現場實驗與遠程分布式同步實驗教學系統開發
——以“軌道車輛制動實驗”為例

左建勇， 汪 洋

(1.同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 200092； 2.中國鐵道科學研究院，北京 100081)

現場實驗與遠程分布式同步實驗教學系統開發
——以“軌道車輛制動實驗”為例

左建勇1， 汪 洋2

(1.同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 200092； 2.中國鐵道科學研究院，北京 100081)

以“卓越工程師培養計劃”為代表的大學教育教學改革正在進行，探索培養具有工程背景，符合社會需求，具有我國教育特點的適用人才是目前工科大學面臨的重要問題之一。以軌道車輛制動實驗為例，針對現有的現場實驗教學設備少、環境差、耗能多等問題，在原有在線測試平臺的基礎上，基于GPRS DTU遠程數據傳輸技術，開發了遠程分布式同步實驗教學系統。實際應用表明，該系統很好地解決了上述問題，使多組學生可以同步開展實驗，達到了遠端與現場實驗效果一致的目標，提升了學生的專業興趣與實驗參與度，符合卓越工程師培養目標。

軌道車輛； 制動實驗； 遠程教學； 同步實驗

0 引 言

自教育部啟動“卓越工程師培養計劃”以來，同濟大學作為首批實施“卓越計劃”的高校，為培養創新能力更強、更加適應當前經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，開展了一系列教學改革的嘗試，其中包括增加實踐類課程的比例，鼓勵理工科學生通過親身參與各種類型的實驗活動，培養其獨立獲取知識和解決工程實際問題的能力[1-2]。

鐵道與城市軌道交通研究院作為同濟大學的一員，積極響應校方的教學改革要求[3-5]，針對四年級上學期的本科生已經掌握了豐富的專業知識、但工程實踐能力不強的問題，利用研究院的軌道交通綜合試驗線平臺，專門開設了“車輛工程綜合實驗”的課程，為不同專業方向的學生設計了針對性的實驗教學大綱和實驗方案，取得了良好的教學效果。

“軌道車輛制動實驗”就是該系列實驗課程中的一個實驗，主要采用現場實驗教學的方式。結合教學理論[6-8]并且經過一段時間的教學實踐發現，這樣的教學方式依然存在以下一些問題：

(1) 實驗設備不足。由于軌道車輛制動測試系統開發耗資較大，不可能提供更多的實驗列車，或安裝更多的車載實驗設備，故導致現有的現場實驗教學設備嚴重不足，根本無法保證多個學生同時開展實驗。

(2) 實驗環境較差。由于軌道車輛本身就存在車廂內空間相對狹小的問題，加之現場實驗教學設備嚴重不足，導致學生在進行實驗時全部圍繞在僅有的實驗設備前，使得現場環境非常擁擠。

(3) 實驗耗費巨大。為了使所有學生都能夠參與到實驗中來，只能將學生分組輪流進行實驗，這樣雖然保證了實驗教學的效果，但卻成倍地增加了列車的牽引與制動次數，造成了大量多余的能源耗費。

為了解決上述軌道車輛制動實驗現場教學中存在的問題，本文針對性地開發了遠程分布式同步實驗教學系統，使得一部分學生可以不去現場，在實驗室就可以與現場的學生同步開展軌道車輛制動實驗，在解決上述問題的同時，與現場實驗達到了一致的效果，為解決同類型實驗教學問題提供了一種很好的解決方法。

1 軌道車輛制動實驗內容

軌道車輛制動實驗是機車車輛型式試驗的重要組成部分，是列車安全運行的重要保障，是軌道車輛工程專業學生必須掌握的基本技能之一。開展該實驗教學可為學生將來從事相關工作提供很大幫助。

軌道車輛制動實驗教學的最終目標，是讓學生全面了解地鐵列車制動系統的結構組成、工作原理與裝車情況等，并選做部分制動系統動調實驗，熟悉動調實驗流程，通過數據分析得到制動距離、制動減速度等制動系統性能參數。

軌道車輛制動實驗的教學安排主要分為制動系統認知、不同工況下的制動實驗、實驗報告編寫與提交3個基本環節，具體描述如下。

1.1制動系統認知

在開展不同工況下的制動實驗之前，首先需讓學生對地鐵列車制動系統有一個全面、系統、感性的了解，這樣才能對整個實驗的組成、流程、注意點等有一個清晰的認識，更有利于后面的實驗展開與報告編寫。

