基于模塊化的城市軌道交通AFC理實一體化教學系統設計

陶漢卿 李文波

【摘 要】本文分析城市軌道交通自動售檢票（AFC）系統教學存在的問題，根據模塊化、透明化實踐教學的思想，將AFC系統的模塊進行拆解、連接，開發故障診斷系統，設計模塊化的理實一體化教學系統，并介紹系統的理論教學模塊和TVM、AGM機等實踐教學的結構、故障樹診斷系統、關鍵技術等。

【關鍵詞】城市軌道交通? 模塊化? AFC? 理實一體化? 故障樹? 教學系統

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）11C-0189-04

城市軌道交通控制自動售檢票（AFC）系統在城市軌道交通運營管理中起到非常重要的作用，是城市軌道交通運營管理、城市軌道交通通信信號技術專業使用和維護的設備。AFC設備結構復雜，對于這兩個專業的學生，要求在掌握AFC系統的關鍵技術、系統組成、結構和功能、工作原理等理論知識的同時，必須認知AFC設備內部機械結構，學會AFC設備拆裝認知、檢修流程和故障查找處理，這些需要高標準的實踐技能訓練。

一、職業院校城市軌道交通AFC系統教學問題

第一，理論教學和實踐教學相脫節。一般采用常規的先理論后實踐的教學模式，理論教學和實踐教學各自為政，理論教學關注的是理論知識的傳授，實踐教學注重的是實際操作，兩者不能形成良好的相互促進關系，造成部分內容重復教學，學生在學習過程中理論不能聯系實踐，影響了教學效率。

第二，實訓設備少，不利于實踐教學組織的開展。AFC設備購置和維護成本高，高職院校由于場地和經費的限制，用于AFC系統實踐教學的設備少，在班級人數多的情況下，進行分組分模塊教學，學生輪流進行操作，動手操作機會少，教師在指導模塊教學時還要維持課堂紀律，教學組織和管理困難，不能有針對性地進行指導，不能很好地激發學生的學習興趣。

第三，傳統的AFC實訓系統與城市軌道交通運營公司的高度一致，設計的集成度較高，沒有考慮教學的需要，在設備認知教學時，學生只能看到系統組成部分各個模塊的外觀，無法看到模塊的內部結構、原理和工作過程，在設備拆裝和設備故障查找處理教學時，學生的誤操作或者其他原因可能會導致模塊元件的損壞，增加了設備的維護成本和時間，給實踐教學的開展帶來了較大的難度。

為解決這些問題，本文設計了模塊化的城市軌道交通AFC理實一體化教學系統，將理論教學和實踐教學進行統一設計，以學生為主體、以教師為主導，設定教學任務和教學目標，實現教師與學生“教、學、做”一體，教學過程中，以實踐訓練項目為主線，理論和實踐教學交替進行，重點培養學生的技能和職業能力，從而提高教學質量和教學效率。

二、城市軌道交通AFC理實一體化教學系統關鍵技術應用

（一）城市軌道交通AFC系統簡介

自動售檢票系統（AFC）是融合了計算機、網絡通信和自動控制等3C技術的全過程自動化系統，用于城市軌道交通售票、檢票、計費、收費、統計、清分和管理等。AFC系統較為龐大，設備較多，具有票卡、車站計算機系統（SC）、維修中心計算機系統（MMC）、培訓中心計算機系統（TC）、車站終端設備（SLE）、自動檢票機（AGM）、自動售票機（TVM）、自動查詢機（TCM）、半自動售票機（BOM）、手持式檢票機（PTCM）和編碼分揀機（ES）等設備。

城市軌道交通AFC系統按照層次化劃分可以分為五層，第一層是主要用于管理各個線路票務信息的城市軌道交通清算系統，第二層是主要用于統計線路的AFC運營數據的中央計算機層，第三層主要是負責管理車站票務數據的車站計算機層，第四層是負責控制車站內各種電氣化設備的車站終端設備層，第五層是實現乘客車票的管理工作和車票的自動售檢功能的車票層。城市軌道交通AFC系統層次結構如圖1所示。

理實一體化教學系統將城市軌道交通AFC系統的車站終端設備進行模塊和組件拆解，采用電纜連接，連接成為完整的系統，實現模塊間的聯動和現場設備的功能。

（二）城市軌道交通AFC理實一體化教學系統設備

城市軌道交通AFC理實一體化教學系統采用教學路由器、多個具有聯動功能的模塊化實操設備（包括上位機和下位機）、配套網絡設備等搭建智能理實一體化基礎環境，每套實訓系統的中心控制端包括服務器、智能實訓教學平臺、課程交互式教學軟件等，模塊化實操設備包括上位機、無線透傳模塊、下位機、PWM電源模塊和AFC設備模塊等。城市軌道交通AFC理實一體化教學系統設備連接如圖2所示。

