科研项目驱动的铁路信息系统集成与应用课程教学案例建设

张 春 刘 峰 张 宁 李红辉 张骏温

摘要：针对铁路信息系统集成与应用课程中学生对铁路信息技术缺乏系统性认识、实践动手能力不足的问题，提出依托铁路信息技术实验平台，构建铁路运输安全监控典型应用半实物教学环境，将科研项目作为驱动载体进行课程教学案例建设。

关键词：项目驱动；信息系统集成与应用；教学案例建设

1 背景

纵观我国高等教育发展趋势，如何将课程基本内容与技术最新发展相结合是每所高校亟须解决的一个问题。课程教学是大学生培养的最主要途径。目前的课堂教学模式是基于大众教育，以讲授为主，在一定程度上忽略了学生的独立思考能力，不利于大学生创造性思维和创新能力的培养。只有将科研训练融人课程教学过程中，做到寓教于创新，将教师的科研工作与教学工作充分融合，才能使大学生在课堂和课程学习过程中得到科研创新能力的训练。

目前，很多大学在信息技术教学平台建设中注重教学与实践结合、理论与实验结合，将过去传统的以教学为主的教学体系转变为知识与实践并重的教学方式。在实验教学中，倡导“精讲多练”的教学模式。

铁路信息系统与集成这门课程旨在以技术与工程的手段，研究铁路信息系统集成建设中的有关问题，是信息技术、数据库技术和交通运输技术的交叉学科。目前我们依托铁路信息技术专业“卓越工程师培养计划”良好的基础，围绕高速铁路发展的重大需求，紧密追踪轨道交通前沿理论，加快铁路信息系统集成与应用课程的建设。当前高校的软硬件环境仅靠一些试验箱、接口或单个技术模块远远达不到课程建设的要求，往往课程结束后，学生未必能真正掌握信息系统集成技术的应用，很难从需求分析、设计、研发、调试等环节，对发展迅速的铁路信息系统集成与应用技术进行整体把握。课程考核尽管包括理沦与实践，但实践环节考核难以准确评估，因为铁路信息技术行业的模拟实验需要专业软硬件来模拟现场。因此，建设和完善铁路信息技术实验模拟环境是目前实现教学案例建设的当务之急。

2 课程建设目标

课程建设的目标是实现课程基本内容与技术最新发展相结合。具体讲，以北京交通大学校训“知行”为目标，倡导知行合一，知行并进，以科研项目驱动为载体，将科研理念和科研方法融入实验教学活动。这样学生既能学习到铁路信息技术领域中信息的采集、传输和处理以及数据挖掘和系统集成等方面的知识，又能利用各类平台资源实践所学的知识和技能，从而激发自身的科研兴趣，培养科研创新意识，锻炼发现问题和解决问题的综合实践能力，并能够深刻地了解社会需求，将专业理论应用于实践。课程建设具体有以下4项措施：

（1）依托铁路信息技术实验教学平台，构建铁路运输安全监控典型应用半实物教学仿真环境。利用863项目等一些在铁路信息技术领域有影响的典型信息系统，搭建以“科研项目为驱动”的综合实践教学平台，将课堂教学移到实验室，通过实践使学生理解铁路信息系统集成与应用技术的基础知识。

（2）将基础理论知识和方法与铁路信息系统集成与应用实际系统相结合，让学生深入理解并掌握课程内容，通过实际项目（课题）学理论、做实验，在半实物仿真系统中进行实验验证，并将智能信息处理等计算机最新技术融入到教学实验中，在实验过程中加深学生对于理论知识的理解和掌握。

（3）实践项目的设计和选取注意从简单到复杂、从单一性到综合性项目逐步递进，支撑大学生创新性实验项目、科技兴趣小组等各种创新实践活动，引导学生开阔视野。

（4）通过课堂授课和实验操作，逐渐递增训练内容，要求学生完成项目的设计与实现。从需求分析、文献查阅、方案设计、实现、总结等方面组织学生独立开展工作，在工作中培养分析解决问题能力、创新意识、团结协作和组织实施能力。

3 课程建设内容

为了使学生能够深刻认识社会需求、提高自身创新能力，课程建设采用科研项目驱动的方式，依托动车组安全监控半实物仿真系统，开展动车组知识管理演示、动车组在线监测系统仿真、危险货物运输安全监测仿真系统等试验，并支撑学生积极参加大学生创新性实验项目、科技兴趣小组等各种创新实践活动。这种以科研项目驱动教学的形式，不仅培养了学生的科研素质和动手能力，还提前让他们体验了真实的科研环境，有利于选拔出一批有潜力的科研工作者。

3.1 动车组安全监控半实物仿真平台概述

铁路信息技术的发展始终围绕着铁路运输主业务（客运、货运等）的安全、高效的需求进行。我们根据铁路信息技术的发展需要和人才需求，对课题组承担的科研项目进行归纳和总结，将先进技术含量高且适合本科生学习的内容整理后，融合到平台中，使学生得到更贴近实际的问题解决能力训练。平台建设重点包括以下两个方面：

（1）以铁路动车组为对象，构建在线运行检测、故障监测等仿真系统。仿真系统可以实现对铁路动车组运行状态和故障等的远程在线监测，使维修部门能够及时掌握在途动车组部件的工作状态和故障状态，从而预测动车组部件的使用寿命。系统支持预先制定或调整检修计划，以便及时排除故障，消除事故隐患。同时，也可为制造厂提供对故障信息的分析结果，以便于设计与制造部门修改设计，改进制造手段和工艺，提高新设备的质量。

