現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與遠(yuǎn)程分布式同步實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
——以“軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)”為例

左建勇， 汪 洋

(1.同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 200092； 2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與遠(yuǎn)程分布式同步實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
——以“軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)”為例

左建勇1， 汪 洋2

(1.同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 200092； 2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

以“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”為代表的大學(xué)教育教學(xué)改革正在進(jìn)行，探索培養(yǎng)具有工程背景，符合社會(huì)需求，具有我國(guó)教育特點(diǎn)的適用人才是目前工科大學(xué)面臨的重要問(wèn)題之一。以軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)為例，針對(duì)現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備少、環(huán)境差、耗能多等問(wèn)題，在原有在線測(cè)試平臺(tái)的基礎(chǔ)上，基于GPRS DTU遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程分布式同步實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)很好地解決了上述問(wèn)題，使多組學(xué)生可以同步開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了遠(yuǎn)端與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)效果一致的目標(biāo)，提升了學(xué)生的專業(yè)興趣與實(shí)驗(yàn)參與度，符合卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)。

軌道車輛； 制動(dòng)實(shí)驗(yàn)； 遠(yuǎn)程教學(xué)； 同步實(shí)驗(yàn)

0 引 言

自教育部啟動(dòng)“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”以來(lái)，同濟(jì)大學(xué)作為首批實(shí)施“卓越計(jì)劃”的高校，為培養(yǎng)創(chuàng)新能力更強(qiáng)、更加適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，開(kāi)展了一系列教學(xué)改革的嘗試，其中包括增加實(shí)踐類課程的比例，鼓勵(lì)理工科學(xué)生通過(guò)親身參與各種類型的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，培養(yǎng)其獨(dú)立獲取知識(shí)和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力[1-2]。

鐵道與城市軌道交通研究院作為同濟(jì)大學(xué)的一員，積極響應(yīng)校方的教學(xué)改革要求[3-5]，針對(duì)四年級(jí)上學(xué)期的本科生已經(jīng)掌握了豐富的專業(yè)知識(shí)、但工程實(shí)踐能力不強(qiáng)的問(wèn)題，利用研究院的軌道交通綜合試驗(yàn)線平臺(tái)，專門開(kāi)設(shè)了“車輛工程綜合實(shí)驗(yàn)”的課程，為不同專業(yè)方向的學(xué)生設(shè)計(jì)了針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)方案，取得了良好的教學(xué)效果。

“軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)”就是該系列實(shí)驗(yàn)課程中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，主要采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式。結(jié)合教學(xué)理論[6-8]并且經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，這樣的教學(xué)方式依然存在以下一些問(wèn)題：

(1) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足。由于軌道車輛制動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)耗資較大，不可能提供更多的實(shí)驗(yàn)列車，或安裝更多的車載實(shí)驗(yàn)設(shè)備，故導(dǎo)致現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備嚴(yán)重不足，根本無(wú)法保證多個(gè)學(xué)生同時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

(2) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境較差。由于軌道車輛本身就存在車廂內(nèi)空間相對(duì)狹小的問(wèn)題，加之現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備嚴(yán)重不足，導(dǎo)致學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)全部圍繞在僅有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備前，使得現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常擁擠。

(3) 實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)巨大。為了使所有學(xué)生都能夠參與到實(shí)驗(yàn)中來(lái)，只能將學(xué)生分組輪流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣雖然保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，但卻成倍地增加了列車的牽引與制動(dòng)次數(shù)，造成了大量多余的能源耗費(fèi)。

為了解決上述軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)中存在的問(wèn)題，本文針對(duì)性地開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程分布式同步實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，使得一部分學(xué)生可以不去現(xiàn)場(chǎng)，在實(shí)驗(yàn)室就可以與現(xiàn)場(chǎng)的學(xué)生同步開(kāi)展軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)，在解決上述問(wèn)題的同時(shí)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)達(dá)到了一致的效果，為解決同類型實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題提供了一種很好的解決方法。

