仿真沙盤在交通運(yùn)輸專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

洪 玲, 謝 超

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

0 引 言

近年來，交通運(yùn)輸行業(yè)在我國得到了空前發(fā)展，運(yùn)力結(jié)構(gòu)向大型化、專業(yè)化、高速化方向發(fā)展，交通運(yùn)輸企業(yè)也呈規(guī)?；H化發(fā)展趨勢。鐵路尤其是高速鐵路發(fā)展十分迅速，運(yùn)營里程不斷增加，但與此同時(shí)，我國交通運(yùn)輸專業(yè)人才卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)代交通運(yùn)輸業(yè)高速發(fā)展的需求。運(yùn)輸組織管理人才缺口逐漸擴(kuò)大，這極大地制約了高鐵運(yùn)輸組織水平的提高。據(jù)教育部調(diào)查顯示，交通運(yùn)輸專業(yè)畢業(yè)生大多到運(yùn)輸管理相關(guān)的政府部門、企業(yè)、科研等注重工程實(shí)踐的單位工作[1-2]。高?！白吭焦こ處熍囵B(yǎng)計(jì)劃”也將人才培養(yǎng)質(zhì)量的重心放到提高學(xué)生的實(shí)踐能力上[3-4]。

實(shí)踐教學(xué)作為交通運(yùn)輸專業(yè)人才培養(yǎng)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，在人才培養(yǎng)中起著至關(guān)重要的作用，因此，必須加強(qiáng)交通運(yùn)輸專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)，使理論知識與實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)其動手能力、創(chuàng)新能力，以適應(yīng)國家對交通運(yùn)輸人才需求的變化，更好地滿足社會需要[5-8]。

同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸專業(yè)卓越工程師(本科)特色課程體系以學(xué)生工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力與科學(xué)研究能力的培養(yǎng)為核心，著重工程實(shí)踐與科研能力訓(xùn)練。依托校內(nèi)(實(shí)驗(yàn)室)和校外(企業(yè))的各類資源，安排多類實(shí)驗(yàn)課、實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，配合課內(nèi)教學(xué)，使學(xué)生在校期間能夠得到充分的工程訓(xùn)練。在交通運(yùn)輸本科階段，通過優(yōu)化培養(yǎng)方案和著力貫徹執(zhí)行，努力將學(xué)生培養(yǎng)成具備健全人格、個性突出，具有綜合交通運(yùn)輸背景、軌道交通特色，掌握軌道交通領(lǐng)域的工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，具有系統(tǒng)運(yùn)營管理需要基本素養(yǎng)且擁有寬厚基礎(chǔ)、開闊視野、發(fā)展?jié)摿Υ?、?chuàng)新意識強(qiáng)的人才[9-10]。

目前，交通運(yùn)輸專業(yè)學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)存在的主要問題是，學(xué)生在現(xiàn)場實(shí)習(xí)中無法實(shí)際操作。根據(jù)學(xué)校教學(xué)計(jì)劃，交通運(yùn)輸專業(yè)學(xué)生要深入運(yùn)輸企業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場參觀和實(shí)際操作，由于鐵路運(yùn)輸行業(yè)運(yùn)輸任務(wù)重、安全責(zé)任大等特殊性，學(xué)生只能觀察現(xiàn)場作業(yè)，基本上沒有實(shí)際動手操作的機(jī)會，很大程度上限制了實(shí)習(xí)的效果。由于交通運(yùn)輸專業(yè)相關(guān)軟件模擬具有很大的局限性,必須擁有一定的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)設(shè)備[11]，因此學(xué)校利用985項(xiàng)目搭建專業(yè)仿真平臺來營造交通運(yùn)輸現(xiàn)場工作環(huán)境，由學(xué)生擔(dān)當(dāng)現(xiàn)場各崗位作業(yè)人員，按企業(yè)的實(shí)際規(guī)章制度和操作標(biāo)準(zhǔn)，模擬現(xiàn)場實(shí)際作業(yè)。

實(shí)驗(yàn)室軟硬件資源的完善程度是開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的保障。運(yùn)輸系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室作為我校交通運(yùn)輸學(xué)科的實(shí)驗(yàn)研究基地，引進(jìn)了國內(nèi)外先進(jìn)的軌道仿真沙盤系統(tǒng)。如何將其應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，結(jié)合現(xiàn)有運(yùn)輸組織仿真系統(tǒng)和現(xiàn)場實(shí)際功能，設(shè)計(jì)運(yùn)行控制與沙盤實(shí)時(shí)仿真一體的動態(tài)綜合演示實(shí)驗(yàn)，以充分發(fā)揮其教學(xué)效果，都是值得研究的課題。

