鐵路信號基礎設備虛擬仿真實驗設計與應用

王文潤， 黨建武，2， 王陽萍，2， 岳 彪， 雍 玖

（1.蘭州交通大學軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學中心，蘭州 730070；2.甘肅省人工智能與圖形圖像處理工程研究中心，蘭州 730070）

0 引 言

在新工科建設背景下，隨著信息技術和高等教育的深度融合，虛擬仿真技術在高校實驗教學、科學研究等方面發揮的作用越來越重要［1-3］。近年來，隨著高校對學生工程實踐能力和科技創新能力的要求不斷提高，虛擬仿真在實踐教學中的應用日益增多。目前，國內外已有很多高校建設有桌面式、沉浸式等多種類型的虛擬仿真實驗，并根據實驗的特點和要求，建設了對應的虛擬實驗室和虛擬仿真實驗教學網絡共享平臺，為學生開展實驗教學提供環境和條件［4-6］。

鐵路信號基礎設備（信號機、轉轍機及軌道電路等）是構成鐵路信號系統的基礎，其質量和可靠性直接影響列車的安全運行，在鐵路信號現代化的進程中，它們也在不斷更新和改造［7-9］。熟悉和掌握各種類型鐵路信號基礎設備的結構組成和工作原理是軌道交通相關專業學生必須具備的重要知識。而學校現有的實體信號設備存在種類不全、設備數量極少的問題，在有限的教學計劃內難以保證每位學生都能熟練掌握實驗內容。因此，以信號機、轉轍機、軌道電路等實際設備為原型，設計開發了對應的虛擬仿真實驗教學資源，學生在線通過信號機、轉轍機及軌道電路等設備三維虛擬仿真課件，對信號基礎設備的結構組成、動作原理進行反復練習，達到熟練掌握設備結構組成、故障維護的能力水平。

1 虛擬仿真實驗建設的必要性

鐵道信號基礎設備是保證鐵路平穩運行的重要組成部分。近年來，我國鐵路運輸向高速度、高密度、重載量快速發展，鐵道基礎設備出現故障的概率增多，并逐漸出現故障的多元化與頻發性。而相關專業學生在工程實踐能力和創新能力培養過程中存在諸多問題：①學生到實際的鐵路現場實習存在風險大、時間緊、任務重等；②由于鐵路信號基礎設備種類較多，體型龐大，學校在實驗設備購置、實驗場地安排等也存在問題；③由于信號基礎設備數量有限、結構復雜、及實驗教學時間限制，難以保證每位學生都能上手操作。

為此設計開發了滿足學生實踐教學要求的信號基礎設備虛擬仿真實驗，學生通過共享平臺在線完成相關的實驗教學任務，即不受時間和空間限制，可有效解決實驗條件與實驗效果之間的矛盾，對于提升學生的工程實踐能力和創新能力具有重要意義［10-13］。

2 虛擬仿真實驗設計思路

2.1 設計框架

鐵路信號基礎設備虛擬仿真實驗資源的設計過程主要包括需求分析、模型設計、功能設計及資源展示4個環節［14-16］。需求分析主要是確定設備型號、功能需求、軟硬件平臺；模型設計階段完成設備、鐵路線路及環境三維模型制作；功能設計主要是完成虛擬仿真資源系統功能設計；資源展示階段將完成的虛擬實驗資源部署在相應的實驗平臺，為師生實驗教學做好應用準備。虛擬仿真實驗資源設計框架如圖1所示。

2.2 實驗創新

設計開發的虛擬仿真實驗教學資源從實驗內容、實驗手段到實驗方法都有所創新：

（1）實驗內容創新。不再局限于書本中要求掌握的信號基礎設備構成和工作原理，增加了設備日常巡檢、集中檢修和常見故障處理等工程實踐能力的培養。

（2）實驗手段創新。由傳統的桌面式虛擬仿真實驗教學向沉浸式虛擬仿真實驗教學方式轉變，學生不僅可以通過電腦終端去實現信號設備的拆解、組裝，而且部分實驗資源學生可戴上虛擬現實頭盔，身臨其境地對鐵路信號設備進行拆裝，交互性更強。

