等都需要通信技術的支持，而信息傳輸原理是通信系統和技術的基礎，因此該門專業基礎課將支撐后續的軌道交通信號基礎、車站與區間控制、軌道交通運行控制與管理、交通信息網網與通信技術、智能交通系統等。

（二）面向交通信息的特色教材建設

面向交通信息交叉學科的信息傳輸原理課程的后續課程都是交通信息方向的專業課，因此信息傳輸原理的教學內容較為廣泛，不僅包括電子信息方面的相關基礎知識，還包括通信控制和信號處理方面的專業領域知識，這是與電子通信工程專業的教學方案的不同之處。由此可見，信息傳輸原理教材不能簡單地與通信原理等同視之，因為通信原理的后續課程還有各種分門別類的通信專業課。

信息傳輸是一切應用信息系統的核心，它不僅承擔著將大量信息既要高效精準，又要安全可靠地有序流通和傳播的任務，而且在一定程度上決定了信息系統的服務性能和使用價值。此外，信息傳輸技術也是在信息技術中發展得最快和使用得最廣泛的熱門課題之一，特別是在交通運輸系統進入智能化時代之后，更是離不開信息傳輸技術的研究和開發應用。為此，特編寫了《信息傳輸原理》教材，該教材包括2004年的第一版和2011年的第二版，其中第二版為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。教材去除了現今已經逐步淘汰的模擬信息傳輸廣泛，增加了應用廣泛的光纖信息傳輸內容，并且補充了在現代數字信息傳輸中的新技術，使得教材內容更加充分全面，更加切合交通信息工程專業的實際需求。全書共有6章組成，具體內容包括第1章——信息與信息系統，第2章——信息編碼技術原理，第3章——數字調制技術原理，第4章——移動信息傳輸原理，第5章——光纖信息傳輸原理，第6章——信息傳輸網絡。

三、課程教學內容改革

課程的核心教學內容包括信息與信息系統、信息編碼、數字調制、移動信息傳輸、光信息傳輸等，該課程內容多，原理復雜，涉及的知識面也很廣泛，學生不易理解和掌握，很難做到融會貫通。如果不將理論與工程實踐相結合，在單純的理論講解下，學生接受知識比較困難，因而對教學內容進行了改革，結合每章節的核心理論知識模塊，將交通領域的典型應用中的理論知識進行貫穿講解（見表1），一方面便于理論知識的理解，另一方面便于與后續的專業課程有效銜接。

與教材中的核心理論知識模塊相比較，每個知識模塊要與交通領域的詳細用例相結合教學將更好地理解。以比較難于理解的數字調制技術原理為例，針對基帶傳輸計算機串口傳輸、軌旁電子單元與可變應答器接口基帶碼型；而對于頻帶傳輸，即頻率調制，則結合高速鐵路信號系統中的兩種車地信息傳輸方式：應答器與軌旁控制單元基帶傳輸、音頻軌道電路調制進行了調制方式講解和綜合性實驗安排。

四、面向工程能力培養的實驗教學改革

（一）實驗教學內容及方式改革

1.多層次的實驗類型設置。（1）驗證性實驗。對驗證性實驗，在硬件設備缺乏的情況下，可以采用Matlab仿真實驗的教學方法。主要是選擇不同的輸入信號，觀察中間及輸出的信號波形。在模擬現實情況下，實現對理論知識的驗證。（2）設計性實驗。對“信息傳輸原理”課程的設計性實驗，可以結合學時的數量并充分利用學生的課外時間和開放性實驗室，主要是對通信系統的關鍵模塊進行設計。譬如對線性分組碼BC及循環冗余編碼CRC模塊的設計性實驗，通過使用MATLAB編程方法對BC及CRC編碼器進行模擬仿真，如果仿真結果和理論分析保持一致，即說明設計方法有效。通過這種方法，可以使學習者具備實際項目的研究手段，能更好地為今后的研究和實踐做準備。（3）綜合性實驗。綜合性實驗是給定一個通信系統，通過分析系統各方面的性能指標，綜合運用所學的理論知識，如編碼、調制、編程等要求學生從理論上對系統建模，在Matlab平臺仿真對實際的軌道交通車地通信系統進行實驗，觀察記錄實驗結果。