1 運(yùn)輸系統(tǒng)仿真沙盤簡介

運(yùn)輸系統(tǒng)軌道交通仿真實(shí)驗(yàn)室新建仿真沙盤結(jié)構(gòu)如圖1所示。仿真沙盤系統(tǒng)包括列車運(yùn)行過程控制和列車運(yùn)行沙盤仿真兩個系統(tǒng)組成。

圖1 仿真沙盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

仿真沙盤是貨運(yùn)、客運(yùn)、場站、行車等平臺建設(shè)內(nèi)容的集中體現(xiàn)，表現(xiàn)形式分為靜態(tài)展示和動態(tài)演示兩部分。靜態(tài)展示能夠形象表示各類運(yùn)輸設(shè)施、設(shè)備的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)和細(xì)部；動態(tài)演示能夠根據(jù)各平臺下達(dá)的仿真計(jì)劃，通過轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)指令，完成列車在沙盤上的調(diào)度運(yùn)行控制，從而達(dá)到動態(tài)演示的目的。即通過對列車運(yùn)行計(jì)劃信息的接收、解析、轉(zhuǎn)化和反饋，以鐵路運(yùn)輸組織生產(chǎn)流程為主線，實(shí)現(xiàn)以列車動態(tài)運(yùn)行控制為核心的行車組織過程。

仿真沙盤系統(tǒng)的功能：

(1) 以鐵路運(yùn)輸組織生產(chǎn)流程為主線，實(shí)現(xiàn)以列車動態(tài)運(yùn)行控制為核心的行車組織和調(diào)度指揮模式的實(shí)體仿真；

(2) 通過對列車運(yùn)行計(jì)劃信息的接收、解析、轉(zhuǎn)化和反饋，在綜合沙盤上實(shí)現(xiàn)行車組織過程的動態(tài)演示，將已編制運(yùn)行計(jì)劃的列車運(yùn)行過程和控制過程進(jìn)行仿真展示；

(3) 生動展現(xiàn)客運(yùn)樞紐、客運(yùn)站、線路軌道與道岔、信號設(shè)備、列車等運(yùn)輸設(shè)施和裝備。

(4) 生動體現(xiàn)基于高速鐵路的CTCS-2和CTCS-3級的控制原理和實(shí)施方法。

綜合沙盤系統(tǒng)由沙盤模型、車輛模型、仿真控制系統(tǒng)以及仿真控制系統(tǒng)與沙盤模型的接口組成高速鐵路沙盤模擬系統(tǒng)，充分體現(xiàn)高鐵的功能特點(diǎn)。共分為軟件和實(shí)體沙盤兩大部分。實(shí)體沙盤長度約為35 m，寬度為1.2 m，面積約為42 m2，沙盤各部分總體區(qū)域布局如圖2所示：

圖2 實(shí)驗(yàn)室仿真沙盤布局圖

場站以滬杭高速鐵路為背景，實(shí)際線路全長158 km，設(shè)置虹橋站、松江南站、金山北站、嘉善南站、嘉興南站、桐鄉(xiāng)站、海寧西站、余杭南站和杭州東站共9個站點(diǎn)。沙盤的車站設(shè)置與實(shí)際一致，設(shè)9個車站，8個區(qū)間，1個停車場，線路以高架為主。

沙盤系統(tǒng)以微縮設(shè)備模擬線路軌道運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)線路上列車行車調(diào)度信號、指揮系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)的模擬實(shí)訓(xùn)；包含相應(yīng)軟件支持，能模擬演示信號故障，演繹行車規(guī)則，訓(xùn)練行調(diào)和值班站長對事故處理的能力；能真實(shí)顯示出操作列車運(yùn)行圖、列車閉塞；道岔能電控，庫內(nèi)調(diào)車，按進(jìn)路式逐段開通進(jìn)路，分別以調(diào)車信號機(jī)、車擋或X為分界點(diǎn)，車站設(shè)進(jìn)出站信號機(jī)。

2 沙盤在專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的主要應(yīng)用

為使學(xué)生能全面了解軌道交通運(yùn)輸組織的各類作業(yè)以及熟悉相應(yīng)的操作，設(shè)計(jì)開發(fā)結(jié)合沙盤實(shí)時(shí)仿真的新實(shí)驗(yàn)以及對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充拓展。