1 軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)是機(jī)車車輛型式試驗(yàn)的重要組成部分，是列車安全運(yùn)行的重要保障，是軌道車輛工程專業(yè)學(xué)生必須掌握的基本技能之一。開(kāi)展該實(shí)驗(yàn)教學(xué)可為學(xué)生將來(lái)從事相關(guān)工作提供很大幫助。

軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最終目標(biāo)，是讓學(xué)生全面了解地鐵列車制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理與裝車情況等，并選做部分制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)調(diào)實(shí)驗(yàn)，熟悉動(dòng)調(diào)實(shí)驗(yàn)流程，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到制動(dòng)距離、制動(dòng)減速度等制動(dòng)系統(tǒng)性能參數(shù)。

軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)安排主要分為制動(dòng)系統(tǒng)認(rèn)知、不同工況下的制動(dòng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告編寫與提交3個(gè)基本環(huán)節(jié)，具體描述如下。

1.1制動(dòng)系統(tǒng)認(rèn)知

在開(kāi)展不同工況下的制動(dòng)實(shí)驗(yàn)之前，首先需讓學(xué)生對(duì)地鐵列車制動(dòng)系統(tǒng)有一個(gè)全面、系統(tǒng)、感性的了解，這樣才能對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的組成、流程、注意點(diǎn)等有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，更有利于后面的實(shí)驗(yàn)展開(kāi)與報(bào)告編寫。

制動(dòng)系統(tǒng)認(rèn)知主要分為課堂教學(xué)和現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)兩個(gè)部分。課堂教學(xué)采用傳統(tǒng)的老師教授的辦法，通過(guò)幻燈片向?qū)W生詳細(xì)講解制動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理?，F(xiàn)場(chǎng)教學(xué)則是在有經(jīng)驗(yàn)的老師的帶領(lǐng)下，通過(guò)實(shí)物認(rèn)識(shí)制動(dòng)系統(tǒng)各部件構(gòu)成、功能及其裝車情況，并通過(guò)此了解制動(dòng)系統(tǒng)在線測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)原理。

兩種認(rèn)知教學(xué)方式相輔相成、互為補(bǔ)充，課堂教學(xué)有利于學(xué)生快速、系統(tǒng)地掌握新知識(shí)，而現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)有益于學(xué)生更加感性、具體地認(rèn)識(shí)制動(dòng)系統(tǒng)，是不可或缺的組成部分。

1.2不同工況下的制動(dòng)實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)認(rèn)知和實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，學(xué)生們就可以進(jìn)行不同工況下的制動(dòng)實(shí)驗(yàn)。圖1所示為車載制動(dòng)系統(tǒng)在線測(cè)試平臺(tái)，學(xué)生通過(guò)該測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量地鐵車輛在運(yùn)行過(guò)程中常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、快速制動(dòng)下的制動(dòng)級(jí)位、制動(dòng)缸壓力、運(yùn)行速度等數(shù)據(jù)，并保存在Excel文件中，供實(shí)驗(yàn)后分析計(jì)算制動(dòng)系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)。

圖1 制動(dòng)系統(tǒng)在線測(cè)試平臺(tái)

地鐵車輛由專業(yè)人員駕駛，并與實(shí)驗(yàn)學(xué)生配合，共完成5種工況的運(yùn)行和制動(dòng)，包括：35 km/h速度下的50%常用制動(dòng)、45 km/h速度下的100%常用制動(dòng)、35 km/h速度下的快速制動(dòng)、45 km/h速度下的緊急制動(dòng)，及靜調(diào)試驗(yàn)中靜止?fàn)顟B(tài)下緊急制動(dòng)工況。

