车站信号控制虚拟仿真实验平台建设与探索

王延峰，焦玉召，江 泳

（郑州轻工业大学电气信息工程学院 河南 郑州 450000）

根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020 年）》和《2017 年教育信息化工作要点》等相关要求，为深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合[1-2]，郑州轻工业大学（以下简称“我校”）特开设轨道交通信号与控制专业，以培养更多的轨道信号专业人才，为我国铁路事业发展提供更多后备力量。高质量轨道交通信号控制专业人才的培养离不开实验设备和现场资源[3]，而轨道专业所需实验设备多为结构复杂且价格昂贵的电子联锁系统、道岔系统、信号机系统和通信系统等，且前往铁路现场进行实践操作的风险较高，在实验室条件下又易受设备台套数少、实验准备时间长、实验费用高、运行安全无法保障等不利因素的制约，因此传统校内实验室很难满足实践教学的需求[4-10]。

我校开设的轨道交通信号与控制专业，以培养轨道交通工程技术型和应用型专业人才为核心目标。项目组经过反复调研、讨论，结合轨道交通信息与控制类专业人才培养需求和车站信号控制系统实验教学平台的建设需求，于2019 年启动车站信号控制虚拟仿真实验平台建设工作，并获得校级虚拟仿真平台项目支持。该平台采用校企合作共建方式，以计算机技术、多媒体技术和虚拟仿真技术为技术手段，来模拟车站信号自动控制各环节场景，使学生能够“一对一”地开展车站信号自动控制课程的相关实验和实践活动，自主完成学习，实现理论与实践的一体化教学，达到本专业教学大纲制定的教学目标。

2 建设理念和思路

车站信号控制虚拟仿真实验平台是进行虚拟实验教学、实验过程跟踪评价和评测考核的实验平台，平台的建设主要服务于轨道交通信号与控制专业的实验环节，因此，该平台必须满足实验教学要求，符合实验教学规律，达到实验教学产出目标。在实验培训过程中引入虚拟仿真技术，能够培养学生的自主学习能力，创建实践教学新模式，实现理论与实践相结合的一体化教学，达到教学大纲要求的教学目标和考核要求。

虚拟仿真实验平台建设充分体现虚实结合、相互补充的理念，具体体现在三个方面：①针对车站信号联锁控制真实设备实验成本高、消耗大、不安全等限制，在实验室不具备或难以完成相关实验教学时，虚拟仿真实验平台能够可靠、安全和经济地完成基本实验内容。②为了满足自主设计虚拟仿真实验的需求，系统可扩展到课程体系内相关的综合性、开放性和工程性实验，支持有能力的学生参与平台建设，并能以此为背景设置相关课程设计和毕业设计课题。③开展教学项目、仿真平台和教师队伍建设，完善虚拟仿真实验开放共享机制。

为了提高实验教学的真实性和直观性，虚拟仿真平台可以模拟各种实际情况，如列车进路控制、信号设备故障处理等。学生可以在虚拟环境中进行操作，观察信号控制系统的反应和效果，更好地理解车站信号自动控制的实际应用。基于该平台，学生能够自主完成实验并生成实验日志。平台内容应参照国家铁路信号行业标准规范进行设置，在培养职业技术能力的同时，融入安全操作元素，培养学生的团队合作能力，树立“安全第一”“故障-安全”的责任意识。

3 虚拟仿真平台架构及功能模块

3.1 虚拟仿真平台构架及主要工作流程

车站信号虚拟仿真实验平台主要包含客户端前端网页端设计、后端实现业务逻辑的程序编写以及后台数据库的创建三个方面的内容。平台系统架构及功能模块如图1所示。

图1 虚拟仿真实验平台架构及功能模块示意图

主要工作流程如下：①用户通过客户端前端网页选择要实现的目标；②前端将用户的请求发送给服务器进行识别；③通过后端程序找到对应的业务逻辑处理方式，实现对应的操作；④将请求发送给对应的数据库，找到相对应的数据或者操作指令，并反馈给后端服务器；⑤将运行结果反馈给前端用户，实现用户对相关操作的需求。

