轨道交通虚拟仿真实验教学资源共建共享实践

朱 军，华 晶，皮大能，于 俊，江 波

(1.湖北师范大学 电气工程与自动化学院，湖北 黄石 435002；2.大冶市第六中学，湖北 黄石 435102)

0 引言

随着我国城市化进程逐渐加快，道路交通拥堵问题日益凸显，发展大运量快速轨道交通系统来解决道路交通问题已成业内人士的共识。目前，我国的轨道交通建设正面临史无前例的高潮。北京、上海、广州等大中城市每年都以40～50千米里程、百亿元以上的投资速度推进，相当多城市已获批正在进行地铁、轻轨等轨道交通的建设[1～3]。这就需要作为人才输出大户的高校来培养更多合格的专业人才，其运营调度水平、后勤保障能力、突发事故处理能力等，能够满足当前轨道交通对安全性、准点率、大运量、高密度等指标的严苛要求。虚拟化实验教学改革的意义在于能够利用有限的硬件资源，使学生的触角能够被无限放大，在有限实物空间与无限资源之间搭建桥梁，在理论与多样化、复杂化实践之间搭建桥梁。由于地方高校资源有限，将铁路线、车辆、轨旁设备等实物纳入到实验室规划中代价非常高昂，而且有些故障类实验不能在奔驰的列车或上电的轨道上进行，这会将学生、乘客、车辆置于危险当中。再有就是当现场教学受到制约，如新冠疫情爆发等突发事件冲击仍需停课不停学时，虚拟仿真实验平台就能起到关键作用，而老牌铁路院校也肩负引领带头使命，把这一专业做大做强，这些因素都增加了地方高校与老牌强校之间虚拟仿真实验教学资源共建共享合作的可能性与可拓性[4～8]。

1 课题来源

2016年，在“轨道交通信号与控制”专业教学指导委员会工作组会议的基础上，由北京交通大学轨道交通控制研究所教学团队牵头、北京工业大学城市交通学院交运运输工程系、北京联合大学自动化学院交通工程系共同发起成立全国轨道交通信号与控制专业虚拟教研室。以课程建设、实验资源、教材共建和师生竞赛为主要活动内容的、全国范围内组织的广义教学研究室，主要通过开放课题、线上会议、线下互访、微信平台等形式开展工作。虚拟教研室的建设目标是对接国家“一带一路”和中国高铁走出去的战略需求，在响应国家自主创新的号召下，援助不同类型高校轨道交通信号与控制专业的建设，促进全国本专业人才培养的健康发展，助力教育部一流本科专业“双万计划”的建设[9～11]。在2017年全国轨道交通教指委会议上，包括湖北师范大学在内的全国30所高校达成了实验教学资源共享合作意向协议，开始开展虚拟仿真实验教学资源的共建共享尝试。会上还就卓越工程师系列教材分享、MOOC课程建设与使用、设立开放课题等做了探讨。

随着前述工作的展开，陆续立项建设了19项实验教学开放课题，包括湖北师范大学“轨道交通信号与控制专业实验教学虚拟化资源共建共享研究”课题。依托该课题，开展了轨道交通专业虚拟仿真资源共建共享的探讨，并以此为契机推进虚拟教研室成员单位间的共建互访，加强专业课程建设、实验技术人才培养、实验教学成绩互认以及学分互转机制等方面的合作。

2 实践方案

轨道交通虚拟仿真实验资源共建共享方案如图1所示。共包括四个方面的内容，第一部分是国家虚拟仿真实验项目系列，包含列车运营系统虚拟仿真实验、列车运行控制虚拟仿真实验、城轨CBTC虚拟仿真系列实验三个子类；第二部分是系列实验课程、教材共建共享，包含中国大学MOOC《铁道信号综合实验》《电脑鼠原理与实践》等课程，以及高教铁道部系列规划教材、卓越工程师系列教材等；第三部分是轨道交通核心课程开放实验，主要包括车站信号自动控制在线实验、重载列车无线重联VR实验、行车调度指挥综合在线实验；第四部分是举办的系列师生活动、竞赛，包括组建全国轨道交通产教联盟、虚拟教研室成员高校师生之间的互动互访、央地高校之间的双培计划、AI电脑鼠走迷宫竞赛等。