（三）教學系統關鍵技術應用

1.模塊化實操設備上位機軟件技術

目前的智能實訓系統中，一般設置電路線路故障采用的方法是松開接線端子排上的螺絲，在接線端子上塞入絕緣膠片或者用繼電器接點斷開線路等手段，導致故障設置時間長、易被發現，影響設備原有配線，用于設置故障配線復雜，故障系統受外界設備的干擾，影響故障設置的突然性、隨機性和不可預見性，不易于故障系統的維護。

城市軌道交通AFC理實一體化教學系統的模塊化實踐操作設備由上位機和下位機組成。上位機采用計算機，繪制圖形界面和傳輸信息的編、解碼。利用C#語言編寫人機界面，先設置理實一體化實訓室模塊化設備布置一致的設備圖，并進行設備編號，點擊其中的設備，可以進行放大，可以清楚地分辨出設備的結構，直接使用鼠標右鍵下拉菜單進行選擇，可以直觀和簡單地設置故障。上位機有多個終端，采用局域網連接，通過無線網絡和中心控制端的服務器相連，由服務器進行故障設置、學員操作過程記錄、學員評價等數據處理，然后與智能實訓教學平臺交換信息。

故障設置之后，界面上出現故障前的顯示狀態，隱藏故障點，查找到故障點后，在相應的設備模塊上點擊鼠標右鍵，選擇修復即可。采用三維建模技術對界面設備模塊進行繪制，每一個設備模塊采用控件封裝，方便模塊的自由組合、修改和升級。

2.模塊化實操設備數據傳輸技術

由于城市軌道交通AFC理實一體化教學系統系統對數據的保密程度需求不大，因此系統模塊采用DATA-6123無線透傳模塊進行數據傳輸，該模塊支持多中心、多端口通信，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，所有數據可透明地在兩設備之間雙向傳輸。無線透傳技術應用如圖3所示。

3.模塊化實操設備下位機技術

將城市軌道交通自動售檢票系統拆解為多個模塊，且連接成為完整的系統，進行模塊化教學。每個模塊化實操設備下位機由單片機系統組成，單片機將接收下來的編碼信息進行解碼，利用脈寬寬度調制式（PWM）開關型穩壓電源模塊調整供電電壓，從而達到故障無線遙控設置的目的。

4.智能實訓教學平臺故障樹模型

城市軌道交通AFC教學系統智能實訓教學平臺采用一體機，交互式教學軟件運用故障樹分析（fault tree analysis）方法，構建出系統的故障樹模型。具體方法是：分析系統的功能，拆分系統需要進行故障分析與處理的硬件結構，故障事件按層次分級，將導致上級事件發生的直接原因作為下級，用一定的邏輯關系聯系起來，形成有序邏輯圖，開發故障設置與分析處理的模塊化教學系統。

三、城市軌道交通AFC理實一體化教學系統設計

城市軌道交通AFC理實一體化采用互聯網思維，根據職業教育的理實一體化教育理念、教學特點，按照城市軌道交通AFC系統的五個層次，將城市軌道交通AFC系統應用無線透傳、云計算、大數據等先進技術手段，在滿足常規的理論教學功能需求的基礎上，針對性地解決理論實訓教學中的特殊功能需求，形成“互聯網+教學”的一體化創新教學模式。圍繞自動售檢票系統典型工作任務實現模塊化教學，包括結構認知、標準作業流程、故障診斷與處理等方面的訓練。

教學系統將AFC系統模塊的外殼拆卸，裝上采用有機玻璃制成的透明外罩，便于直觀、透徹地觀察設備的內部，使學員更好地掌握AFC系統自動售票機模塊的結構、動作過程和工作原理。

服務器和智能實訓教學平臺組成中心控制端，教師可以利用交互式教學軟件的教學課件進行理論教學，交互式教學軟件還可以進行故障設置，故障診斷和處理演示，把傳統教室解放為移動的開放教室，把教師從固定的講臺位置和從傳統的“粉筆+黑板”或者是“PPT+幕布”的形態中解放出來，充分實現教與學的互動。

模塊化實操設備的上位機通過網絡從中心控制端獲取課件和交互式教學軟件的故障診斷和處理演示，學生可以在課堂上進行學習，模塊化實操設備將接收到的故障設置信息通過無線透傳模塊傳輸給下位機，下位機控制和調節模塊的PWM電源設置故障，學生可以進行故障診斷和處理，加強動手實踐能力。模塊化實操設備還可以將故障設置信息通過網絡傳輸到中心控制端的服務器處理，在智能實訓教學平臺上進行顯示。