3.2 虚拟仿真平台功能模块

虚拟仿真平台界面设计遵循简洁明了、易于使用、符合用户操作习惯和实验需求的原则，根据车站信号控制系统技术规则定制而成。人机交互界面除了提供必要的功能模块外还要有良好的交互性，包括提示信息、错误提示、进度条等，使用户能够更好地理解和操作虚拟实验平台。该平台主要包含以下功能模块：

3.2.1 系统登录区

学生或教师在首次使用该平台时，需要先注册账号，然后根据个人账号和密码进行系统登录，系统会验证用户信息，如果验证通过，就可以进入虚拟仿真实验网站。

3.2.2 角色选择区

根据用户需求和实验的要求，选择不同角色进入实验，平台设置教师、学生和管理员三类角色。

3.2.3 功能模块区

这个区域会提供不同的功能模块，包括实验操作、实验管理和交流互动。不同角色具备不同的功能权限：教师具有实验项目日志查看、操作查询、成绩查询、指导学生和后台故障处理等权限；学生具有实验项目选择、图纸选择、故障处理、实验操作和提交文档等权限；管理员具备系统维护、账号管理、故障处理、日志查看和报告生成等权限。用户通过这些功能模块完成不同的实验操作和管理任务。

系统具备学习、考核和指导三种基本模式，学生根据自身学习需求选择学习模式或考核模式，教师也能够现场模拟操作某一项目的操作，指导学生学习和操作。在进行实验项目的过程中，当学生出现操作错误时，系统会弹出告警窗口。学生完成实验在线提交后，可以查看自己在实验过程中的表现。每部分任务完成后，学生都要整理实验分析设计报告。教师在系统中对学生学习情况进行追踪，查看每个学生的实验日志，对学生的预习、操作、实验结果及报告、考试情况进行评分。

4 虚拟仿真平台实验内容建设及过程评价

为了使学生由浅入深地了解车站信号自动控制的工作原理和实验流程，实验任务主要包含：计算机联锁系统基本设备认知、轨道信号仿真、车站进路建立模拟、车站进路解锁模拟、车站进路虚拟行车、车站进站虚拟故障及处理6 项基本实验任务，可满足课程教学大纲的实验要求。

4.1 实验准备阶段的内容设置

实验准备阶段，教师在虚拟仿真实验平台的课程资源栏目中提供数字化资料，包括课件、实验指导书和电子书等，并把经典实验案例录制成视频上传到虚拟仿真实验平台，包括CTCS3 列车启动注销自动进站实验、车站进路建立与解锁模拟实验、车站联锁图表绘制实验等的视频。学生课前观看视频的个数和时长作为实验预习的一部分，并根据预先设置的预习成绩按比例计入总成绩。学生掌握实验各环节的相关理论知识后，进入后续仿真实验环节。

4.2 实验操作内容建设

车站信号自动控制用以实现站内行车指挥，是轨道交通信号与控制专业的核心课程之一。车站信号自动控制的主要功能是实现联锁。为了保证行车安全，车站内信号、道岔、车列运行路径（进路）之间必须遵循一定的条件，按照一定的程序来严格执行，这些条件和程序称为联锁。根据课程目标和毕业达成度要求，计算机联锁实验操作阶段，系统模式选择项目驱动式实践过程，网站会随机从系统数据库中选择车站信号平面布置图，根据项目进程和难易度分段实施。学生可依次完成车站进路建立、车站进路解锁、车站进路虚拟行车和车站进路虚拟故障及处理四项任务，实现掌握典型的车站计算机联锁系统组成及其运行原理，熟悉常见的计算机联锁系统日常工作状态、相关行业规范条例及设备常见故障，具备基本的计算机联锁系统维护能力的课程目标。

专业教学一线的教师最了解实验内容和实验目的，制订了具体的实验设计和要求，而操作实验的学生是虚拟仿真实验平台的最终使用对象，能够验证实验项目的实际效果并做出反馈。秉着学以致用、知行合一的教学目标，项目组鼓励学生参与系统项目开发和功能测试，教师以该仿真项目为工程研究背景，拟定课程设计和毕业设计课题应用于电气信息工程学院18、19 和20 级轨道交通信号与控制专业的学生中。以轨道信号仿真功能测试为例说明系统设计开发的相关实验内容，该仿真系统模块功能为本专业高年级学生自主开发。

