轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心建设与实践

李正交，戴胜华,2，周 兴，陈拥军

轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心建设与实践

李正交1，戴胜华1,2，周 兴1，陈拥军1

（1. 北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044；2. 北京交通大学 教务处，北京 100044）

在我校国家级轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心建设过程中，利用现代信息技术和半实物仿真技术，构建了虚拟仿真类、半实物设备类、半实物系统类虚拟仿真实验资源，形成了以学生为中心、以产出为导向的教育理念，按照协同化、多元化、个性化的实验教学方法，建设了虚实结合、线上线下资源共享的教学模式，为多专业、多学校、多地区间实验教学资源共享服务奠定了基础。

轨道交通；通信与控制；虚拟仿真；实验教学

随着以高铁为代表的中国铁路逐渐走向世界，轨道交通行业对人才的需求日益增加，轨道交通类专业办学规模日益扩大，教育部发布的《普通高等学校本科专业目录（2012年）》新增了“轨道交通信号与控制”专业。截至2018年，我国开设轨道交通信号与控制专业的本科院校由传统的10余所发展至现在的近80所。新开专业院校增多，以及轨道交通行业的特殊性，使轨道交通类专业在开展实验实践教学过程中面临许多困难和挑战[1-5]，主要包括：（1）轨道交通类实验内容往往是真实实验设备无法开展、甚至有可能危及行车或学生自身安全的实验，如轨道交通事故再现与分析、列车运营场景切换与更替、列车不同速度等级下无线信道的变换、列车运营过程中电磁环境的变换等；（2）部分轨道交通类实验设备成本高、占地大，在有限的实验空间和经费条件下，无法购买和存放多台套同类实验教学设备，而单台套多轮次开展实验，又无法满足大范围、多人次、同时段的实验教学要求；（3）新开设轨道交通类专业的院校，往往存在实验资源紧张情况，部分院校还存在重实验教学设备采购而轻实验内涵建设问题，原创性不足，且缺乏统一的标准与规范。随着教育信息化进程的推进，依托现代信息技术开展虚拟仿真实验教学中心建设，是高校实验教学改革的必然发展方向，它能够实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，为多专业、多学校、多地区间实现实验教学资源共享提供可能[6-9]。

1 虚拟仿真实验教学中心建设概况

虚拟仿真实验教学中心建设是高等教育信息化建设的组成部分，是实验教学示范中心建设的重要内容[9-10]。为了有效解决轨道交通真实设备实验教学遇到的各种困难，实现轨道交通通信与控制类专业各高校间跨区域实验资源共享，我校轨道交通信号与控制专业在原有的国家级实验教学示范中心基础上，以轨道交通电磁兼容为基础，以车地无线数字通信为手段，以安全高效控制列车为目标，利用现代信息技术和半实物仿真技术，构建了高度仿真的实验环境和实验对象，并在虚拟仿真实验教学资源、管理和共享平台、教学和管理队伍及管理体系等方面进行了持续建设与改进。

我校轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心结合轨道交通通信与控制相关课程与实验体系建设，完成了大量本科生实验教学任务。中心重点围绕提高实验的数量与质量、可配置性、共享程度等方面开展深化建设，努力建成数据源于现场、功能等同现场、实验项目可自由配置、实验共享开放程度高的轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心。2015年1月，我校轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心入选国家级虚拟仿真实验教学中心，其中“轨道交通列车运行控制虚拟仿真实验项目”于2018年5月入选教育部首批国家虚拟仿真实验教学项目。

2 虚拟仿真实验教学中心资源建设

我校轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心建设目标明确，建设基础深厚。中心贯彻“故障导向安全、技术紧跟前沿、平台力求原创、科研融入教学、原理工程并重、资源高效开放”的建设理念，通过与中兴通讯、交控科技、美国ANSYS公司及多个铁路局与城市轨道交通公司等研发及运营单位合作，以轨道交通电磁兼容为基础，以车地无线数字通信为手段，以安全高效控制列车为目标，将最新的科研成果转化为实验教学内容，初步形成虚拟仿真、半实物设备、半实物系统3类虚拟仿真实验资源（见图1）。其中，面向校内开放近200项实验项目，面向校外实现资源共享开放项目达100余项。