2.實驗內容與方式改革。（1）理論與工程應用相結合。本課程針對理論知識模塊共安排了8個實驗項目和1個綜合設計，即大作業（如表2所示），實驗項目含基礎實驗和與軌道交通信息與控制信息傳輸密切結合的實驗，如應答器和軌道電路音頻信息傳輸。（2）發揮學生主導地位，完成雙主體教學的體系。在課堂上，教師只需充當輔導學生的角色，當學生遇到困難時，對其進行引導性的解答，增強學生解決問題的能力。在實驗操作過程中，教師應及時指出學生的錯誤做法，并在實驗完成后，對學生的實驗效果與掌握情況進行評價。（3）發掘課內外資源，構造綜合型與設計型實驗體系。依托同濟大學道路與交通教育部重點實驗室的開放性實驗管理平臺，對于課外實驗，學生通過平臺預約，在相對寬松的課外時間完成實驗，開展由學生自主設計、自主實驗、自主分析結果的綜合設計型實驗。整合實驗教學內容，制定以學生為中心的體驗式、啟發式實驗教學模式，構建如表2所示的實驗課程體系。

（二）軌道交通信息控制特色的綜合性實驗案例

1.理論知識的工程應用場景。應答器是鐵路信號車地信息傳輸的主要設備之一，如圖2。應答器可向CTCS-3級列控系統車載設備提供等級轉換、建立無線通信、位置等信息，同時對CTCS-2級列控系統車載設備提供線路坡度、軌道電路、線路速度、臨時限速等線路參數信息。應答器報文信息格式采用了統一的技術規范，應答器設置滿足CTCS-3系統、兼容CTCS-2系統的要求。應答器工作原理功能模塊圖如圖3所示。

2.實驗目的及其與理論知識點對應。本次實驗內容包括應答器通信系統的搭建和仿真實現，其主要目的是：首先，通過鐵路應答器車地信息傳輸案例，讓學生熟悉信源編碼、信道編碼的方法和作用；其次，學生熟悉二元數字頻率調制2FSK工作原理及鐵路應答器A口FSK信息傳輸方式，并對該數字調制系統進行建模仿真，運用MATLAB的Simulink工具箱搭建完整信號調制解調系統；通過對比信號基帶波形與解調后的波形差異，了解FSK信號調制解調系統的優劣。本次實驗可以與信息傳輸原理中的多個理論知識模塊（見圖4）對應，包括：（1）應答器信源報文編碼。了解應答器報文信息格式的技術標準，如表3所示，其為信源編碼的常規編碼方式。（2）應答器信道CRC信道編碼。應答器傳輸包圍的數據格式如圖5所示，包括加擾的數據報文、控制位、擾亂位、修正位和校驗位。重點運用信息傳輸原理中關于信道編碼的循環冗余編碼方法，實現應答器傳輸報文檢驗位編碼。（3）空中A口調制與解調。應答器傳輸系統是安全點式傳輸系統，通過應答器實現地面設備與車載設備之間的安全信息傳輸。地面應答器與車載天線之間的接口為A接口，采用電磁感應發送，接口為A1和A4。其中，A1為應答器向天線單元傳輸上行鏈路應答器報文的接口，A4為天線單元向應答器傳輸應答器所需電源的接口（遠程供電信號）。

應答器向天線單元傳輸上行鏈路信號要求采用連續相位FSK調制方式。發送邏輯“0”（fL）頻率為3.951MHz，發送邏輯“1”（fH）頻率為4.516MHz，中心頻率為（fL+fH）/2=4.234MHz±200kHz。

2FSK信號的包絡檢波法解調方框圖，經包絡檢測后取出包絡，通過抽樣判決器進行比較，把兩路包絡信號送到抽樣判決器進行對比，從而判決輸出基帶數字信號。

3.實際線路應答器信息傳輸實驗設計。（1）根據實際線路區段信息，編寫應答器地對車信息傳輸報文。線路區段示例如圖6，其在區段L1、L2、L3、L4各段的線路限速信息分別對應v1、v2、v3、v4，通過應答器報文傳輸給車載控制器。（2）運用MATLAB讀取文件中已編寫的應答器數據報文。（3）運用MATLAB的Simulink工具箱搭建完整的2FSK調制解調系統，模擬鐵路應答器地對車A口FSK傳輸系統。該系統輸入為應答器的數據報文，由基帶M-FSK調制與解調器模擬2FSK調制解調，采用加性高斯白噪聲信道，最后配上速率轉換器及顯示器顯示應答器的數據報文的調制與解調結果。

五、結語

交通工程卓越工程師的培養需要寬專業、厚基礎，然后基礎課教學存在公式偏多、難于理解、與實際工程問題脫節的現實問題，本文以交通工程專業信息方向的專業基礎課《信息傳輸原理》為例，面向軌道交通信息控制行業為對象，分析了課程的基礎知識對后續專業課程的支撐作用，結合后續工程應用，對原理課程的知識模塊進行分解，每個核心內容配備相應的實驗內容，并對實驗內容和方式進行了改進，增加了學生對課程的理解，同時也提高了學生解決復雜工程問題的能力。

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