在互動教學中，學生利用配備的移動終端來和組員或教師互動、交流、學習，為學生提供更強的參與感，同時激發學生獨立思考的能力，實現學習的各個環節互通。

（一）模塊化設計

本文以自動售票機系統、自動檢票機系統兩個子系統為例進行城市軌道交通AFC理實一體化教學系統的模塊化處理，將這些模塊和組件進行拆解，采用電纜連接，連接成為完整的系統，電源模塊有多路路PWM開關型穩壓電源，為其他模塊供電，實現模塊間的聯動和系統功能，組成模塊化實操設備，通過調整電源模塊的各路電壓，可設置故障。

（二）自動售票機系統模塊

自動售票機將主控單元、單程票發售模塊、讀卡器、乘客顯示器、紙幣識別處理模塊、紙幣找零模塊、硬幣處理模塊、運行狀態顯示器、維修面板、電源模塊以及機械外殼等模塊和組件進行模塊化處理，同時模塊化實操設備內部還預留了網絡交換機的安裝空間。自動售票機系統模塊化實操設備設計如圖4所示。

（三）自動檢票機系統模塊

自動檢票機主要由主控單元、單程票回收模塊、讀卡器、乘客顯示器、扇門單元、乘客傳感器、方向指示器、警示燈、蜂鳴器、維修面板、電源模塊以及機械外殼等模塊和組件構成。將這些模塊和組件進行拆解，采用電纜連接，連接成為完整的系統，電源模塊有7路PWM開關型穩壓電源，為其他模塊供電，實現模塊間的聯動和系統功能，通過調整電源模塊的各路電壓，可設置故障。同時，機柜內部還預留了網絡交換機的安裝空間。

自動檢票機采用專門的讀卡區設計，不但符合右手持票通過的用戶需求，還能夠有效防止相鄰通道的乘客誤用左手一側的讀卡區。自動檢票機系統模塊化實操設備設計如圖5所示。

（四）課程交互式教學系統

城市軌道交通AFC理實一體化教學系統智能實訓教學平臺采用嵌入式課程軟件，組成課程交互式教學系統，安裝在中心控制端和模塊化實操設備的上位機，主要用于基本結構認知、標準作業流程等方面的教學，面向自動售檢票檢修工進行故障診斷與處理等方面的實訓。

課程管理包括六個交互式教學系統：自動檢票機扇門模塊交互式教學系統、自動檢票機票卡回收模塊交互式教學系統、自動檢票機總成交互式教學系統、自動售票機硬幣模塊交互式教學系統、自動售票機票卡發售模塊交互式教學系統、自動售票機總成交互式教學系統。每個交互式教學系統引入德國先進的職業教育教學理念，采用任務導向型教學模式，分別從理論教學、實訓教學、標準作業、考試管理、知識拓展等方面設置多個工作任務，以便學員能夠通過完成不同類型的任務，掌握各個實訓模塊的工作原理及故障分析處理。城市軌道交通AFC理實一體化課程交互式教學系統結構如圖6所示。

本文設計的城市軌道交通AFC理實一體化教學系統的結構體系和關鍵技術，從我國職業院校城市軌道交通AFC系統的教學存在問題出發，以提高教學質量和效率為目的，融入模塊化的教學理念，“互聯網+教學”的理實一體化創新教學模式，加強課堂互動，活躍課堂氣氛，讓知識易于理解，加強學生的技能訓練，提高教學效果，符合城市軌道交通AFC的教學標準和教學要求，設備還具有擴展性能，適用自動查詢機、半自動人工售票系統、票房、手持式驗票機、票卡、驗鈔機、硬幣清點機、乘客導向系統、車站計算機系統等設備，使城市軌道交通AFC理實一體化教學系統能夠推廣應用。

【參考文獻】

[1]鄧先平，陳鳳敏.我國城市軌道交通AFC系統的現狀及發展[J].都市快軌交通，2005（3）

[2]潘穎芳.城市軌道交通地鐵自動售檢票（AFC）系統[J].江蘇科技信息，2010（6）

[3]邱華瑞，張寧，徐文，何鐵軍.城軌交通自動售檢票系統架構體系研究[J].都市快軌交通，2014（2）

[4]于洪濤，吳迪，朱齊山，朱玉廣.一種基于無線透傳傳感網絡的分布式環境監測系統的設計[J].現代電子技術，2015（18）

[5]尹君，吳德志，趙佩珩.基于故障樹的泵車在線診斷系統構建和應用[J].建設機械技術與管理，2017（10）

[6]張建國.論職業教育“理實一體化”教學的內涵及其特征[J].中國職業技術教育，2018（14）

（責編 盧 雯）