軌道交通虛擬仿真實驗教學資源共建共享實踐

朱 軍，華 晶，皮大能，于 俊，江 波

(1.湖北師范大學 電氣工程與自動化學院，湖北 黃石 435002；2.大冶市第六中學，湖北 黃石 435102)

0 引言

隨著我國城市化進程逐漸加快，道路交通擁堵問題日益凸顯，發展大運量快速軌道交通系統來解決道路交通問題已成業內人士的共識。目前，我國的軌道交通建設正面臨史無前例的高潮。北京、上海、廣州等大中城市每年都以40～50千米里程、百億元以上的投資速度推進，相當多城市已獲批正在進行地鐵、輕軌等軌道交通的建設[1～3]。這就需要作為人才輸出大戶的高校來培養更多合格的專業人才，其運營調度水平、后勤保障能力、突發事故處理能力等，能夠滿足當前軌道交通對安全性、準點率、大運量、高密度等指標的嚴苛要求。虛擬化實驗教學改革的意義在于能夠利用有限的硬件資源，使學生的觸角能夠被無限放大，在有限實物空間與無限資源之間搭建橋梁，在理論與多樣化、復雜化實踐之間搭建橋梁。由于地方高校資源有限，將鐵路線、車輛、軌旁設備等實物納入到實驗室規劃中代價非常高昂，而且有些故障類實驗不能在奔馳的列車或上電的軌道上進行，這會將學生、乘客、車輛置于危險當中。再有就是當現場教學受到制約，如新冠疫情爆發等突發事件沖擊仍需停課不停學時，虛擬仿真實驗平臺就能起到關鍵作用，而老牌鐵路院校也肩負引領帶頭使命，把這一專業做大做強，這些因素都增加了地方高校與老牌強校之間虛擬仿真實驗教學資源共建共享合作的可能性與可拓性[4～8]。

1 課題來源

2016年，在“軌道交通信號與控制”專業教學指導委員會工作組會議的基礎上，由北京交通大學軌道交通控制研究所教學團隊牽頭、北京工業大學城市交通學院交運運輸工程系、北京聯合大學自動化學院交通工程系共同發起成立全國軌道交通信號與控制專業虛擬教研室。以課程建設、實驗資源、教材共建和師生競賽為主要活動內容的、全國范圍內組織的廣義教學研究室，主要通過開放課題、線上會議、線下互訪、微信平臺等形式開展工作。虛擬教研室的建設目標是對接國家“一帶一路”和中國高鐵走出去的戰略需求，在響應國家自主創新的號召下，援助不同類型高校軌道交通信號與控制專業的建設，促進全國本專業人才培養的健康發展，助力教育部一流本科專業“雙萬計劃”的建設[9～11]。在2017年全國軌道交通教指委會議上，包括湖北師范大學在內的全國30所高校達成了實驗教學資源共享合作意向協議，開始開展虛擬仿真實驗教學資源的共建共享嘗試。會上還就卓越工程師系列教材分享、MOOC課程建設與使用、設立開放課題等做了探討。

隨著前述工作的展開，陸續立項建設了19項實驗教學開放課題，包括湖北師范大學“軌道交通信號與控制專業實驗教學虛擬化資源共建共享研究”課題。依托該課題，開展了軌道交通專業虛擬仿真資源共建共享的探討，并以此為契機推進虛擬教研室成員單位間的共建互訪，加強專業課程建設、實驗技術人才培養、實驗教學成績互認以及學分互轉機制等方面的合作。

2 實踐方案

軌道交通虛擬仿真實驗資源共建共享方案如圖1所示。共包括四個方面的內容，第一部分是國家虛擬仿真實驗項目系列，包含列車運營系統虛擬仿真實驗、列車運行控制虛擬仿真實驗、城軌CBTC虛擬仿真系列實驗三個子類；第二部分是系列實驗課程、教材共建共享，包含中國大學MOOC《鐵道信號綜合實驗》《電腦鼠原理與實踐》等課程，以及高教鐵道部系列規劃教材、卓越工程師系列教材等；第三部分是軌道交通核心課程開放實驗，主要包括車站信號自動控制在線實驗、重載列車無線重聯VR實驗、行車調度指揮綜合在線實驗；第四部分是舉辦的系列師生活動、競賽，包括組建全國軌道交通產教聯盟、虛擬教研室成員高校師生之間的互動互訪、央地高校之間的雙培計劃、AI電腦鼠走迷宮競賽等。

