轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心的建设

马秀飞，胡福年

（江苏师范大学轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心，徐州　221116）

轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心的建设

马秀飞，胡福年

（江苏师范大学轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心，徐州221116）

1　建设轨道交通虚拟仿真实验中心的必要性

目前，我国的高速铁路和城市轨道交通行业发展迅速，相关人才需求旺盛。为了更好地发展轨道交通类专业，实验室建设是提升学科专业水平、提高人才培养质量的重要平台。然而，轨道交通类专业实验教学和实践培训存在如下问题：真实平台设备价格高昂，不适合开展多人多任务教学，难以实现多人的标准化实训和考核；对涉及不可逆的操作如发生事故，极端的环境、不可控天气条件的运行状况难以进行真实教学和研究。

建设轨道交通虚拟仿真实验中心，可有效克服实体实验设备存在的局限，具有以下优势：

（1）虚拟仿真系统成本低

现代化的轨道交通需要十分先进的设备作为保障。一节地铁车辆至少要1000多万，一节高铁车辆则价格上亿，而全套的设备配套设施昂贵，多则上亿，少则千万，高昂的价格不适合学校和科研机构的教学应用。高铁车辆、地铁车辆模拟仿真系统成本较低，能够替代真实情况，实现实验教学和实践培训，从而有效地解决这一问题。

（2）虚拟仿真系统功能强

高速铁路和城市轨道交通最大的特点是设备先进，自动化技术程度高，对实验实训教学的要求更高。由于受诸多因素限制，传统的专业实验设备和技术条件有限，集成度低，完成的实验功能单一。同时，因为设备昂贵、台套数少，无法进行多人多任务实验和实训，也无法有效考核教学质量，不能满足教学需要。

虚拟仿真实验教学资源，依托数字虚拟现实技术、计算机技术、360度全景展示技术、网络通信技术和人机交互技术等现代教育信息化手段，能够实现的功能丰富，且不受台套数的限制，因此，建设虚拟仿真资源平台，满足轨道交通系统的虚拟仿真实验实训需求，是解决上述难题的有效手段。

同时，还可以通过情景再现、模拟驾驶、事故预警技术，解决特殊工况难以展现，不可逆的操作难以实现的局限，为科学研究提供试验支撑和数据支持。

（3）虚拟仿真系统辐射广

虚拟仿真实验教学系统，可以方便快捷地形成共享资源，满足学生学习、职工培训、科技服务等需求，辐射人群广泛。

网络虚拟实验教学资源不受时间、空间和距离的限制，在网络条件和技术允许的条件下，部分实验项目还可实现远程操作，辐射区域广泛［1］。

基于以上原因，为了加快轨道交通行业急需的专业技术人才培养，满足经济社会发展的迫切需求，同时解决资金、设备、场地不足等问题，利用虚拟仿真技术建设集实践教学、职工培训、科技服务为一体，功能完备的轨道交通虚拟仿真平台，是行之有效的方法，具有非常重要的意义。

我校整合了原有多个省级实验教学示范中心和轨道交通类相关学科专业的实验教学资源和人力资源，组建了轨道交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心，并且于2014年成功申报为国家级虚拟仿真实验教学中心。本文主要介绍轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心的建设经验。

2　搭建“三位一体”实验平台

本中心以提高学生的工程实践能力和创新能力，提高职工的职业技术能力和应急处理能力，提升科学研究与试验的支撑能力为目标，首先建立实验教学虚拟仿真平台，进而搭建实践培训虚拟仿真平台，进一步建设科研服务虚拟仿真平台，三个平台功能联动，形成一体化相互推动关系，实现实验教学、实践培训、科研服务有机融合。三大平台结构如图1所示。

图1　虚拟仿真三大实验平台

实验教学是掌握高速铁路和城市轨道交通工作原理及运行控制的基础，由于轨道交通实验设备昂贵、购买数量有限、设备不适合反复拆装、内部结构不易完整展示等特点，用实物进行实验教学会造成巨大浪费和损耗，设备工作原理难以通过实物展示，多人同时进行实验教学和考核都比较困难。针对上述问题，需要对城轨和高铁的实验教学进行仿真。实验教学仿真主要涉及行车控制、运行车辆、牵引供电、运输组织等方面的虚拟仿真实验内容，满足实验教学需求。

实践培训的主要任务是培养学生和职工的日常检修和故障处理能力。为了提高受训者的故障处理能力，需要人为设置故障进行故障处理演练，然而实际系统中故障设置、多人同时进行故障处理都不易实现。基于上述问题，需要针对各种典型故障进行仿真，实现城轨和高铁系统的实践培训，培养受训者的日常检修技能及快速故障处理能力。