2.1 設(shè)計(jì)開發(fā)新實(shí)驗(yàn)

2.1.1高鐵管控一體化實(shí)驗(yàn)

在現(xiàn)場工作中，利用計(jì)算機(jī)指揮調(diào)度行車工作已經(jīng)是列車運(yùn)行控制技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[12-13]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)體系的要求，設(shè)計(jì)仿真沙盤行車部分的列車運(yùn)行仿真的整體框架如圖3所示。

從該框架可以看出，沙盤控制系統(tǒng)按照下達(dá)的運(yùn)行計(jì)劃，通過控制沙盤上列車的起停、道岔的轉(zhuǎn)換、信號機(jī)的顯示、進(jìn)路光帶的表示、軌道電路的供電等操作，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行，并在計(jì)劃執(zhí)行過程中不斷將獲取的軌道電路、信號機(jī)、道岔、列車等系統(tǒng)狀態(tài)信息通過接口實(shí)時(shí)反饋至調(diào)度指揮仿真系統(tǒng)。沙盤可提供列車運(yùn)行過程控制與調(diào)整、調(diào)度員的培訓(xùn)、運(yùn)營計(jì)劃的制定、控制和調(diào)整、列車運(yùn)行過程顯示、相關(guān)運(yùn)營指標(biāo)輸出等功能于一體的鐵路CTC仿真環(huán)境。

圖3 行車部分運(yùn)行仿真架構(gòu)圖

因此，通過采集滬杭高鐵現(xiàn)場線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立擴(kuò)充線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，結(jié)合高速鐵路管控一體化仿真系統(tǒng)軟件，設(shè)計(jì)符合運(yùn)輸組織現(xiàn)場實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括：①編制行車計(jì)劃；②編制站線使用計(jì)劃；③調(diào)整車站及區(qū)間線路使用情況；④鋪畫列車運(yùn)行圖，可以單人單機(jī)實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行列車運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整、列車運(yùn)行調(diào)度指揮等多人多機(jī)多崗協(xié)同實(shí)驗(yàn)。

2.1.2模擬駕駛

列車駕駛模擬子系統(tǒng)模擬CRH2和CRH3型動車駕駛臺的顯示和操作功能，具有與現(xiàn)場一致的操作界面。通過采用虛擬成像技術(shù)與投影顯示設(shè)備實(shí)現(xiàn)視景仿真，采用運(yùn)動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)司機(jī)室的動感仿真，采用聲音仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)聲音模擬，通過網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的分布式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)交互仿真系統(tǒng)。并且與仿真沙盤和列車控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)計(jì)算、控制、操控、實(shí)物演示的一體化。模擬駕駛操作臺能接收到沙盤列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)視頻圖像。學(xué)生通過安裝在計(jì)算機(jī)上的模擬駕駛軟件，體驗(yàn)列車駕駛員的感受。通過設(shè)置并模擬各種事故與突發(fā)事件，培訓(xùn)學(xué)生在異常情況下的故障判斷和排除等應(yīng)急處置能力。

2.1.3車底組數(shù)試驗(yàn)

在運(yùn)行圖試運(yùn)行的基礎(chǔ)上，進(jìn)行配合線路能力的運(yùn)能實(shí)驗(yàn)，在不同運(yùn)行方案基礎(chǔ)上試驗(yàn)車底需要數(shù)，以尋找和檢驗(yàn)需求和運(yùn)能的匹配性。

2.1.4應(yīng)急處置

在模擬駕駛以及調(diào)度指揮中進(jìn)行應(yīng)急故障設(shè)置與模擬處理，以及非正常情況下行車事故的虛擬仿真演練：對于不同事故故障條件下的行車調(diào)度指揮應(yīng)急演練，并對各種突發(fā)狀況形成有效預(yù)案。

(a)

(b)

2.1.5軌道交通設(shè)備認(rèn)知實(shí)驗(yàn)

(1) 線路基礎(chǔ)設(shè)備認(rèn)知實(shí)驗(yàn)。了解車場、線路、道岔種類，道岔工作原理等；

(2) 機(jī)車車輛設(shè)備認(rèn)知實(shí)驗(yàn)。了解機(jī)車車輛車體、底架、走行部、車鉤緩沖裝置和制動裝置；

(3) 通信信號設(shè)備認(rèn)知實(shí)驗(yàn)。了解閉塞分區(qū)、信號聯(lián)鎖等概念及工作原理。

通過對以上新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)開發(fā)，仿真沙盤這一支撐交通運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的應(yīng)用，使得學(xué)生在校期間能夠得到充分的實(shí)踐訓(xùn)練，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的完整性和系統(tǒng)性，有利于培養(yǎng)具有綜合運(yùn)輸系統(tǒng)思想的創(chuàng)新型工程應(yīng)用與研究型交通運(yùn)輸專業(yè)人才。

