适应新形势的交通运输虚拟仿真实验平台建设

马驷等

关键词：智能型交通运输体系；交通运输专业人才；成渝西昆钻石（菱形）经济圈；一带一路；区域经济；区域一体化

摘要：“一带一路”、中国高铁“走出去”等国家发展战略的实施，成渝西昆钻石经济圈、成渝经济区等区域发展战略的提出，以及智能型综合交通系统的构建要求交通运输专业人才具有较强的工程实践和科研创新能力。西南交通大学交通运输虚拟仿真实验教学平台建设以创新性工程应用与研究型交通运输专业人才培养为根本，立足科研成果转化、自主研发和产学研合作，整合优质虚拟实验教学资源，而优质实验教学资源的高度共享不仅能实现先进的实验教学理念、创新的实验教学方法、丰硕的实验教学改革成果等教学科研成果快速传播，而且为推动各区域各层次综合交通系统的建设奠定了良好的基础

中图分类号：F127； F512.3

文献标志码：A文章编号：1009-4474（2015）03-0021-06

发展紧密联系的地缘关系和加速经济发展的国际、国内需求，极大地推动着国际、区际和区内各层次综合交通系统的建设，这给交通运输专业的人才培养工作提出了新的和更高的要求。因此，应在深刻理解经济社会与交通运输行业发展新形势所提出的人才需求的基础上，充分利用先进的工程教育信息化技术，持续强化工程人才培养的实践动手能力和科研创新能力。而西南交通大学交通运输专业通过优势资源整合、工程应用与开发能力贯通培养为特色的交通运输虚拟仿真实验平台建设，为探索新形势下交通运输专业人才的培养奠定了良好的基础。

一、经济社会发展新形势对交通运输专业人才培养的需求

从经济社会发展的要求看，在国际层面，“一带一路”国家战略已获得了国际社会的广泛认可和积极参与，交通基础设施作为优先开展建设的领域，急需规划、设计、建设、管理和经营领域的大批高质量专业人才的支撑。以“中国创造”和高速铁路“走出去”为代表的高新技术在世界范围的快速推广，也要求交通运输专业人才具有较高的综合素质、扎实宽广的专业基础和较强的实践和创新能力。在区际层面，成渝西昆钻石经济圈的构建，既是对国家宏观规划的承接，也是西部各区域融合发展而形成新增长极的需要，这对西部交通基础设施的建设和运营管理必将产生巨大的推动作用，相应对人才培养的数量和质量也提出了具体要求。在区域层面，四川省建设综合交通枢纽的战略举措已取得了重大成果，成渝经济区和川南城市群的建设，提出了新一轮通道能力提升和路网结构优化的要求，对适应区域综合交通系统建设的交通运输专业人才的职业素养和专业能力也提出了较高要求。

从信息化技术在交通运输领域应用的要求看，智能型综合交通系统是完善交通基础设施、消除多方式壁垒、加强运输行业产业各环节协调配合的主要手段和发展趋势。智能型综合交通系统的构建涉及众多行业领域，由社会广泛参与，存在复杂的协调关系，需综合多学科领域的成果，由先进的交通信息系统、交通管理系统、公共交通系统、运行控制系统、运输组织系统、费用核算系统和紧急救援系统等组成。借助先进的信息技术和控制技术，以信息采集为基础，以智能控制为核心，以信息服务为导向构建智能型综合交通系统，正使得原有交通运输行业的技术装备和运营模式等发生较大的变化，因而更加强调交通运输专业人才对于现代高新技术的把握能力、系统集成能力、信息处理能力和综合管理能力。

从信息化技术在教育领域应用的要求看，云计算、移动学习、3D打印、虚拟现实以及远程实验等新技术快速发展，平板电脑、智能手机、可穿戴设备等新媒介运用普遍，学习分析、游戏和游戏化、开放教育资源等新概念的不断涌现，对传统的实验教学理念、模式、资源和手段提出了挑战。大规模开放网络课程（MOOC）的兴起，提倡将物理环境、数字化环境和虚拟世界有机结合，建立虚实结合、相互补充的虚拟仿真实验教学资源和环境，以实现信息技术与教育教学的深度融合。可以看出，基于信息技术和互联网络的全新教学方式、学习技术和自主学习环境的不断完善，有力地促进了交通运输领域实验教学的深刻变革，虚拟仿真实验教学综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通讯等技术，构建逼真高效的实验操作环境，使得信息技术与交通运输领域实验教学的资源融合和平台建设成为可能。