圖1 軌道交通虛擬仿真實驗資源共建共享方案

3 課題開展

3.1 國家虛擬仿真實驗項目

該項目按照新工科工程教育新理念的要求，采用以學生為中心，以產出為導向的培養模式，將行業最前沿的科研成果轉化為實驗教學內容。將虛實結合、線上線下共享服務理念，通過半實物系統仿真、虛擬系統仿真等形式進行實景展示，設計系列模塊化、層次化、難度適宜的原創性實驗模塊。相關實驗項目可以仿真現有設備無法安全實驗或再現的場景，通過設備認知、原理學習、數據交互、故障排除等環節，學生可進行自主實踐，對實驗方案進行設計開發或最優選擇，并根據對前沿科研成果的探索與追蹤，使用現代信息工具對實驗結果進行評估與驗證，從而勝任多任務、多成員間多角色的切換與任務協同，培養學生解決具體復雜工程問題的能力。項目線上網址為http://rtccvsec.bjtu.edu.cn/learn，包括以下三個欄目的實驗均能在該網址找到對應內容，如圖2中的登陸界面。

3.1.1 列車運營系統虛擬仿真實驗 如圖3，漫游實驗可以角色扮演方式在鐵路線上巡查，鐵路旁設有鐵路知識培訓員和鐵路知識考核員，通過他們可以到達更多的實驗場景。在基本課件里共有課件22套，采用計算機三維建模技術，以動畫、圖片、聲音、文字等多媒體形式直觀生動地展示了鐵路線路、客貨運車輛、行車控制信號、接發車操作、設備檢修等資料及技術。成品課件里包括CRH1動車組檢修及仿真、電力機車劈相電機、超限超重貨物運輸、高速橋隧及道口、接觸弓網、LKJ車速控制等多媒體培訓課件86套，內容豐富、全面、專業性強，是師生不可多得的第一手關于軌道交通現場作業規范、標準及技術資料。

圖2 實驗漫游任務登陸界面

3.1.2 列車運行控制虛擬仿真實驗 該實驗平臺提供開放的仿真環境，可通過模塊化的設備組成及軟件結構向學生提供軌道交通列車運行控制系統的開發環境，實現學生獨立開發系統功能模塊，并在環境中進行驗證。仿真環境一主要包括允許速度記錄顯示模塊、控車信息處理模塊、地面信息控制模塊、列車模擬駕駛模塊、人機交互模塊等，可完成應答器報文組幀、CTCS-2 級列控系統行車許可使用等仿真實驗如圖4所示。

圖4 CTCS-2級列控系統行車許可使用實驗

仿真環境二主要包括應用服務器、Web后臺管理兩部分構成，學生可以在任意安裝“UnityWebPlayerFull”插件及“Flashplayer for Firefox”插件的計算機上進行Web訪問實驗。如圖5所示，實驗利用虛擬仿真方式，提供CTCS-3級列控系統關鍵信號設備及儀器儀表的結構組成、工作原理、設備操作、常見故障處理等內容，并以三維可視化仿真的方式展現出來，系統主要包括并支持無線閉塞中心(RBC)、列控中心(TCC)、臨時限速服務器(TSRS)、EI32-JD型計算機聯鎖、ZPW-2000A軌道電路、S700K型道岔6類信號設備及9個鐵路專用儀器儀表原理、操作及故障排除等仿真實驗內容。

仿真環境三將列車三維視景、列車駕駛臺等內容以虛擬仿真的方式展現出，為實驗者提供軌道交通列車運行控制系統關鍵子系統的運營操作、模擬駕駛等實驗內容，仿真列車對象包括高鐵CRH380列車與城鐵DKZ33列車。在互控教學模式情景下，CTCS-3級列車運行控制系統目視行車模式如圖6所示，能模擬司機啟停列車的操作過程，駕車途中視野廣闊、風景壯觀，并有動感穿越的音樂相隨。

3.1.3 城軌CBTC虛擬仿真系列實驗 城軌CBTC虛擬仿真系列實驗通過基于瀏覽器訪問的WebATS完成結構及功能認知實操、聯鎖通信分析驗證、移動授權算法分析、軌旁車載設備故障應對等實驗內容。軟件界面、操作方法及故障應急處理流程與現場基本一致，可以對關鍵設備進行設置，實現無縫替換與通信控制，圖7為城軌CBTC軌旁設備故障應對實驗場景。