图1 虚拟仿真实验教学中心资源建设

2.1 轨道交通列车运行控制虚拟仿真类实验资源

轨道交通列车运行控制虚拟仿真类实验资源以虚拟仿真的形式实现线上资源共享，主要包括4个实验模块。

（1）列车运行控制虚拟仿真实验模块。基于轨道交通列控系统开发而成，将系统中关键信号设备及仪器仪表的结构组成、工作原理、设备操作、常见故障处理等内容以三维可视化仿真方式展现出来，学生可操作观看现场或实验室无法完整再现的应用情境，便于学生全面掌握信号系统开发、运营与维护的全过程。

（2）列车运营控制虚拟仿真实验模块。基于高速铁路车务、机务、工务、电务、车辆5大系统，将铁路各工种现场实际上岗考核、作业、设备故障排除、事故救援等流程以三维可视化仿真方式展现出来，学生结合各工种现场劳动安全规范进行设备与流程的操作与观看，再现现场难以复现或开展、危及行车安全、综合集成难度大的应用情境，便于学生全面掌握轨道交通运营系统各工种的专业基础知识。

（3）列车自动监控虚拟仿真实验模块。通过基于浏览器访问的WebATS完成对城市轨道交通列车自动监控系统的认知实操、分析验证、算法分析、故障应对等实验。软件界面及操作方法和功能与现场基本一致，可对关键设备进行灵活设置，实现无缝替换与通信控制。

（4）列车自动防护虚拟仿真实验模块。通过模块化的软件结构向学生提供列车运行控制系统VBA的开发环境，实现学生独立开发系统功能模块，并能够在环境中进行算法验证，完成列车限制速度绘制、移动授权生成与使用、应答器报文组帧等仿真实验。

2.2 轨道交通半实物虚拟仿真设备类实验资源

轨道交通半实物虚拟仿真设备类实验资源，是在轨道交通列控系统中车载设备、地车通信设备、地面设备3类实物设备基础上，利用虚拟仿真技术进行二次开发而成的，供本科生按照设备认知、原理学习、数据交互、故障排除4个层次进行综合实验（见图2）。

图2 轨道交通半实物虚拟仿真设备类实验资源架构

（1）车载半实物虚拟仿真实验设备。将列车三维视景、列车驾驶台、故障注入等内容以半实物和虚拟现实两种方式进行展现，为实验者提供轨道交通列车运行控制系统关键子系统的运营操作、模拟驾驶和故障排查等实验内容。

（2）地车通信半实物虚拟仿真实验设备。以应答器点式地-车通信系统与机车信号连续式地-车通信系统为基础，辅以虚拟仪器技术而搭建，模拟地车信息生成、传输及处理过程。学生在此系统基础上，能够从算法验证到信息传输全过程，全方位、透明地开展专业技能实验及工程实践实验，增强自身专业实践能力和实际动手能力。

（3）地面半实物虚拟仿真实验设备。以分散自律调度集中、计算机联锁、信号集中监测现场真实设备为基础，并融入半实物仿真形式，对现场非开放功能进行功能再现及二次开发而成的，用以产生轨道交通站场室内外设备正常工作信号或故障信号。使学生在进行实操实验的同时，能够了解各设备工作原理及控制信号的正常特性与故障特性，并能够根据故障信息查找可能原因，培养学生自主学习能力及解决复杂工程问题能力。

2.3 轨道交通半实物虚拟仿真系统类实验资源

轨道交通半实物虚拟仿真系统类实验资源以高速铁路CTCS-3级列控系统、城市铁路CBTC列控系统为原型，利用半实物虚拟仿真技术，在实验中心有限环境空间下再现系统级列控系统，实现在同一时刻同一区域对系统级列控系统的学习和操作（见图3）。