图1 轨道交通虚拟仿真实验资源共建共享方案

3 课题开展

3.1 国家虚拟仿真实验项目

该项目按照新工科工程教育新理念的要求，采用以学生为中心，以产出为导向的培养模式，将行业最前沿的科研成果转化为实验教学内容。将虚实结合、线上线下共享服务理念，通过半实物系统仿真、虚拟系统仿真等形式进行实景展示，设计系列模块化、层次化、难度适宜的原创性实验模块。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、故障排除等环节，学生可进行自主实践，对实验方案进行设计开发或最优选择，并根据对前沿科研成果的探索与追踪，使用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、多成员间多角色的切换与任务协同，培养学生解决具体复杂工程问题的能力。项目线上网址为http://rtccvsec.bjtu.edu.cn/learn，包括以下三个栏目的实验均能在该网址找到对应内容，如图2中的登陆界面。

3.1.1 列车运营系统虚拟仿真实验 如图3，漫游实验可以角色扮演方式在铁路线上巡查，铁路旁设有铁路知识培训员和铁路知识考核员，通过他们可以到达更多的实验场景。在基本课件里共有课件22套，采用计算机三维建模技术，以动画、图片、声音、文字等多媒体形式直观生动地展示了铁路线路、客货运车辆、行车控制信号、接发车操作、设备检修等资料及技术。成品课件里包括CRH1动车组检修及仿真、电力机车劈相电机、超限超重货物运输、高速桥隧及道口、接触弓网、LKJ车速控制等多媒体培训课件86套，内容丰富、全面、专业性强，是师生不可多得的第一手关于轨道交通现场作业规范、标准及技术资料。

图2 实验漫游任务登陆界面

3.1.2 列车运行控制虚拟仿真实验 该实验平台提供开放的仿真环境，可通过模块化的设备组成及软件结构向学生提供轨道交通列车运行控制系统的开发环境，实现学生独立开发系统功能模块，并在环境中进行验证。仿真环境一主要包括允许速度记录显示模块、控车信息处理模块、地面信息控制模块、列车模拟驾驶模块、人机交互模块等，可完成应答器报文组帧、CTCS-2 级列控系统行车许可使用等仿真实验如图4所示。

图4 CTCS-2级列控系统行车许可使用实验

仿真环境二主要包括应用服务器、Web后台管理两部分构成，学生可以在任意安装“UnityWebPlayerFull”插件及“Flashplayer for Firefox”插件的计算机上进行Web访问实验。如图5所示，实验利用虚拟仿真方式，提供CTCS-3级列控系统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，并以三维可视化仿真的方式展现出来，系统主要包括并支持无线闭塞中心(RBC)、列控中心(TCC)、临时限速服务器(TSRS)、EI32-JD型计算机联锁、ZPW-2000A轨道电路、S700K型道岔6类信号设备及9个铁路专用仪器仪表原理、操作及故障排除等仿真实验内容。

仿真环境三将列车三维视景、列车驾驶台等内容以虚拟仿真的方式展现出，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、模拟驾驶等实验内容，仿真列车对象包括高铁CRH380列车与城铁DKZ33列车。在互控教学模式情景下，CTCS-3级列车运行控制系统目视行车模式如图6所示，能模拟司机启停列车的操作过程，驾车途中视野广阔、风景壮观，并有动感穿越的音乐相随。

3.1.3 城轨CBTC虚拟仿真系列实验 城轨CBTC虚拟仿真系列实验通过基于浏览器访问的WebATS完成结构及功能认知实操、联锁通信分析验证、移动授权算法分析、轨旁车载设备故障应对等实验内容。软件界面、操作方法及故障应急处理流程与现场基本一致，可以对关键设备进行设置，实现无缝替换与通信控制，图7为城轨CBTC轨旁设备故障应对实验场景。