（2）以铁路危险品和防灾监控为对象，构建在途安全监测和防灾监测和联动仿真系统。仿真系统可以实现对铁路货物运输的在途安全状态的监测和远程传输，包括对在途货物的安全状态、车辆的安全状态及环境的安全状态的实时检测。当发生报警时，按预先规定的流程，通过声光系统或视频自动切换，提醒和协助值班人员及时了解现场危险情况，排除险情。

平台提供了一个半实物仿真和验证环境，可以支持学生自主设计、试验和调试，并在其中发现问题，相互协作解决问题，从而提供学生自主创新能力。

3.2 平台支撑的试验

动车组安全监控半实物仿真平台支撑多个试验，包括动车组知识管理演示系统、动车组在线监测仿真系统、危险货物运输安全监测仿真系统、铁路防灾监控半实物仿真系统等。通过这些实验，学生可以更加直观地了解到动车组监控和铁路货物运输的相关知识。

3.2.1 动车组知识管理演示系统

该实验是以课题“动车组故障知识库应用管理系统”为背景，将课题的部分研究成果进行提炼和整理，可以向学生演示面向工程应用的知识管理系统的总体架构、关键技术、主要功能和工作原理。

演示系统主要包含六大功能，分别为列车列表信息、故障知识更新、故障知识检索、故障预警及预测、故障统计分析以及远程技术支持。各主要功能又包含许多子功能，如知识更新功能包括知识自学习、专家审核提交和知识删除等。该实验使学生对知识管理系统有一个直观的了解，对所学的相关知识有更深刻的理解。

3.2.2 动车组在线监测仿真系统

该仿真系统以科研项目为基础，从动车组安全监控的需要以及铁路信息技术专门人才需求出发，设计了动车组运行信息、故障信息等的实时采集，无线通信和动车组车载信息处理、可视化展示等实验环境。

系统的主要功能有：基于GIS和GPS对列乍进行跟踪，查看实时故障数据的动车组在线状态监测功能；针对故障履历、行驶状态数据、累计电力数据、累计空转数据等动车组数据的查询功能；可对主故障数据进行统计分析，并可利用MON画面显示故障统计分析的动车组故障处理与统计功能。通过该仿真系统，学生可以了解到动车组在线监测系统的基本原理与内容，从而具备了从需求分析到采集、通信和数据处理各项关键技术的研究、开发和验证条件。

3.2.3 危险货物运输安全监测仿真系统

该仿真系统的功能需求来源于一个863课题，旨在建立信息采集、无线传输和监测数据处理、可视化展现等实验环境，提供在线监测电子地图、在线危险品列表、数据查询与统计以及基础数据维护与管理等功能，使学生可以根据自己的需求调研和分析，自主完成一些算法的实现和测试。

3.2.4 铁路防灾监控半实物仿真系统

该系统利用沙盘设计并构建了铁路防灾监控仿真系统，采用无线传感网技术与视频监控技术相结合，可以实现对落石和崩塌现象的躲测，将监测信息发送到地面监控中心，同时该监测信息可以触发视频监控系统打开摄像头，并指向灾害发生地点。监控中心系统接到报警信息后向有关人员发出灾害报警信息，并将现场画面显示在特定的屏幕上，使监控指挥人员能够以最快速度了解到现场的灾害情况，从而根据灾情严重程度及时采取合理有效的措施，避免因灾害引发铁路运输事故。

通过该系统，学生利用已学过的知识及新兴技术从传感网监测数据采集、监测信息传输、报警联动等方面进行研究。系统可以直观地反映学生研究的成果。

3.3 创新实践活动

在科研项目基础之上，本课程教师指导学生参加了名为“高速动车组故障知识库远程应急指挥关键技术的研究与实现”的大学生创新训练项目。基于该项目建立的动车组故障知识库实现了动车组故障知识共享。动车组故障数据模型采用数据挖掘等技术获取潜藏于信息中的知识，为应急指挥、安全运营维修维护管理提供支持。学生通过该项目可以了解知识的获取手段与知识库系统的建立方式，掌握知识发现、知识管理和构件化软件开发等技术，锻炼自身的思维创新能力和科研实践能力。在科研项目的整个训练过程中，学生的严谨求实的科学态度将得到不断的培养和增强，吃苦耐劳的工作作风、团队协作精神和组织管理能力也将得到相应的提高，整体的综合素质和创新能力将会进一步提高。

此外，老师在课堂上还介绍课程涉及的大数据、云计算等技术，让学生搜集这些技术在国内外发展趋势及应用情况，并讨论如何将和关技术应用于高铁动车组运用维修领域的需求中，以此帮助学生掌握专业发展现状、获取前沿知识，同时结合高铁动车组设计性实验需求，使学生能够对系统集成设计、开发、测试的整个过程有较为完整且深刻的认识，培养自主学习、创新实践和工程应用能力。

4 结语

高等教育的改革是为了适应社会发展的需要，培养出具有符合社会发展需要、基础知识扎实、具有创新思维和意识、动手能力强、具有团队合作精神的高素质人才。根据这一目标，高等教育工作者在各个角度和层次进行教育教学改革。本教学改革借助北京交通大学铁路信息技术实验教学平台，以科研项目为依托进行项目驱动教学，将课内和课外学习有机联系在一起，以达到培养学生综合职业能力的目标，从而激发学生创作热情和兴趣，使学生有目的地学习，改变学生原有的学习方法，提高自身的专业技能基础和实践动手能力。