(1)高速铁路CTCS-3虚拟仿真实验系统。利用半实物仿真方式，提供高速铁路CTCS-3级列车运行控制全系统的虚拟仿真实验环境，并能够按照真实的列控系统进行正常通信、控制与操作，完整复现列车作业、调车作业全过程。同时，根据实验及现场实操要求，可对相关设备进行故障设置，实现典型列车事故、典型设备故障等情境的设置与复现。根据列控原理、实操仿真、故障设置及恢复等功能，使学生在列控系统的学习过程中，进一步将理论知识与实际操作结合起来，并能够在实际的列控系统运行环境中，通过软件开发、操作实习和故障排查等实验项目，深刻理解列车运行控制系统的工作原理。使学生能够在学习CTCS-3级列车运行控制系统运营过程的同时，观察可能发生或已经发生的事故，重视信号安全问题，培养学生的安全意识、创新意识和实践动手能力。

图3 轨道交通半实物虚拟仿真系统类实验资源架构

（2）城市铁路CBTC虚拟仿真实验系统。利用半实物仿真方式，提供城市铁路CBTC列车运行控制全系统的虚拟仿真实验环境，能够提供CBTC系统关键设备仿真、系统实际操作和系统故障模拟等功能。依托本系统设计的实验，能够使学生在城市轨道交通列控系统的学习过程中，进一步将理论知识与实际操作结合起来，并能够在实际的CBTC列控系统运行环境中，通过仿真实验、操作实习和故障排查等实验项目，深刻理解城市轨道交通CBTC系统的工作原理和操作方法，提升学生发现问题、解决问题的能力。

3 虚拟仿真实验教学的理念和方法

我校轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心相关实验资源，按照新工科工程教育新理念的要求，采取以学生为中心、以产出为导向的思维模式，将行业最前沿的科研成果转化为实验教学内容，按照虚实结合、线上线下国际化共享服务的理念，通过半实物系统仿真、虚拟系统仿真两种形式进行实验展示，设计了虚拟仿真类、半实物设备类、半实物系统类原创性实验模块[11-12]。相关实验项目可以仿真现有设备无法安全实验或再现的场景，通过设备认知、原理学习、数据交互、故障排除等多个实验环节，学生可对实验方案进行自主设计开发与最优选择，并根据对前沿科技的探索与追踪，再辅以现代信息工具，对实验结果进行评估与验证，从而胜任多任务及多成员间多角色的切换和任务协同，培养学生解决具体复杂工程问题的能力。

中心提出了协同化、多元化、个性化的实验教学方法[13]，努力形成以学生为中心的基于产出的OBE实验教学模式，突出对学生自主实践能力和探索精神的培养。以轨道交通CTCS-3级列控系统虚拟仿真实验的故障排查实验为例，在实验内容设计方面，以实际工程问题为出发点，融入科学理论分析方法，体现基于原理的工程应用，实现科学与工程的协同化；在个性化方面，学生可根据个人兴趣，对支持相同毕业要求指标点的不同实验场景进行选择，如车载故障场景、地面故障场景、通信故障场景等。尽管学生选择了不同的场景，但实验过程中教师会通过对列车运行控制系统关键仿真设备和仿真线路数据灵活设置相关故障，而形成类似的复杂工程问题。教师并不是直接解答学生在实验中遇到的问题，而是给予原理性或方法性的引导与启发，学生则需要根据各关键设备反映出的故障现象，结合相应的理论知识及使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，来对问题进行分析研究，从而给出多元化的解决方案（见图4）。

通过问题的设计、分析和解决环节，使学生在仿真过程中能够发现故障、记录故障现象、查找故障原因并最终进行故障恢复，实现融知识传授、能力培养、素质教育于一体，使学生在学习中汲取知识的精华，在探究中领悟知识的真谛，在实践中感受知识的魅力。