制動系統認知主要分為課堂教學和現場教學兩個部分。課堂教學采用傳統的老師教授的辦法，通過幻燈片向學生詳細講解制動系統的構成及其工作原理。現場教學則是在有經驗的老師的帶領下，通過實物認識制動系統各部件構成、功能及其裝車情況，并通過此了解制動系統在線測試平臺的設計原理。

兩種認知教學方式相輔相成、互為補充，課堂教學有利于學生快速、系統地掌握新知識，而現場教學有益于學生更加感性、具體地認識制動系統，是不可或缺的組成部分。

1.2不同工況下的制動實驗

經過制動系統認知和實驗預習，學生們就可以進行不同工況下的制動實驗。圖1所示為車載制動系統在線測試平臺，學生通過該測試系統，測量地鐵車輛在運行過程中常用制動、緊急制動、快速制動下的制動級位、制動缸壓力、運行速度等數據，并保存在Excel文件中，供實驗后分析計算制動系統各項性能指標。

圖1 制動系統在線測試平臺

地鐵車輛由專業人員駕駛，并與實驗學生配合，共完成5種工況的運行和制動，包括：35 km/h速度下的50%常用制動、45 km/h速度下的100%常用制動、35 km/h速度下的快速制動、45 km/h速度下的緊急制動，及靜調試驗中靜止狀態下緊急制動工況。

1.3實驗報告編寫與提交

學生在實驗后要求其任意選擇動調試驗中的兩種工況，根據測得的實驗數據，用Matlab繪制出制動缸壓力曲線(見圖2)和車輛運行速度曲線，分析計算空走時間tk、制動響應時間t、制動距離sb以及制動平均減速度a共4個性能指標，據此分析比較兩種工況的不同，形成最終的實驗報告并提交，由老師做出評價。

圖2 學生繪制的制動缸壓力曲線

3個教學環節環環相扣、由淺及深，學生通過主動學習、親身實踐、數據分析，對軌道車輛制動實驗形成了完整、系統、深入的認識，基本達到了最初的實踐教學目標。

2 遠程分布式同步實驗系統方案

現有的軌道車輛制動實驗教學模式經過一定時間的實踐，基本達到了預期的教學目標，但依然存在如前所述的若干問題，所以在原有模式不變的情況下，附加開發一套遠程分布式同步實驗系統可以很好地解決上述問題，達到更佳的教學效果。

現有的現場實驗教學系統是基于虛擬儀器技術開發的測試系統，而遠程分布式同步實驗系統的實質是虛擬儀器在網絡領域的拓展，即遠程虛擬儀器技術。該技術結合了虛擬儀器技術與網絡技術，將虛擬儀器的應用范圍拓展到整個Internet網絡，使信號采集、傳輸與處理一體化，一方面可以使昂貴的硬件資源得以共享，充分利用現有的實驗資源；另一方面有利于分布式遠程教育實驗教學的開展，從而解決限制遠程教育中的實驗教學進行的若干技術難題[9-10]。

軌道車輛制動實驗測試系統的原有結構非常有利于遠程分布式同步實驗系統的開發，只需要在原有系統基礎上，利用網絡化技術，通過Internet將測試數據實時傳輸到遠端的多臺計算機上，存儲并用虛擬儀器軟件復現車輛的運行狀態，就可以讓多組學生在遠端開展車輛制動實驗。其基本系統結構如圖3所示。

圖3 遠程分布式同步實驗系統結構

經過仔細研究與綜合考慮，最終采用基于通用分組無線服務(General Packet Radio Service，GPRS)技術的網絡數據傳輸單元(Data Transfer Unit，DTU)開發遠程分布式同步實驗系統。DTU是專門用于將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據，通過無線通信網絡進行傳送的無線終端設備，具有以下一些優點[11]：

(1) 組網迅速靈活，建設周期短、成本低。GPRS作為第2代移動通信技術，已經相當成熟，可提供端到端、廣域的無線IP連接, 為構建低成本的無線遠程數據傳輸系統提供了可能。

(2) 網絡覆蓋范圍廣，安全保密性能好。經過多年建設，GPRS網絡已基本覆蓋大部分地區，適宜在偏僻的試驗線應用；DTU軟件支持RSA，RC4加密算法，保證了數據的安全。