图6 CTCS-3级列控目视行车模式

3.2 系列实验课程、教材

3.2.1 中国大学MOOC《铁道信号综合实验》 如图8所示，该课程依托北京交通大学国家级轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心，构建了虚拟仿真类、设备类、系统类三类线上虚拟仿真实验资源。该项目来自于北京交通大学自主研发的国际最前沿科研成果，属于国内第一套具有完全自主知识产权的基于通信的列车控制系统，按照虚实结合的仿真方式设计了列车通信控制、列车模拟驾驶、列车自动防护三个模块化的多维共享开放实验场景，各场景可以仿真现有系统无法安全实验或再现的实验。设备类综合实验包括轨旁与车站设备类实验，轨旁设备包括应答器点式地-车通信系统与机车信号连续式地-车通信系统，车站设备包括分散自律调度集中系统、计算机联锁系统和信号集中监测系统；系统类综合实验以高速铁路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进行学习与操作。课程教材已经出版并发放给虚拟教研室成员学校，2020年03月01日至06月30日慕课开课时段处于新冠疫情爆发时期，解决了实验课程无法现场上课的问题，在深度和广度上有些内容还有延申。课程网址为https://www.icourse163.org/course/NJTU-1207235805.

3.2.2 中国大学MOOC《电脑鼠原理与实践》 该课程作为理工科等所有专业的选修课，重在学以致用，使学生熟练掌握应用机电、传感、编程、人工智能等技术的电脑鼠传感原理与驱动原理，能够在现有的硬件平台上不断优化设计电脑鼠底层与顶层算法，并熟练使用嵌入式开发软件对程序进行调试。重点掌握测距传感器与电机驱动工作原理与控制方法。通过课程学习可以加深学生对微机原理与接口、检测技术、运动控制技术、电子技术、人工智能等技术的综合运用，进一步加强学生所学理论知识与实践的结合；同时学生通过对电脑鼠原理的学习与实践动手调试，增强学生实践动手能力。该课程的一个重要特色是学生可以在没有电脑鼠硬件及迷宫的情况下，完成学习和仿真任务，在网上实现电脑鼠走迷宫的测试与比赛，目前已推荐给湖北师大轨道交通专业1804班同学们自由选课，课程网址为https://www.icourse163.org/course/NJTU-1461159169.

3.2.3 高教铁道部规划教材、国家卓越——工程师系列教材 到目前为止，已由全国轨道交通虚拟教研室成员单位共同编写建设普通高等教育铁道部规划教材7本，如《列车运行控制系统》由北交大唐涛教授主编、《铁路信号基础》由西南交大郭进教授主编等。共同编著卓越工程师系列专业教材4本，如《轨道交通信号与控制综合实验》由北交大戴胜华等教授编著等。共同编著城市轨道系列专业教材6本，如《城市轨道交通信号基础设备》由兰州交大林俊亭副教授、《城市轨道交通信号综合实验》由同济大学欧东秀等教授编著等。其中《铁路信号基础》《车站信号自动控制》等已作为教材选用授课多年，教学效果良好。

3.3 系列课程开放实验

3.3.1 车站信号自动控制在线实验 该在线实验通过虚拟现实技术、计算机多媒体技术开发了包括计算机联锁全部逻辑功能在内的虚拟仿真系统，能够提供列车接车、发车及通过作业、站内调车作业与折返作业等功能，同时设计联锁操作、模拟行车、故障处理等实验项目。实验车站设3条正线、2条到发线，衔接4个方向，张庄、赵村方向为单线半自动闭塞，赵村方向进站为超过6‰的下坡道，北京、广州方向均为双线双向四显示自动闭塞。系列课程开放实验线上网址为http://rtccvsec.bjtu.edu.cn/learn，进入课程需要采用指定的浏览器、插件及实时远程许可。

3.3.2 重载列车无线重联VR实验 重载运输铁路是当前世界货运铁路的发展方向，重载组合列车的无线重联同步控制是一项非常关键的技术。为解决机车远程分布动力牵引控制问题，突破国内机车无线重联同步控制技术发展瓶颈，开发了无线重联控制系统。由于此项技术的先进性以及复杂性，常规的实验手段无法满足实际需要，通过针对重载列车无线重联技术的虚拟仿真系统，完全可以满足复杂设备结构原理展示以及操作流程模拟的需求，如图9所示。