科研服务虚拟仿真平台为教师的科学研究、项目试验提供平台，方便教师进行科学研究，有利于提高教师的科研水平。同时，平台为本科生、研究生的科研立项、科技创新、学科竞赛提供服务，使学生通过自主探究学习，培养科研能力和创新能力。同时，为了保证轨道交通运行安全，掌握各种运行条件下的运行状况和可能出现的故障类型，科研服务平台利用虚拟现实技术来实现事故情景再现、模拟驾驶、事故预警，为轨道交通行业的企业、相关科研院所提供可靠数据和试验支撑，最大限度地减少各类事故的发生，为安全稳定运行提供坚强保障。

本中心树立了“培养专业基础扎实、动手能力强、转型快的实用性人才”的实验教学理念，通过虚拟仿真实验教学，使学生有效利用课上、课余时间随时选做轨道交通专业的相关课程实验和实训，提高学习效率，避免在实物操作过程中因操作不熟练或误操作等原因引起的危险；同时也提供高铁和城轨职工培训，满足技术快速发展情况下企业日益增长的职工培训的要求；还可以通过情景再现及不可控极端天气条件下的模拟驾驶，为科学研究提供数据支持，为行车安全提供技术服务。

3　形成“一纵四横多分支”实验资源体系

在三个平台上，按照“能实不虚、虚实结合、相互补充”的原则［2］，以专业核心课程知识点为依据，以轨道交通全过程工程实际规范为标准，以构建轨道交通虚拟仿真系统为主线，建设行车控制、运行车辆、牵引供电、运输组织四大部分交相呼应的实践教学资源体系，每个部分又包含多个分支，拥有多个实验项目，形成了中心“一纵四横多分支”的实验资源体系，如图2所示。

四大部分彼此互相支撑、相互融合，充分体现虚实结合，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，低成本、低消耗、高质量地完成大型或综合训练，提供安全可靠、经济实用的仿真项目，以满足多学校、多企业、多地区的虚拟仿真实践教学需求，实现校内外、本地区及更广范围内的资源共享，形成中心可持续发展模式。

4　开发“三层六型”实验项目

根据教育部高等学校本科专业课程实验设置要求，中心将虚拟仿真实验分为基础层、应用层、提高层三个层次，包含验证型、演示型、综合型、设计型、科研型、创新型六种实验类型。

实验教学虚拟仿真实验属于基础层，注重基本原理理解和验证，有验证型、演示型仿真实验项目46个；实践培训虚拟仿真实验属于应用层，注重专业知识的综合应用，培养学生的工程实践能力，提高职工的专业技能与职业素质，共有综合型、设计型项目42个；科研服务虚拟仿真属于提高层实验，共有科研型、创新型项目14个，全部面向学生、教师、轨道交通相关企业和相关科研院所开放，注重研究能力和创新能力的提升。

图2　虚拟仿真实验资源体系

5　虚拟仿真实验中心建设的特色

江苏师范大学轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心的建设具有以下几点特色：

（1）多方联建

利用学校的教学和科研优势，依托轨道交通行业的先进技术、实体资源和运行数据，借助软件公司的开发实力，开展国际化合作办学，共享俄罗斯圣彼得堡国立交通大学的师资力量，提升建设能力、提高建设水平、丰富教学资源、加速产品研发和成果转化，共同打造虚实结合、数据共享、信息交互、职前培养、职后培训的轨道交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心。

（2）功能联体

构建“实验教学、实践培训、科研服务”一体化平台。利用实验教学虚拟仿真平台，搭建实践培训虚拟仿真平台，进而建设科研服务虚拟仿真平台，使实验教学与工程实际应用紧密结合，实现实验教学、实践培训与科研服务三大功能联体，培养学生的工程实践能力和创新能力，提高职工的职业技术能力和应急处理能力，提升科学研究与试验支撑能力。

（3）四部联动

建设“一纵四横多分支”虚拟仿真实验教学资源体系。以“行车控制、运行车辆、牵引供电、运输组织”四大部分为核心，以提升实验实训质量为目标，以轨道交通运行规范为依据，构建轨道交通虚拟仿真实验教学资源。每个部分教学资源相对独立，又互相联系、相互支持，形成四部联动的实验教学资源，满足多专业教学需求。

6　虚拟仿真实验中心的资源共享

教育部要求，国家级虚拟仿真实验教学中心的建设尤其要强调优质资源的开放共享，鼓励各高校建设能体现自身学科优势和专业特色的虚拟仿真实验教学资源，并建立互补互利、优胜劣汰的开放共享机制［2-4］。