圖6 CTCS-3級列控目視行車模式

3.2 系列實驗課程、教材

3.2.1 中國大學MOOC《鐵道信號綜合實驗》 如圖8所示，該課程依托北京交通大學國家級軌道交通通信與控制虛擬仿真實驗教學中心，構建了虛擬仿真類、設備類、系統類三類線上虛擬仿真實驗資源。該項目來自于北京交通大學自主研發的國際最前沿科研成果，屬于國內第一套具有完全自主知識產權的基于通信的列車控制系統，按照虛實結合的仿真方式設計了列車通信控制、列車模擬駕駛、列車自動防護三個模塊化的多維共享開放實驗場景，各場景可以仿真現有系統無法安全實驗或再現的實驗。設備類綜合實驗包括軌旁與車站設備類實驗，軌旁設備包括應答器點式地-車通信系統與機車信號連續式地-車通信系統，車站設備包括分散自律調度集中系統、計算機聯鎖系統和信號集中監測系統；系統類綜合實驗以高速鐵路CTCS-3級列控系統、城市鐵路CBTC列控系統為原型，利用半實物虛擬仿真技術在實驗中心有限環境空間下再現系統級列控系統，實現在同一時刻同一區域對系統級列控系統進行學習與操作。課程教材已經出版并發放給虛擬教研室成員學校，2020年03月01日至06月30日慕課開課時段處于新冠疫情爆發時期，解決了實驗課程無法現場上課的問題，在深度和廣度上有些內容還有延申。課程網址為https://www.icourse163.org/course/NJTU-1207235805.

3.2.2 中國大學MOOC《電腦鼠原理與實踐》 該課程作為理工科等所有專業的選修課，重在學以致用，使學生熟練掌握應用機電、傳感、編程、人工智能等技術的電腦鼠傳感原理與驅動原理，能夠在現有的硬件平臺上不斷優化設計電腦鼠底層與頂層算法，并熟練使用嵌入式開發軟件對程序進行調試。重點掌握測距傳感器與電機驅動工作原理與控制方法。通過課程學習可以加深學生對微機原理與接口、檢測技術、運動控制技術、電子技術、人工智能等技術的綜合運用，進一步加強學生所學理論知識與實踐的結合；同時學生通過對電腦鼠原理的學習與實踐動手調試，增強學生實踐動手能力。該課程的一個重要特色是學生可以在沒有電腦鼠硬件及迷宮的情況下，完成學習和仿真任務，在網上實現電腦鼠走迷宮的測試與比賽，目前已推薦給湖北師大軌道交通專業1804班同學們自由選課，課程網址為https://www.icourse163.org/course/NJTU-1461159169.

3.2.3 高教鐵道部規劃教材、國家卓越——工程師系列教材 到目前為止，已由全國軌道交通虛擬教研室成員單位共同編寫建設普通高等教育鐵道部規劃教材7本，如《列車運行控制系統》由北交大唐濤教授主編、《鐵路信號基礎》由西南交大郭進教授主編等。共同編著卓越工程師系列專業教材4本，如《軌道交通信號與控制綜合實驗》由北交大戴勝華等教授編著等。共同編著城市軌道系列專業教材6本，如《城市軌道交通信號基礎設備》由蘭州交大林俊亭副教授、《城市軌道交通信號綜合實驗》由同濟大學歐東秀等教授編著等。其中《鐵路信號基礎》《車站信號自動控制》等已作為教材選用授課多年，教學效果良好。

3.3 系列課程開放實驗

3.3.1 車站信號自動控制在線實驗 該在線實驗通過虛擬現實技術、計算機多媒體技術開發了包括計算機聯鎖全部邏輯功能在內的虛擬仿真系統，能夠提供列車接車、發車及通過作業、站內調車作業與折返作業等功能，同時設計聯鎖操作、模擬行車、故障處理等實驗項目。實驗車站設3條正線、2條到發線，銜接4個方向，張莊、趙村方向為單線半自動閉塞，趙村方向進站為超過6‰的下坡道，北京、廣州方向均為雙線雙向四顯示自動閉塞。系列課程開放實驗線上網址為http://rtccvsec.bjtu.edu.cn/learn，進入課程需要采用指定的瀏覽器、插件及實時遠程許可。

3.3.2 重載列車無線重聯VR實驗 重載運輸鐵路是當前世界貨運鐵路的發展方向，重載組合列車的無線重聯同步控制是一項非常關鍵的技術。為解決機車遠程分布動力牽引控制問題，突破國內機車無線重聯同步控制技術發展瓶頸，開發了無線重聯控制系統。由于此項技術的先進性以及復雜性，常規的實驗手段無法滿足實際需要，通過針對重載列車無線重聯技術的虛擬仿真系統，完全可以滿足復雜設備結構原理展示以及操作流程模擬的需求，如圖9所示。