具体操作如下：首先点击项目列表菜单中的“轨道信号仿真”，可挑选不同车站平面布置图，按照排列进路需求选择始端信号灯，以正线通过进路为例，将信号灯设置成绿色、红色，相应的轨道电路变成占用或者空闲状态，表1为轨道信号仿真功能测试验证的具体内容。图2 所示是正常通行的站场示意图，当表示排进路失败时示意图会弹出警告窗口。

表1 轨道信号仿真实验

图2 正常通行的站场示意图

4.3 实验内容过程评价

自我校修订2019 年版专业课程大纲开始，必修课采用课程过程性评价与总结性评价相结合的考核方式。其中车站信号控制课程实验过程性评价占比60%，综合考核占实验总成绩的40%，过程性评价由实验预习、操作过程和实验报告组成。学生进入系统的实验项目时要使用考核模式，在虚拟环境下进行操作，主要考核学生对车站信号自动控制系统的理解和熟悉程度，要求学生能按照抽到的车站信号平面布置完成车站进路建立、车站进路解锁、车站进路虚拟行车、车站进路虚拟故障及处理中的一项。

考核操作过程根据安全停车第一原则，一旦出现事故，成绩为0。联锁表项目共150 分，其中联锁表共15 个条目，每条条目10 分。进路类项目共150 分，其中信号检查50 分，缺少一项或错误一项扣5 分；道岔检查50 分，缺少一项或错误一项扣10 分；轨道电路检查50 分，缺少一项或错误一项扣5 分。系统自动完成操作考核的评分，学生可重复进入考核模式，取两次考核中的最高成绩作为最终分数。

学生在系统上完成全部实验项目，并完成现场操作考核后，教师可以查看服务器记录的学生操作实验日志、各项目实验评价和实验报告，根据学生的操作是否规范，学生是否熟悉界面操作、是否理解实验原理和实验参数意义、是否能够根据实验要求和实验步骤完成实验，学生的操作是否符合行业标准等要求，对学生预习准备、操作过程、实验结论等方面给出综合评价等级，分别为优、良、中、及格和不及格。通过学生各模拟实验项目的完成情况，教师能够掌握学生对计算机联锁课程知识点的理解程度，从而制定具有针对性的授课计划。

5 结语

车站信号虚拟仿真实验系统建设以培养学生的实际应用能力为目的，在建设过程中充分体现以学生为中心的教学理念，鼓励学生参与系统建设课题，重点强调车站信号控制操作步骤和安全注意事项，使学生在按照教学目标完成实验任务的同时将计算机联锁知识融会贯通，帮助学生了解自己的学习状况和需要改进的地方。虚拟仿真实验平台主要具有以下优势：①通过模拟真实的实验环境和条件，创造沉浸式的学习环境，让学生可以在实践中学习和掌握车站联锁控制系统知识，提高实验技能和操作能力。②多场景反复练习，不受时间和空间的限制，帮助学生加深对相应理论知识的理解。③根据学生的学习情况和需求，提供有针对性的学习资源和个性化的学习指导，为学生提供一个互动的学习环境。④提供真实和直观的实验教学设计，降低实验和培训成本，提高实验教学的效果和效率。

目前，虚拟仿真实验平台虽然实现了计算机联锁在线实验基本的教学要求，但仍需参考实际车站平面布置和站场要求进行功能补充和设计优化。此外，平台内置的教师设置随机故障、学生操作日志和讨论园地的管理功能也需进一步完善。针对这些问题，项目组一方面邀请专家进行诊断指导，找出修改方法；另一方面，积极申报校级续建项目，获得项目经费支持，保障虚拟仿真实验项目高质量完成。通过建立有利于激励学生参与创新的考核、评价和反馈机制，建设一支教学、科研和技术相结合的虚拟仿真实践教学团队，实现教学资源开放共享和轨道交通信号专业良性发展的目标。