1.3實(shí)驗(yàn)報(bào)告編寫與提交

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后要求其任意選擇動(dòng)調(diào)試驗(yàn)中的兩種工況，根據(jù)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用Matlab繪制出制動(dòng)缸壓力曲線(見(jiàn)圖2)和車輛運(yùn)行速度曲線，分析計(jì)算空走時(shí)間tk、制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間t、制動(dòng)距離sb以及制動(dòng)平均減速度a共4個(gè)性能指標(biāo)，據(jù)此分析比較兩種工況的不同，形成最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交，由老師做出評(píng)價(jià)。

圖2 學(xué)生繪制的制動(dòng)缸壓力曲線

3個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣、由淺及深，學(xué)生通過(guò)主動(dòng)學(xué)習(xí)、親身實(shí)踐、數(shù)據(jù)分析，對(duì)軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)形成了完整、系統(tǒng)、深入的認(rèn)識(shí)，基本達(dá)到了最初的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。

2 遠(yuǎn)程分布式同步實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案

現(xiàn)有的軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的實(shí)踐，基本達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)，但依然存在如前所述的若干問(wèn)題，所以在原有模式不變的情況下，附加開(kāi)發(fā)一套遠(yuǎn)程分布式同步實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以很好地解決上述問(wèn)題，達(dá)到更佳的教學(xué)效果。

現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是基于虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)，而遠(yuǎn)程分布式同步實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是虛擬儀器在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的拓展，即遠(yuǎn)程虛擬儀器技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合了虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將虛擬儀器的應(yīng)用范圍拓展到整個(gè)Internet網(wǎng)絡(luò)，使信號(hào)采集、傳輸與處理一體化，一方面可以使昂貴的硬件資源得以共享，充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)資源；另一方面有利于分布式遠(yuǎn)程教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展，從而解決限制遠(yuǎn)程教育中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行的若干技術(shù)難題[9-10]。

軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的原有結(jié)構(gòu)非常有利于遠(yuǎn)程分布式同步實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，只需要在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，通過(guò)Internet將測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的多臺(tái)計(jì)算機(jī)上，存儲(chǔ)并用虛擬儀器軟件復(fù)現(xiàn)車輛的運(yùn)行狀態(tài)，就可以讓多組學(xué)生在遠(yuǎn)端開(kāi)展車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)。其基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程分布式同步實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究與綜合考慮，最終采用基于通用分組無(wú)線服務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸單元(Data Transfer Unit，DTU)開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程分布式同步實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。DTU是專門用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無(wú)線終端設(shè)備，具有以下一些優(yōu)點(diǎn)[11]：

(1) 組網(wǎng)迅速靈活，建設(shè)周期短、成本低。GPRS作為第2代移動(dòng)通信技術(shù)，已經(jīng)相當(dāng)成熟，可提供端到端、廣域的無(wú)線IP連接, 為構(gòu)建低成本的無(wú)線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)提供了可能。

(2) 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，安全保密性能好。經(jīng)過(guò)多年建設(shè)，GPRS網(wǎng)絡(luò)已基本覆蓋大部分地區(qū)，適宜在偏僻的試驗(yàn)線應(yīng)用；DTU軟件支持RSA，RC4加密算法，保證了數(shù)據(jù)的安全。

(3) 鏈路支持永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi)、用戶使用成本低。DTU可上電自動(dòng)撥號(hào)，并采用心跳包保持永久在線，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有數(shù)據(jù)通信時(shí)，移動(dòng)網(wǎng)關(guān)將斷開(kāi)DTU與遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心的連接，心跳包就是DTU與遠(yuǎn)端在連接被斷開(kāi)之前發(fā)送的一個(gè)小數(shù)據(jù)包，以保持連接不被斷開(kāi)，斷線自動(dòng)重連。

綜上所述，GPRS DTU的“無(wú)需后臺(tái)計(jì)算機(jī)支持、永久在線、接入速度快、采用數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)”等諸多特點(diǎn)，具有無(wú)可比擬的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)自動(dòng)化、工業(yè)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)等行業(yè)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，非常適合開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)[12-13]。