2.2 拓展現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.2.1RailSys實(shí)訓(xùn)運(yùn)行圖試運(yùn)行

德國的RailSys軟件系統(tǒng)具有新線和既有線列車時(shí)刻表的編制、對軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施狀況進(jìn)行評估、對正常和異常事件下列車運(yùn)行圖可靠性進(jìn)行分析以及對列車運(yùn)行調(diào)度方案進(jìn)行評估的功能[14-15]。

在實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生通過軟件以某一線路為背景先建立軌道交通線路與車站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)定列車機(jī)車與車輛基本參數(shù)，并在該環(huán)境下制定列車開行方案同時(shí)鋪畫列車運(yùn)行圖，最終評價(jià)列車開行方案的優(yōu)劣。以往學(xué)生受實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制，只能到此為止，全部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只能在軟件的基礎(chǔ)上完成，沒有直觀的實(shí)物觀察和體驗(yàn)。現(xiàn)在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上加入“沙盤實(shí)時(shí)仿真所鋪畫的運(yùn)行圖”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生可以將自己所畫的運(yùn)行圖在沙盤上進(jìn)行實(shí)際試運(yùn)行。如此，學(xué)生在線路規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)行方案的設(shè)計(jì)，并對所設(shè)計(jì)成果進(jìn)行有效的檢驗(yàn)和評估，可以真實(shí)的檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成果的適用性，極大地豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。使得實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的評估效果更加直觀，學(xué)生對于列車延誤、交路設(shè)計(jì)的合理性等有強(qiáng)烈的責(zé)任感受，對軌道交通運(yùn)輸?shù)摹鞍踩?、“高效”等概念有更真切的了解?/p>

圖5 RailSys列車運(yùn)行圖設(shè)計(jì)

2.2.2車站接發(fā)列車實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)?zāi)M鐵路現(xiàn)場實(shí)際情況，使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，能進(jìn)一步鞏固所學(xué)理論知識，熟悉接發(fā)列車的有關(guān)規(guī)定，了解中間站信號、聯(lián)鎖、閉塞設(shè)備的使用方法，掌握接發(fā)列車的實(shí)際操作技能。

原有實(shí)驗(yàn)為隴海線某段10個車站9個區(qū)間的車站列車接發(fā)作業(yè)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)室也只是在計(jì)算機(jī)軟件上進(jìn)行操作，沒有具體線路的概念?，F(xiàn)改由結(jié)合沙盤計(jì)算機(jī)模擬滬杭客專9個車站8個區(qū)間的雙線自動閉塞調(diào)度區(qū)段。學(xué)生通過軟件按照鐵路接發(fā)列車作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各車站的列車接發(fā)作業(yè)，體驗(yàn)鐵路運(yùn)輸組織中一線作業(yè)人員(車站值班員和信號員)的職責(zé)。改進(jìn)后接入仿真沙盤，使得學(xué)生能直觀清晰的辨識股道安排以及道岔、信號機(jī)工作，在沙盤上看到列車進(jìn)站的一接近、二接近，列車發(fā)車后的一離去、二離去的概念，以及因調(diào)度失誤造成的線路擁堵的產(chǎn)生，深切理解列車調(diào)度指揮的重要性。

對以上兩個實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充拓展，極大豐富了原有的實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，加深了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)效果。

3 結(jié) 語

在交通運(yùn)輸專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入軌道交通仿真沙盤，改革了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，突破了運(yùn)輸生產(chǎn)、場地局限等方面對實(shí)踐教學(xué)的限制，拓展專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間。同時(shí)綜合了系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)、列車運(yùn)行組織、高速鐵路運(yùn)營組織等交通運(yùn)輸多門專業(yè)課的理論知識，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課的興趣和主動獲取知識的積極性，有效培養(yǎng)了本科生以及研究生的專業(yè)基礎(chǔ)素養(yǎng)，以及實(shí)際操作能力、應(yīng)變決策能力及團(tuán)結(jié)協(xié)作意識。

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