虚拟仿真技术在轨道交通信号基础课程中的应用研究

◆李雅卓 王 芳

虚拟仿真技术在轨道交通信号基础课程中的应用研究

◆李雅卓 王 芳

(江汉大学物理与信息工程学院 湖北 430056)

本文阐述了虚拟仿真技术在轨道交通信号与控制专业教学中的作用，以轨道交通信号基础课程为例，介绍了虚拟仿真技术在理论教学与实验教学中的应用。一方面，实验教学中加入虚拟仿真设计实验可提高学生的学习兴趣，将被动学习转变为自主创造；另一方面，实验教学中的设计成果又能丰富理论教学的内容，提高教学质量，实现良性循环的教学模式。

虚拟仿真技术；轨道交通信号与控制；轨道交通信号基础；实验教学

0 引言

2013年，教育部高等教育司在《实验室研究与探索》杂志中提到国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作已全面展开，虚拟仿真实验教学建设与真实实验教学互为补充，有利于提高高校实验教学信息化水平[1]。全国各类高校均在积极建设虚拟仿真实验室并对虚拟仿真教学这一方式进行了深入的研究。涉及的教学领域十分广泛，既有对化学、力学等学科虚拟仿真教学实验室建设的探讨[2-3]，也有在电类实验教学、医学仿真教学中的应用与实践[4-5]。

轨道交通信号与控制专业是中国教育部于2012年增设的国家战略新兴产业发展和改善民生急需以及应用性强、行业针对性强的新专业，同时也是适应近年来人才培养特殊需求设置的专业[6]。铁路信号系统中采用了信号专用器械与系统，许多设备占地面积大、价格昂贵，不适合教学使用。因此开办该专业的职业技术院校多以仿真实训系统的实验设备和计算机仿真虚拟实验为主[7,8]。

近年来，关于轨道交通信号与控制的仿真教学相关报道开始增多，如城市轨道交通CBTC仿真教学系统研发[9]、运营调度实验教学仿真平台建设[10]、城市轨道交通驾驶室视景仿真[11]等。可见，开展仿真教学是轨道交通信号与控制专业教学的必然趋势。

目前许多轨道交通信号仿真设备多为实训设备。侧重于设备或系统工作原理与操作方法的教学。这种教学设备虽然针对性很强，但对于本科生教学，实验内容较为单一，深度不够，学生只知其表却不知其里。因此，在实验教学环节中，适当增加一些对轨道交通设备或系统本身的设计与实现很有必要。

轨道交通信号基础是轨道交通信号与控制专业学生学习的第一门专业基础课。课程中涉及了许多轨道交通特有的信号设备。传统教学方法是在课堂上围绕书本内容进行理论讲解，再在实验室进行设备实物的操作，加深对各种信号设备工作原理的理解。本文将虚拟仿真技术融入到该课程的教学中，研究虚拟仿真教学在该课程课堂教学与实验教学中具体的应用与实践，力求在提高教学质量的基础上，提高学生仿真设计与自主学习的能力。

1 虚拟仿真技术的作用

虚拟仿真技术是一种借助于多媒体、人机交互等多种计算机技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象的新兴技术。能够打破时间与空间的限制，提高设计的直观性和真实性，不消耗器材、元件且可以重复操作。虚拟仿真既可以应用于轨道交通类课程的课堂教学，也可以用于实验教学[4]。

在课堂教学方面，虚拟仿真技术能够改变枯燥乏味的理论教学，用三维立体的仿真设备和动画演示代替简单的书本讲解，充分发挥教师主导作用和学生的主体作用，淡化“一言堂”、“满堂灌”的传统教学方式，将各种三维立体的虚拟仿真设备、动画演示应用于课堂，探索合理有效的教学方式，提高课堂教学质量。

在实验教学方面，引入虚拟仿真设计实验能够将被动教学方式转变为自主学习与创造。通过课程设计或开放性实验的形式，引导学生学习相关的仿真设计类软件，应用轨道交通专业课程中的专业知识，在电脑上自主进行仿真设计。学生在仿真设计的过程中会主动学习专业知识并自学这些仿真设计类软件，增加学习的动力与兴趣，提高就业竞争力。

引入虚拟仿真的课堂教学与实验教学可以互为补充，相辅相成。一方面，实验教学中的设计成果可以应用于课堂教学，提高学生对专业知识的理解与学习兴趣；另一方面，优质的课堂教学又能够保障实验教学中设计成果的质量，提高学生自主学习、动手与创新能力，实现一种良性循环的教学模式。

2 典型应用

轨道交通信号基础专业课主要介绍铁路信号相关基础设备[12]。内容涵盖了信号机、转辙机、安全型继电器等保证行车安全、提高运输效率的关键专用设备。学习这些设备的重点是掌握它们的主要结构和工作原理。以下是采用SolidWorks和VB.NET对轨道交通信号设备进行虚拟仿真的典型应用。