3 示范應(yīng)用

本節(jié)將以軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)為例，依據(jù)遠(yuǎn)程分布式同步實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案，講解如何將DTU設(shè)備應(yīng)用于本系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程同步教學(xué)。

基于GPRS DTU技術(shù)的遠(yuǎn)程同步教學(xué)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。原有的在線測(cè)試系統(tǒng)將測(cè)得的制動(dòng)缸壓力等數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)的同時(shí)，通過(guò)RS-232串口發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)的DTU設(shè)備，進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸單元后，數(shù)據(jù)被GPRS模塊封裝成適合于網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)包，被發(fā)送至GPRS網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò) GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入Internet上傳輸，最后被指定IP地址的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心讀取。

圖4 基于DTU的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心接受到數(shù)據(jù)后，即可由LabVIEW軟件讀取，并進(jìn)行顯示與存儲(chǔ)[14-15]，圖5所示即為遠(yuǎn)端同步實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的軟件界面。該系統(tǒng)可顯示當(dāng)前通信狀態(tài)、系統(tǒng)時(shí)間、天氣，并通過(guò)數(shù)據(jù)框和波形圖兩種方式顯示車輛軸速、制動(dòng)缸壓力、制動(dòng)級(jí)位等，通過(guò)信號(hào)燈的亮滅反映牽引指令等開(kāi)關(guān)量，還可將需要的數(shù)據(jù)保存到指定的路徑，供實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行分析。

圖5 遠(yuǎn)端同步教學(xué)系統(tǒng)軟件界面

通過(guò)多次在線測(cè)試，遠(yuǎn)端同步教學(xué)系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)完全一致，且無(wú)丟失、掉點(diǎn)的現(xiàn)象發(fā)生，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、準(zhǔn)確率高，實(shí)時(shí)性基本得到保障，已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)的課程中，并且初步取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以軌道車輛制動(dòng)實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)講解了如何在原有的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，應(yīng)用GPRS DTU遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元，解決了遠(yuǎn)程分布式同步測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)，搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，解決了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備少、環(huán)境差、能耗多等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了一次線路試驗(yàn)、多組學(xué)生數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，提高了實(shí)驗(yàn)效率，達(dá)到了遠(yuǎn)程與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)效果一致的要求。該教學(xué)模式大大提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與度，培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)興趣，符合“卓越工程師”的培養(yǎng)目標(biāo)。此外，基于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，還可拓展進(jìn)行本科畢業(yè)設(shè)計(jì)、本碩貫通培養(yǎng)教學(xué)模式等的探索與研究。

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DevelopmentofTeachingSystemoftheFieldandDistributedRemoteSynchronousExperiment——ACaseStudyofRailVehicleBrakeExperiment

ZUOJianyong1,WANGYang2

(1. Institute of Rail Transit, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

One of the most significant tasks of technological universities in China is to cultivate engineering talents which are accordant to both the needs of our society and the characteristic of Chinese education. Taking the rail vehicle brake experiment for example, there are many problems in field experiment, such as few teaching equipment, poor environment, mass energy consumption, etc. Based on original online testing platform and GPRS DTU remote data transmission technology, a distributed remote synchronous experimental teaching system was built up. The application shows that the system can solve aforementioned problems commendably, multiple groups of students can experiment simultaneously. The system achieved the goal that the remote experimental results are consistent with the field. It elevated students’ professional interests and participation in experiments, in line with “Excellent Engineer” training objective.

rail vehicle; brake experiment; remote teaching; synchronous experiment

U 231；G 642

A

1006-7167(2017)09-0163-04

2016-08-11

十二五國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAG19B01-05)；同濟(jì)大學(xué)教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目(2015-2016)

左建勇(1976-)，男，山西運(yùn)城人，博士，副教授，主要研究方向：從事列車制動(dòng)與主動(dòng)安全研究。Tel.: 021-69584712; E-mail: zuojy@#edu.cn