二、交通运输虚拟仿真实验平台建设目标与思路

1.建设目标

以创新性工程应用与研究型交通运输专业人才培养为根本，立足科研成果转化、自主研发和产学研合作，整合优质虚拟实验教学资源，打造高水平实验教学和管理队伍，探索虚拟仿真实验教学保障机制和教学效果考核、评价、反馈机制，建成“大交通”特色鲜明、轨道交通优势突出、国内一流的交通运输虚拟仿真实验教学中心，实现优质实验教学资源的高度共享，为新形势下交通运输人才培养质量的持续提升提供坚实保障。

2.建设思路

首先，充分发挥全国排名第一的学科和国家重点专业、国家特色专业优势，以培养学生工程实践和创新能力为出发点，坚持“虚实结合、能实不虚、互为补充”的原则，按照“集人才培养、科学研究、学科建设、社会化服务等功能于一体，突出轨道交通优势，涵盖多种运输方式”的建设理念，建成高水平虚拟仿真实验教学中心。

其次，根据交通运输生产过程及作业环节的不同特征、实验要求和实验效果，明确网络虚拟仿真和虚实结合仿真的实验教学资源分类，建立科研成果向实验教学资源转化的激励机制，根据交通运输科学技术发展最新成果，不断优化、升级、扩充仿真实验教学资源。

再次，解析“跨时空、多环节、不可逆、高风险、大信息量”的交通运输生产过程及作业环节并进行原理抽象，应用现代信息技术，立足自主研发，构建高度仿真轨道交通、道路交通、交通运输安全、物流等系统作业组织与管理环节的实验教学平台。

最后，运用分布式资源存贮技术、应用虚拟化技术、流媒体处理技术、数据库技术等现代网络通信和共享技术，搭建具有扩展性、兼容性、前瞻性的虚拟仿真实验教学高效管理和共享平台。

三、交通运输虚拟仿真实验教学资源建设模式

交通运输系统是由固定设备子系统、移动设备子系统和运输组织与管理子系统构成的复杂大系统，具有生产过程连续性、作业环节跨时空、超区域等特点。运输组织与管理子系统正是通过对固定设备和移动设备子系统的合理运用与控制以及对生产作业环节的合理组织与优化实现交通运输系统的协调运转。随着现代网络信息与通信技术在交通运输行业的广泛应用，交通运输设备已经实现了虚拟仿真和远程控制，如铁路区间信号控制、车站接发列车进路排列与控制等；交通运输生产过程的组织优化也在生产计划的计算机编制及调整基础上，实现了人工辅助智能决策，如车站作业计划编制系统、车站调度指挥辅助决策系统、计算机编制列车运行图系统、列车调度集中系统等得到广泛应用。

而交通运输专业人才培养的能力标准要求学生掌握运输设备及其操作的基本原理与方法，掌握运输生产组织的基本技能并具备对系统管理与控制进行优化调整的综合能力。这就要求在交通运输实验手段方法及实验项目设置上，既要提供实体仿真或虚拟仿真运输设备及其控制原理的模型或计算机仿真系统、可重复操作且不受时空限制的生产作业环节虚拟仿真系统，又要求搭建高度仿真的多岗位、多工种、多环节生产现场实际的实验环境，提高对学生系统优化控制与调整的综合能力训练的效果。因此，依据交通运输系统结构特征、交通运输生产过程及作业环节特点、人才培养能力标准要求和实验效果需要，需确立网络虚拟仿真和虚实结合仿真的实验教学资源分类建设模式。

通过两类模式的实验教学资源建设，学生既能够利用虚拟仿真实验教学平台在网络虚拟仿真的实验环境中自由选择搭建实验项目，进行远程虚拟实验，也可以在虚实结合仿真的实验环境中进行综合技能和创新能力培养。

四、交通运输虚拟仿真实验教学资源整合

顺应新形势下交通运输专业人才培养在经济发展和信息化应用方面的要求，以“夯实基础、培养能力、突出创新、张扬个性、以学生工程实践能力和创新能力提高为核心”的实验教学理念为指导，根据交通运输专业人才实践与创新能力贯通式递进培养的要求，立足自主研发与科研成果转化，运用现代信息技术建设网络虚拟仿真和虚实结合仿真两类高水平实验教学资源。通过整合各类优势资源，形成“4+1+1”模块化优质实验教学资源群（见图1），实现对交通运输、交通工程、安全工程、物流工程、物流管理5个交通运输专业人才培养核心专业课程的全面覆盖，同时不断优化、升级、扩充虚拟仿真实验项目，丰富实验教学内容，实现学生综合设计、工程实践和创新能力的提升。