（3）實驗方法創新。由被動轉變為以學生自主學習為主，學生運用學號登錄虛擬仿真實驗云平臺，自主完成老師下發的虛擬仿真實驗項目，并上傳實驗報告，系統會根據老師提前設置的實驗時間自動給出實驗成績，極大地減輕了教師的實驗教學工作量。

2.3 實驗模塊

實驗主要采用引導式和自主式兩種教學方法，每種類型的信號基礎設備虛擬仿真課件均開發了學習和練習2個模塊。

（1）學習模塊。學習模塊主要采用引導式教學方法，側重訓練學生對信號機、轉轍機及軌道電路等各種類型信號基礎設備結構組成、動作原理及電路原理等理論知識的掌握，實驗界面設置了語音講解和文字提示功能，學生在忘記理論知識的情況下，不用翻閱書籍、資料，能夠輔助學生更快速有效地掌握實驗內容。

（2）練習模塊。練習模塊主要采用自主式教學方法，該模塊要求學生在熟練掌握實驗課程要求的實驗內容情況下，運用虛擬仿真課件進行自測，沒有語音講解和文字提示功能，主要測驗學生對實驗內容的掌握情況，起到查漏補缺的作用，加深學生對信號基礎設備結構組成、動作原理及常見故障處理等知識的掌握。

3 虛擬仿真實驗實施過程

3.1 實驗環境

中心建設了信號機、轉轍機及軌道電路等當前鐵路應用較為廣泛的信號基礎設備虛擬仿真課件資源共11個，于2018年部署在學校軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實驗教學平臺，學生通過瀏覽器訪問共享平臺，運用平臺虛擬仿真實驗資源完成要求的實驗內容。虛擬仿真實驗平臺及實驗內容見圖2。

3.2 實驗內容

系統中包含多個虛擬仿真實驗項目，每個實驗項目的操作方法和操作步驟類似，具體教學內容如下：

（1）信號機虛擬仿真實驗。通過三維虛擬仿真實驗資源掌握透鏡式和LED色燈信號機機構，各種信號機燈光配列信號日常養護、集中檢修及常見故障處理。

（2）轉轍機虛擬仿真實驗。通過三維虛擬仿真實驗資源掌握ZD6系列電動轉轍機、S700k型電動轉轍機、ZYJ7電液轉轍機、ZD（J）9電動轉轍機、ZK4電空轉轍機、鉤式尖軌用道岔外鎖閉裝置的結構、動作原理及常見故障處理。

（3）軌道電路虛擬仿真實驗。通過三維虛擬仿真實驗資源掌握25Hz相敏軌道電路、ZPW-2000系列移頻軌道電路結構組成動作原理及常見故障處理。

（4）電源系統設備虛擬仿真實驗。熟悉鐵路智能電源屏的模塊組成；掌握監測系統的使用方法；掌握正常狀態操作步驟；進行常見故障設置，掌握故障狀態操作步驟。

3.3 實驗步驟

現以最具代表性的ZD（J）9型電動轉轍機虛擬仿真實驗為例，介紹其中主要的虛擬仿真實驗操作。

3.3.1 學習模塊實驗

（1）轉轍機結構拆裝仿真實驗。學生通過進入結構組成實驗模塊，進入轉轍機主窗體，可點擊不同部位，拆分底殼、蓋、電動機、減速器、摩擦連接器、滾珠絲杠、動作桿、左右鎖閉桿、接點組、安全開關組、擠脫器、接線端子等，通過切換視角觀察各部件組成（見圖3）。

（2）轉轍機內部動作原理及仿真實驗。來自道岔控制電路的電流，經由接點座第1排接點接至電動機，使電動機按逆時針方向旋轉。電動機通過齒輪帶動減速器旋轉。摩擦聯接器通過滾珠絲杠上的絲母帶動推板套做直線運動。在鎖閉鐵的作用下，完成機械解鎖、轉換、鎖閉等動作。學生通過視角的切換觀察動作過程（見圖4）。

（3）轉轍機外部動作原理及仿真實驗。尖軌VCC鎖閉檢查器的動作原理；芯軌VPM鎖閉檢查器的動作原理；尖軌鉤型外鎖閉的動作原理；芯軌鉤型外鎖閉的動作原理（見圖5）。