我校轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心针对资源共享问题探索发展了以下机制：

（1）校内共享

中心教学资源可通过校园网对全校学生开放共享，学生可在课内、课外进行实践学习，强化基本能力训练，满足轨道交通及相关专业的实践教学需求，提高综合运用专业知识解决问题的能力，培养学生的科技创新能力。教师可利用实验教学中心资源进行项目试验和科学研究，部分成果可转化为产品或实验项目，进一步丰富实验教学中心资源库。

中心还可满足“卓越工程师教育培养计划”实施的要求，轨道交通类专业通过卓越工程师培养，与轨道交通行业的企业合作，联合开展相关技术的仿真教学和竞赛活动。

（2）校际共享

中心利用徐州高校教学联合体平台，实现为周边兄弟院校服务，为教师科研提供支持，承担其相关专业的实验和实训任务，校外学生可以通过校联合体平台预约注册登录后，远程共享部分实验教学资源，完成实验、设计等任务，提高学习效果。解决网络局限后，可进一步扩展共享范围，提高虚拟仿真实验教学资源利用率，发挥区域辐射引领作用。

（3）国际共享

我校已与俄罗斯圣彼得堡国立交通大学在轨道交通信号与控制等专业开展联合办学，双方以国际化、大工科、多样性为特色，以师资共享、优势互补、专业优化为宗旨，共同开展专业建设。根据双方特点，利用双方优质资源，设置实验项目，研制实验设备，共同开发虚拟仿真实验教学资源，创新与提升实验教学水平，建设一流的轨道交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心，培养轨道交通专业知识扎实、创新能力强，具有国际视野和现代轨道交通理念，掌握轨道交通工程的前沿理论与技术，能够胜任轨道交通相关工作的专业人才。

（4）企业共享

中心为上海铁路局徐州电务段、供电段、徐州高铁客运站提供高铁列车模拟驾驶、综合调度系统、列车检修、牵引供电系统等虚拟仿真职工培训，同时为企业的产品研发等提供全方位、多功能的服务平台，为周边地区轨道交通的发展发挥积极作用。

7　结语

轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心拥有优秀的教学团队和丰富的教学资源，形成了一套高效的实验教学运行机制和管理方法，在实验教学效果、实践基地建设、师资队伍建设等方面取得了丰富的成果，得到了校内外专家的好评。在学校的大力支持下，中心将进一步加快建设和发展步伐，建成具有示范引领、辐射服务作用的国内一流虚拟仿真实验教学中心，以提高人才培养质量，提升行业服务水平和科研支撑能力。

［1］王涌，李国丽，应艳杰，贾立新．建设网络虚拟实验室，深化实验教学改革［J］．实验技术与管理，2010，27（9）:85-87．

［2］教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知［Z］，2013-08-13.

［3］李平，毛昌杰，徐进 .开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设 提高高校实验教学信息化水平［J］.实验室研究与探索，2013，32 （11）:5-8.

［4］胡今鸿，李鸿飞，黄涛．高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究［J］．实验室研究与探索，2015，34（2）:140-145．

Virtual Simulation Experimental Center；Rail Traffic Information and Control；Laboratory Construction

Construction of National Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Rail Traffic Information and Control

MA Xiu-fei，HU Fu-nian
（National Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Rail Traffic Information and Control，Jiangsu Normal University，Xuzhou 221116

1007-1423（2015）25-0040-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.25.012

马秀飞（1977-），女，山西大同人，讲师，硕士，从事领域为轨道交通信号与控制等

2015-07-28

2015-08-24

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容。以江苏师范大学轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心的建设为例，介绍建设虚拟仿真实验中心的必要性、实验平台的搭建、实验资源体系的形成、资源共享的机制等内容，对虚拟仿真实验中心的建设方法、创新人才培养机制进行深入的研究。

虚拟仿真实验中心；轨道交通信息与控制；实验室建设

胡福年（1967-），男，新疆乌鲁木齐人，教授，博士，从事领域为轨道交通信号与控制、电气工程等

Virtual simulation experimental teaching is an important construction content of the higher educational informatization and the experimental teaching demonstration center.Takes the construction of national virtual simulation experimental teaching center for rail traffic information and control in Jiangsu Normal University as an example，introduces the necessity of virtual simulation experimental center and the method of build experimental platform，form experimental resources，share resources.Studies the construction method of virtual simulation experimental teaching center and the mechanism of student training.