从图1可以看出，交通运输虚拟仿真实验教学平台具有扩展性、兼容性和前瞻性，表现出“大交通”的鲜明特色和轨道交通领域的突出优势，能够实现交通运输优质实验教学资源的高度共享。在资源整合过程中，针对运输生产系统的复杂性，运输作业过程多环节、跨区域、不可逆、涉及高危特殊环境等特点，通过解析实体模型、原理抽象、仿真建模，应用现代信息技术，建设了大型复杂远程控制实验系统、高水平软件系统、模拟仿真高危高成本实验系统、实体及实体模型实验系统等34个仿真实验教学系统。

其中，大型复杂远程控制实验系统包括分散自律调度集中仿真实验系统、高速铁路综合调度指挥仿真实验系统、编组站作业仿真实验系统、城市轨道交通调度指挥仿真实验系统、物流中心运作仿真实验系统等12个系统。其中，在“高速铁路调度指挥体系理论关键技术”科研成果转化基础上，由中心与广铁集团联合研发建成高速铁路综合调度指挥仿真实验系统（如图2所示），通过获取实际线路不同运行时间、不同线路区间的数据信息，仿真实现列车调度、计划管理、车站作业等岗位的运输生产过程，实现了高速铁路调度指挥多岗位、多工种、跨区域的协同作业的专业技能和团队合作能力的综合训练。

高水平软件系统包括计算机编制列车运行图实验系统（如图3所示）、交叉口仿真与虚拟设计实验系统、城市道路规划设计仿真实验系统、物流核心流程仿真实验系统、重大危险源区域定量风险评价系统等13个系统。其中，通过自主规划设计、软件引入及企业合作开发共建等方式建设的物流核心流程仿真实验系统，根据不同行业物流企业的情景数据，完成订单、采购、仓储、运输配送和报关等五项业务的不同组合实验，能有效地培养学生业务流程建模分析的能力、信息系统设计与开发的能力、多行业不同岗位物流主要业务管理能力。

模拟仿真高危高成本实验系统包括交通事故

再现仿真系统、交通行为安全仿真实验系统、高速铁路驾驶行为仿真系统等5个系统，可模拟高危和不可重复的真实环境。其中，自主开发建设的交通行为安全仿真实验系统采用运动模拟和视景仿真系统营造不同道路条件和不同气候条件下虚拟驾驶环境，采集驾驶员脑电波数据、眼球位置与运动、瞳孔大小数据、多道生理信号数据，分析驾驶员在不同环境下的驾驶行为特征，并评价道路设计安全性。

实体及实体模型实验系统包括交通运输基础设备系统、货物装载加固仿真实验系统、危险货物性质分析实验系统等4个系统。其中，危险货物性质分析实验系统利用实体分析设备可进行包括货物的爆炸、易燃、毒害、腐蚀、放射性等九类危险货物的性质鉴定与分类鉴别。

上述系统包括16个网络虚拟仿真资源和18个虚实结合仿真资源。在涉及高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作，高成本、大型综合训练等情况时，提供了可靠、安全的实验项目，丰富了实验教学内容，学生既能够利用虚拟仿真实验教学平台在网络虚拟仿真的实验环境中自由选择搭建实验项目，进行远程虚拟实验，也可以在虚实结合仿真的实验环境中培养综合技能和创新能力。

五、交通运输虚拟仿真实验教学平台构建

依托覆盖全校的稳定、高效、安全的校园网络环境，采用分布式资源存贮技术、应用虚拟化技术、流媒体处理技术、数据库技术等现代网络通信和共享技术，搭建“三系统、四功能、五层次”的具有开放性、互动性、前瞻性的虚拟仿真实验教学平台：三系统即信息化硬件支持系统、实验教学资源整合共享系统及远程虚拟仿真实验教学系统，四功能即公共信息管理功能、实验系统整合配置功能、实验教学资源管理共享功能及远程虚拟仿真实验功能，五层次即用户群层、网络层、管理共享层、资源群层和实验项目层。

虚拟仿真实验教学平台通过应用“软件即服务（SAAS）”、“平台即服务（PAAS）”、Cluster集群等信息技术，将仿真实验教学中心各实验教学资源整合、虚拟化并共享，实现了对虚拟仿真实验教学资源进行智能化、自动化及远程虚拟仿真实验教学的管理，将“有限的物理实验教学空间”拓展成为“无限的虚拟实验教学空间”，创新了虚实结合的实验教学模式，实现了多地、多校、多专业的实验教学资源整合和共享，形成了虚实结合、师生互动、自主学习的实验教学环境，增强了学生的实验兴趣，促进了学生工程实践与创新能力提升，人才培养效果显著。