图4 中心虚拟仿真实验教学方法示例

4 虚拟仿真实验教学中心的持续建设

实验中心依托国家级重点学科、国家级特色专业、国家首批卓越工程师计划专业、国家级实验教学示范中心、国家级科研平台、国家级工程实践教育中心、国家级教学名师和“万人计划”教学名师，开发了半实物与虚拟系统仿真两种虚实结合形式的实验系统，系统支持线上共享与线下开放实验。其中，“轨道交通列车运行控制虚拟仿真实验项目”于2018年入选教育部首批国家虚拟仿真实验教学项目。中心以此为契机，将重点围绕提高实验的数量与质量、可配置性、共享程度等方面开展深化建设，逐步完善实验内容，实现模块间系统级运行控制实验，同时不断提升教学水平，升级软硬件平台架构，提升平台开放服务的能力[14-15]。中心将从以下两方面不断扩大国家级虚拟仿真实验教学中心及国家虚拟仿真实验教学项目的示范辐射作用。

（1）响应国家倡议，面向“一带一路”沿线国家进行示范服务。以“互联网+”为驱动，对接“一带一路”和中国高铁“走出去”倡议，通过我校已建成的中美、中俄、中英3个国际联合高铁研究中心及我校牵头的中国-东盟轨道交通教育培训联盟、国家轨道交通培训与教育中心，优化实验中心云技术共享平台，实现网络资源服务的国际化发展，搭建服务国家战略的、具有多元办学格局的国际教育资源中心、实验中心和服务中心。

（2）紧跟行业需求，面向国内高校与业内企业进行示范服务。发挥教育部轨道交通信号与控制教学指导组主任单位的优势，面向全国近80所设立本专业的本科院校共享实验资源。目前已与28所高校签订了虚拟仿真实验项目成绩互认与学分转换共享合作意向协议。发挥我校轨道交通通信与信号专业优势，面向业内企业职工培训提供远程共享开放平台，实现实验教学资源更宽、更大范围的共享。

5 结语

我校轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心，以轨道交通通信与控制技术为基础，重点面向轨道交通信号与控制专业开展实验教学工作，在立足本校实验教学的基础上，服务国内外相关院校及企事业单位。中心多次应邀在全国性教学研讨会上介绍实验教学改革和师资队伍建设经验，同时多次承办教育部轨道交通信号与控制专业教学指导委员会年会和全国高校轨道交通信号与控制师资培训班，并做主题发言。中心接待了来自英国兰卡斯特大学、美国内华达大学、俄罗斯莫斯科国立交通大学、肯尼亚铁路局的同行，以及南京理工大学、郑州大学、兰州交通大学等20多所国内外大学师生，来校进行实验教学交流，同时承担了北京部分高校轨道交通信号与控制类实践教学和实习工作，发挥了广泛的辐射和示范作用。

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Construction and practice of virtual simulation experimental teaching center for rail traffic communication and control

LI Zhengjiao1, DAI Shenghua1,2, ZHOU Xing1, CHEN Yongjun1

(1. School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Academic Affairs Office, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

During the construction of the national virtual simulation experimental teaching center for rail traffic communication and control in the university, the virtual simulation experimental resources of virtual simulation, hardware-in-the-loop equipment and hardware-in-the-loop systems are constructed with the modern information technology and hardware-in-the-loop simulation technology. A student-centered and output-oriented educational idea has been formed. According to the cooperative, diversified and individualized experimental teaching methods, a teaching mode of combining virtual reality with online and offline resources sharing has been constructed, which lays a foundation for multi-specialty, multi-school and multi-region experimental teaching resources sharing services.

rail traffic; communication and control; virtual simulation; experimental teaching

U284；G482

A

1002-4956(2019)09-0186-05

2019-01-24

2017年度北京交通大学实验室研究课题（1701020100）；北京交通大学2017年校级教改项目（B类-29）

李正交（1986—），男，河南南阳，硕士，实验师，研究方向为轨道交通自动化与控制、实验实践教学。

E-mail: lizhj@bjtu.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.048