2.1安全型继电器动作原理仿真设计

以安全型继电器的教学为例，传统教学方式是书本教学并通过图片演示讲解，最后进实验室进行实物操作，教学内容枯燥、效果不够理想，学生对新知识的理解速度较慢。因此，在这门课的教学过程中，可以通过理论讲解和实验操作，使学生了解安全型继电器的主要结构与工作原理。之后引导学生采用3D绘图软件，根据安全型继电器实物，在电脑上1:1绘制安全型继电器的各个零件模型，并进行组装以及工作原理的视频展示。在这一过程中能进一步巩固所学的专业知识，并能积极主动的学习3D绘图软件和视频剪辑软件等。

图1是基于Solidworks的JYJXC-135/220型有极继电器动作原理演示。通过在线圈上施加不同极性的电压，演示该继电器的动作过程与动作原理。

图1 JYJXC-135/220型继电器的动作原理演示

本设计可通过课程设计、开放性实验或毕业设计的形式来完成，设计结果为一个虚拟的安全性继电器以及其各零件展示与动作过程的动画展示。通过该设计有助于加深继电器相关知识的理解，为接下来的其他专业课程打下基础。另外，学生能够学以致用，改变被动的学习方式，扩展知识面，提高自学与应用知识的能力。本设计也可扩展为转辙机的虚拟仿真设计。

2.2进站信号机的显示制度仿真设计

轨道交通信号基础课程中，信号机的显示制度是一个重点，尤其是进站信号机的显示及其意义，另外进站信号机的开放与否与站内联锁相关。因此，结合车站联锁的相关知识，可以完成一个模拟列车进站的仿真程序设计。具体步骤如下：

（1）利用VB.NET中的GDI+功能，绘制一个简略的车站站场图界面，如图1所示。其中X为下行进站信号机，SⅠ、S2、S3为各股道的上行出站信号机。各信号机旁均设置一个控制按钮用于进路的选排。

（2）根据选排的进路以及站内联锁，在确保站内安全的情况下，控制进站信号机给出相应的灯光显示。

（3）通过轨道上“红光带”的移动，实现模拟接车。另外可添加总取消、总人解、单独操纵道岔、侧线出站、引导接车等功能。

设计结果如图2所示。本设计模拟计算机联锁的控制台界面，实现了进路选排、进站信号机显示和模拟接车功能。在设计过程中，可使学生深入理解进站信号机的显示制度，又能掌握计算机联锁系统软件编程的逻辑与方法。设计成果可用于轨道交通信号基础的课堂教学中，生动展示列车进站时的各种情况，提高教学质量。

图2 列车进站仿真设计

3 结束语

将虚拟仿真技术引入到轨道交通信号基础课程的教学中，是一种教学观念的改变，能够将被动学习转变为自主学习与自主创新。虚拟仿真的过程能使学生增加学习的动力与兴趣。同时，设计成果的演示又可丰富教学内容，代替简单的书本讲解，提高教学质量。可形成一种良性循环的教学模式。将虚拟仿真技术引入到轨道交通信号与控制专业的课程中，不断推进实验室发展与实验教学改革，是教学发展的必然趋势。

[1]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.

[2]彭敬东，龚成斌，马学兵.虚拟仿真实验在化学教学中的作用——以西南大学化学化工虚拟仿真实验教学中心为例[J].西南师范大学学报(自然科学版)， 2017.

[3]雷冬，朱飞鹏，殷德顺.力学虚拟仿真教学实验室建设的探讨[J].实验技术与管理，2014.

[4]程思宁，耿强，姜文波.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理, 2013.

[5]杨丹聃，王志飞，王艳玲.基础医学虚拟仿真实验模式探究[J].实验技术与管理，2017.

[6]姚舜才，李晓，刘长明.对特设专业——“轨道交通信号与控制”专业建设的几点思考[J].教育教学论坛，2015.

[7]刘伯鸿.轨道交通特色专业人才培养课程体系的改革与研究[J].科教文汇(下旬刊)， 2013.

[8]叶果.轨道交通虚拟仿真实验教学中心建设探讨[J].中国管理信息化，2015.

[9]穆中华.城市轨道交通CBTC仿真教学系统研发[J].中国铁路, 2012.

[10]武超群，鲍宇.轨道交通运营调度仿真实验教学平台研究[J].现代企业教育，2013.

[11]王怀松, 陈荣武.基于三维视景的列车运行仿真平台的研究与实现[J].系统仿真技术，2016.

[12]林瑜筠, 魏艳, 赵炜.城市轨道交通信号基础设备[M]. 中国铁道出版社，2012.

武汉市教育科学“十三五”规划2016年度规划课题（2016C230），湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目“智能交通和物流的优化与决策”（T201828）。