（4）轉轍機電路原理仿真實驗。三相交流道岔啟動電路；三相交流道岔表示電路（見圖6）。

3.3.2 練習模塊實驗

（5）檢查VCC鎖閉裝置和鎖閉量調整仿真實驗。轉轍機拉入一側的鎖閉量小；轉轍機拉入一側的鎖閉量大；轉轍機伸出一側的鎖閉量小；轉轍機伸出一側的鎖閉量大（見圖7）。

（6）檢查VPM鎖閉裝置和鎖閉量調整仿真實驗。轉轍機拉入一側的鎖閉量小；轉轍機拉入一側的鎖閉量大；轉轍機伸出一側的鎖閉量小；轉轍機伸出一側的鎖閉量大（見圖8）。

（7）鉤式外鎖閉鎖閉量調整仿真實驗。轉轍機所在的方向一側尖軌鎖閉量小；轉轍機所在的方向一側尖軌鎖閉量大；未安裝轉轍機一側尖軌鎖閉量小；未安裝轉轍機一側尖軌鎖閉量大（見圖9）。

（8）聯動表示桿尖軌缺口調整仿真實驗。尖軌主板缺口小；尖軌主板缺口大；尖軌副板缺口小；尖軌副板缺口大（見圖10）。

（9）聯動表示桿芯軌缺口調整仿真實驗。芯軌主板缺口小；芯軌主板缺口大；芯軌副板缺口小；芯軌副板缺口大（見圖11）。

（10）分動表示桿調整仿真實驗。表示桿伸出位置缺口大；表示桿伸出位置缺口小；表示桿拉入位置缺口大；表示桿拉入位置缺口小（見圖12）。

（11）鎖閉檢查器的調整仿真實驗。鎖閉檢查器擋塊擋不住轉動指；用6 mm U形量規在鎖閉檢查器六角螺母與構架之間無法插入；用7 mm U形量規在鎖閉檢查器六角螺母與構架之間可以插入；更換鎖閉檢查器（見圖13）。

3.3.3 沉浸式虛擬仿真實驗

部分信號基礎設備設計開發了沉浸式虛擬仿真實驗資源，學生可戴上虛擬現實頭盔，或者運用沉浸式交互大屏等方式身臨其境地對鐵路信號設備進行拆裝，交互性更強（見圖14）。

3.4 實驗結果

教師根據課程需要，運用自己賬號登錄實驗平臺建立課程，并添加本門課程所需的虛擬仿真資源并下發給學生。教師在下發實驗時，對每個實驗資源都要進行實驗合格次數、實驗操作時長是否需要提交實驗報告等內容進行設定，學生提交實驗后，系統會根據實驗時長、實驗報告等信息，綜合給出一個實驗成績。學生提交的實驗結果如圖15所示。

4 虛擬仿真實驗效果評價

中心建設的虛擬仿真實驗資源已應用于“信號基礎設備”“鐵道信號遠程控制”“區間信號及列車運行控制”等多門課程的實驗教學，及相關專業認識實習、生產實習等實踐教學環節，學生上線率和實驗完成率達到100%，有效解決了實驗時間、空間及資源缺乏等受限問題，取得了良好的教學效果。為了評估實驗的應用效果，對我校2017級軌道交通信號與控制專業280名學生開展了問卷調查。問卷調查結果見圖16。

5 結 語

虛擬仿真實驗教學具有實驗條件便利、安全性高和實驗成本低的優勢，在高校實驗教學中具有越來越重要的地位。根據理論課程中實驗環節的教學要求，緊密結合軌道交通專業特色和行業發展最新成果，探索通過虛擬仿真實驗方式開展鐵路信號基礎設備在真實實驗條件不具備或實際運行困難時的實驗教學活動。通過構建形式多樣、內容豐富的虛擬仿真實驗教學資源，為學生提供了靈活自由的在線實驗學習環境，借助完善的網絡管理平臺，實現教學、實驗、考核、評價的閉環管理，為培養學生工程實踐能力及創新能力提供有力支撐。