圖8 中國大學MOOC《鐵道信號綜合實驗》

3.3.3 行車調度指揮綜合在線實驗 行車調度指揮在線實驗利用網絡服務的方式，提供行車調度指揮自動化系統的仿真環境。利用該虛擬仿真系統，能夠提供調度中心信號流仿真、車站值班模擬和系統故障模擬等功能，設計列車接發車仿真實驗、進路辦理實驗等實驗項目。

3.4 舉辦的系列師生活動、競賽

3.4.1 全國軌道交通產教聯盟建設 該聯盟是由全國性教育與科研部門及鐵路行業高校、職業技術學院、各地方路局集團公司、實訓基地和各類軌道交通企業等單位自愿參加的全國性行業組織，在中國通信工業協會的組織下開展工作的。受中國通信工業協會的領導和監督管理。聯盟宗旨是為高校及職業技術院校和企業提供合作對接服務，為政府和社會提供人才培養服務，推動我國軌道交通技術應用專業健康發展。主要發起者為北京智聯友道科技有限公司、北京交通大學、北京通號公司等單位。

3.4.2 師生互動互訪、雙培計劃 2014至2015年期間，依托“軌道交通信號與控制專業”教學指導組工作會議，在北京、山東等地舉辦了多期軌道交通師資培訓班。2016年，由北京交通大學、北京工業大學、北京聯合大學發起成立虛擬教研室，加上北京交大“雙培計劃”的支持，各高校之間逐步開展課程建設、創新競賽、校際互訪。“雙培計劃”是一項由在京中央高校與各高校共同培養人才的舉措，參與該計劃的學生，可到中央高校學習2到3年，2015年已在京投放約2000個名額，惠及16個區縣的學生。

3.4.3 AI電腦鼠走迷宮競賽 國內從2009年開始舉辦該賽事，至今共成功舉辦了3屆，國際電工和電子工程學會(IEEE)每年都要舉辦一次國際性的電腦鼠走迷宮競賽。2012年全國有北京、上海、南京等12個賽區的300余所高校近500支參賽隊伍，總決賽在北交大舉行。2020年北交大舉辦了線上競賽并進行了bilibili直播如圖10所示，圖中深色標志物為電腦鼠。同學們參與踴躍，反響熱烈。

圖10 電腦鼠走迷宮線上競賽

4 課題建設成效

從2017年協議簽訂三年多以來，該課題較大程度地緩解了前期教學單位面臨的實驗資源短缺、線下課程無法開展的難題，同時也產出了一些可喜的成效。經初步統計，軌道專業的基礎課程《鐵路信號基礎實驗》以往由于設備經常故障導致實驗開出率只有不到50%，當前通過引入線上VR實驗開出率可達90%以上。2020年上學期開展線上授課期間，對于教師即時提出的線上問題，學生10秒內搶答率達到72%，圖11為線上課堂教學時學生搶答表現的統計記錄。從搶答題數、搶答耗時統計出了課堂表現最積極的前十學生名單，從而將其作為平時表現成績的一部分。學期末統計，線上章節任務點平均完成進度85.7%，作業平均完成率77%，全班40人學期末課程綜合成績在90分以上者5人，70～89分34人，60～69分1人，取得了較為理想的效果。

5 結語

采用虛擬仿真手段進行實驗教學作為高校實踐類教學改革和發展的一個重要方向，具有很多傳統教學方式無法比擬的優點：一是通過取代昂貴的實驗設備，優化了高校教學資源配置；二是通過共建各方不同資源的互聯共享，拓寬了教學資源廣度；三是能模擬危險度高的實驗，如列車超速實驗、重載實驗等；四是在準備得當的情況下，實驗可以不受場地、時間等條件限制，方案靈活。當前課題還有待解決完善的問題是：1)由于發展時間較短，實驗項目是跨平臺、跨區域進行，各實驗平臺對于學生的學習成果、積分等統計手段尚不完善，量化指標等需細化；2)目前學習效果只能通過進度顯示、搶答、作業、期末實驗報告等方式來評判，各單位間難以形成一套共同的考核制度；3)共建成員所在高校對跨平臺、跨主體的虛擬實驗教學資源的共建共享重視力度還需加強，對責任教師投入的工作量管理考核、績效評價制度等還需完善。