六、交通运输虚拟仿真实验平台教学效果

交通运输虚拟仿真实验教学平台实现了优质实验教学资源网络共享，面向国内同类高校学生和交通运输与物流行业在职人员开放，满足了校内外多学科的虚拟仿真实验教学需求，能够全面提升交通运输与物流专业人才培养质量和行业在职人员业务水平。

1.教学资源网络虚拟共享效果突出

以分散自律调度集中实验系统、物流核心流程模拟实验系统等为代表的高水平仿真教学资源已面向校内其他专业等开放了多个实验项目。学生可以通过校园局域网访问中心虚拟仿真实验平台，进行自主实验，学生的工程实践能力和科研素质得到了显著提升。

通过整合校内土木工程学院的虚拟环境选线设计实验系统、电气工程学院的列车运行与牵引传动综合仿真平台等虚拟仿真实验教学资源，实现了校内实验教学资源高度共享。

面向中国铁路总公司高速铁路综合调度指挥技术人员培训，开放了高速铁路运营调度仿真与应急演练虚拟仿真实验系统。学员可远程登录中心虚拟仿真实验平台，进行高速铁路行车调度指挥、高速铁路接发列车、高速铁路列车调度应急演练等远程控制实训。

2.示范引领作用突出，推广应用成效显著

采取“网络虚拟仿真和虚实结合仿真”两种实验教学方式相结合，可以在时间、空间、过程、项目上全面向学生开放。学生能够充分自主的学习和掌握实验教学内容，受益学生包括全校交通运输类和电气工程、土木工程、车辆工程以及电子商务等23个专业的学生。

采用自主研发的软、硬件设备，援助西藏大学建成交通运输实验平台（综合调度指挥和机车驾驶模拟平台）和智能交通实验平台（交通仿真、交通管理与控制、交通环境等）。北京交通大学、同济大学、中南大学、东南大学、长安大学、大连交通大学、重庆交通大学、兰州交通大学、西华大学等全国20多所高校来我校交流学习交通运输虚拟仿真实验教学资源建设经验，部分高水平的实验系统在相关院校中得到了较好的推广和应用。

“计算机编制列车运行图系统”作为中国铁路总公司专用编图系统在全国所有铁路局得到推广应用，“大型客运站调度仿真实验系统”在成都、哈尔滨等大型客运站得到了推广应用，实验教学资源行业推广和应用成效显著。

3.社会化服务效果显著

近三年来，交通运输虚拟仿真实验平台为高速铁路调度指挥与运营管理、城市交通管理、交通安全、物流管理等培训高级管理人员和专门技术人才超过6000人次，已成为我国交通运输和物流领域特别是高速铁路运营管理人才培养的重要基地。该平台承担了中国铁路总公司高速客运专线综合调度指挥技术人员培训、中国铁路总公司所有路局运输处长、总调度长、调度中心主任等组成的运输安全高级干部培训；承担了成都铁路局CRH动车组客运培训班、成都铁路局职教干部高速铁路知识培训班、广铁集团青年科技拔尖人才培训班、广铁集团客运专线技术培训班、哈尔滨铁路局车务系统全部技术人员的培训、成都铁路局和昆明铁路局危险货物运输技术培训、四川省城市交通管理实用人才培训、贵州省城市交通管理实用人才培训等，社会化服务效果广受好评。

七、结论与展望

顺应新形势下交通运输专业人才培养对于工程实践和科研创新能力的要求，特别是针对交通运输领域大量需要高成本、高消耗的大型或综合性实验手段的教学活动情况，虚拟仿真实验教学具有明显的优势，是高等教育信息化建设的重要内容，体现出信息技术与交通运输专业教育教学融合发展，以及与交通运输学科专业深度融合带来的实验教学改革与创新。西南交通大学交通运输虚拟仿真实验教学平台建设的全面展开，必将推动信息技术、教育教学与产业发展的互相促进，也将强化实验教学平台的示范和引领作用，能够将先进的实验教学理念、创新的实验教学方法、丰硕的实验教学改革成果、优质的实验教学资源广为辐射，为推动各区域各层次综合交通系统的建设奠定良好的基础。参考文献：〔1〕

王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议〔J〕.实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.

（责任编辑：叶光雄）