图8 中国大学MOOC《铁道信号综合实验》

3.3.3 行车调度指挥综合在线实验 行车调度指挥在线实验利用网络服务的方式，提供行车调度指挥自动化系统的仿真环境。利用该虚拟仿真系统，能够提供调度中心信号流仿真、车站值班模拟和系统故障模拟等功能，设计列车接发车仿真实验、进路办理实验等实验项目。

3.4 举办的系列师生活动、竞赛

3.4.1 全国轨道交通产教联盟建设 该联盟是由全国性教育与科研部门及铁路行业高校、职业技术学院、各地方路局集团公司、实训基地和各类轨道交通企业等单位自愿参加的全国性行业组织，在中国通信工业协会的组织下开展工作的。受中国通信工业协会的领导和监督管理。联盟宗旨是为高校及职业技术院校和企业提供合作对接服务，为政府和社会提供人才培养服务，推动我国轨道交通技术应用专业健康发展。主要发起者为北京智联友道科技有限公司、北京交通大学、北京通号公司等单位。

3.4.2 师生互动互访、双培计划 2014至2015年期间，依托“轨道交通信号与控制专业”教学指导组工作会议，在北京、山东等地举办了多期轨道交通师资培训班。2016年，由北京交通大学、北京工业大学、北京联合大学发起成立虚拟教研室，加上北京交大“双培计划”的支持，各高校之间逐步开展课程建设、创新竞赛、校际互访。“双培计划”是一项由在京中央高校与各高校共同培养人才的举措，参与该计划的学生，可到中央高校学习2到3年，2015年已在京投放约2000个名额，惠及16个区县的学生。

3.4.3 AI电脑鼠走迷宫竞赛 国内从2009年开始举办该赛事，至今共成功举办了3届，国际电工和电子工程学会(IEEE)每年都要举办一次国际性的电脑鼠走迷宫竞赛。2012年全国有北京、上海、南京等12个赛区的300余所高校近500支参赛队伍，总决赛在北交大举行。2020年北交大举办了线上竞赛并进行了bilibili直播如图10所示，图中深色标志物为电脑鼠。同学们参与踊跃，反响热烈。

图10 电脑鼠走迷宫线上竞赛

4 课题建设成效

从2017年协议签订三年多以来，该课题较大程度地缓解了前期教学单位面临的实验资源短缺、线下课程无法开展的难题，同时也产出了一些可喜的成效。经初步统计，轨道专业的基础课程《铁路信号基础实验》以往由于设备经常故障导致实验开出率只有不到50%，当前通过引入线上VR实验开出率可达90%以上。2020年上学期开展线上授课期间，对于教师即时提出的线上问题，学生10秒内抢答率达到72%，图11为线上课堂教学时学生抢答表现的统计记录。从抢答题数、抢答耗时统计出了课堂表现最积极的前十学生名单，从而将其作为平时表现成绩的一部分。学期末统计，线上章节任务点平均完成进度85.7%，作业平均完成率77%，全班40人学期末课程综合成绩在90分以上者5人，70～89分34人，60～69分1人，取得了较为理想的效果。

5 结语

采用虚拟仿真手段进行实验教学作为高校实践类教学改革和发展的一个重要方向，具有很多传统教学方式无法比拟的优点：一是通过取代昂贵的实验设备，优化了高校教学资源配置；二是通过共建各方不同资源的互联共享，拓宽了教学资源广度；三是能模拟危险度高的实验，如列车超速实验、重载实验等；四是在准备得当的情况下，实验可以不受场地、时间等条件限制，方案灵活。当前课题还有待解决完善的问题是：1)由于发展时间较短，实验项目是跨平台、跨区域进行，各实验平台对于学生的学习成果、积分等统计手段尚不完善，量化指标等需细化；2)目前学习效果只能通过进度显示、抢答、作业、期末实验报告等方式来评判，各单位间难以形成一套共同的考核制度；3)共建成员所在高校对跨平台、跨主体的虚拟实验教学资源的共建共享重视力度还需加强，对责任教师投入的工作量管理考核、绩效评价制度等还需完善。