(3) 鏈路支持永遠在線、按流量計費、用戶使用成本低。DTU可上電自動撥號，并采用心跳包保持永久在線，當長時間沒有數據通信時，移動網關將斷開DTU與遠端數據中心的連接，心跳包就是DTU與遠端在連接被斷開之前發送的一個小數據包，以保持連接不被斷開，斷線自動重連。

綜上所述，GPRS DTU的“無需后臺計算機支持、永久在線、接入速度快、采用數據流量計費”等諸多特點，具有無可比擬的性價比優勢，已經廣泛應用在電力系統自動化、工業監控、環境監測等行業的遠程數據傳輸，非常適合開發遠程教學系統[12-13]。

3 示范應用

本節將以軌道車輛制動實驗為例，依據遠程分布式同步實驗系統方案，講解如何將DTU設備應用于本系統以實現遠程同步教學。

基于GPRS DTU技術的遠程同步教學系統的基本結構框圖如圖4所示。原有的在線測試系統將測得的制動缸壓力等數據顯示、存儲的同時，通過RS-232串口發送給現場的DTU設備，進入數據傳輸單元后，數據被GPRS模塊封裝成適合于網絡通信的數據包，被發送至GPRS網絡，再通過 GPRS網絡進入Internet上傳輸，最后被指定IP地址的遠端數據中心讀取。

圖4 基于DTU的遠程教學系統結構

遠端數據中心接受到數據后，即可由LabVIEW軟件讀取，并進行顯示與存儲[14-15]，圖5所示即為遠端同步實驗教學系統的軟件界面。該系統可顯示當前通信狀態、系統時間、天氣，并通過數據框和波形圖兩種方式顯示車輛軸速、制動缸壓力、制動級位等，通過信號燈的亮滅反映牽引指令等開關量，還可將需要的數據保存到指定的路徑，供實驗后進行分析。

圖5 遠端同步教學系統軟件界面

通過多次在線測試，遠端同步教學系統得到的數據與現場采集到的數據完全一致，且無丟失、掉點的現象發生，數據傳輸穩定、準確率高，實時性基本得到保障，已經開始應用于軌道車輛制動實驗的課程中，并且初步取得了不錯的教學效果。

4 結 語

本文以軌道車輛制動實驗為例，詳細講解了如何在原有的現場教學實驗系統基礎上，應用GPRS DTU遠程數據傳輸單元，解決了遠程分布式同步測試實驗教學系統開發的技術難點，搭建了實驗系統，解決了現場實驗教學設備少、環境差、能耗多等問題，實現了一次線路試驗、多組學生數據實時共享的實驗目標，提高了實驗效率，達到了遠程與現場實驗效果一致的要求。該教學模式大大提升了學生的實驗參與度，培養了學生的專業興趣，符合“卓越工程師”的培養目標。此外，基于該實驗系統，還可拓展進行本科畢業設計、本碩貫通培養教學模式等的探索與研究。

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DevelopmentofTeachingSystemoftheFieldandDistributedRemoteSynchronousExperiment——ACaseStudyofRailVehicleBrakeExperiment

ZUOJianyong1,WANGYang2

(1. Institute of Rail Transit, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

One of the most significant tasks of technological universities in China is to cultivate engineering talents which are accordant to both the needs of our society and the characteristic of Chinese education. Taking the rail vehicle brake experiment for example, there are many problems in field experiment, such as few teaching equipment, poor environment, mass energy consumption, etc. Based on original online testing platform and GPRS DTU remote data transmission technology, a distributed remote synchronous experimental teaching system was built up. The application shows that the system can solve aforementioned problems commendably, multiple groups of students can experiment simultaneously. The system achieved the goal that the remote experimental results are consistent with the field. It elevated students’ professional interests and participation in experiments, in line with “Excellent Engineer” training objective.

rail vehicle; brake experiment; remote teaching; synchronous experiment

U 231；G 642

A

1006-7167(2017)09-0163-04

2016-08-11

十二五國家科技支撐計劃項目(2015BAG19B01-05)；同濟大學教學改革創新項目(2015-2016)

左建勇(1976-)，男，山西運城人，博士，副教授，主要研究方向：從事列車制動與主動安全研究。Tel.: 021-69584712; E-mail: zuojy@tongji.edu.cn