虛擬仿真技術(shù)在軌道交通信號基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用研究

◆李雅卓 王 芳

虛擬仿真技術(shù)在軌道交通信號基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用研究

◆李雅卓 王 芳

(江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 湖北 430056)

本文闡述了虛擬仿真技術(shù)在軌道交通信號與控制專業(yè)教學(xué)中的作用，以軌道交通信號基礎(chǔ)課程為例，介紹了虛擬仿真技術(shù)在理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。一方面，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加入虛擬仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲃?chuàng)造；另一方面，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的設(shè)計(jì)成果又能豐富理論教學(xué)的內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)的教學(xué)模式。

虛擬仿真技術(shù)；軌道交通信號與控制；軌道交通信號基礎(chǔ)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引言

2013年，教育部高等教育司在《實(shí)驗(yàn)室研究與探索》雜志中提到國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作已全面展開，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)互為補(bǔ)充，有利于提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[1]。全國各類高校均在積極建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室并對虛擬仿真教學(xué)這一方式進(jìn)行了深入的研究。涉及的教學(xué)領(lǐng)域十分廣泛，既有對化學(xué)、力學(xué)等學(xué)科虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探討[2-3]，也有在電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)、醫(yī)學(xué)仿真教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐[4-5]。

軌道交通信號與控制專業(yè)是中國教育部于2012年增設(shè)的國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展和改善民生急需以及應(yīng)用性強(qiáng)、行業(yè)針對性強(qiáng)的新專業(yè)，同時(shí)也是適應(yīng)近年來人才培養(yǎng)特殊需求設(shè)置的專業(yè)[6]。鐵路信號系統(tǒng)中采用了信號專用器械與系統(tǒng)，許多設(shè)備占地面積大、價(jià)格昂貴，不適合教學(xué)使用。因此開辦該專業(yè)的職業(yè)技術(shù)院校多以仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和計(jì)算機(jī)仿真虛擬實(shí)驗(yàn)為主[7,8]。

近年來，關(guān)于軌道交通信號與控制的仿真教學(xué)相關(guān)報(bào)道開始增多，如城市軌道交通CBTC仿真教學(xué)系統(tǒng)研發(fā)[9]、運(yùn)營調(diào)度實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真平臺建設(shè)[10]、城市軌道交通駕駛室視景仿真[11]等。可見，開展仿真教學(xué)是軌道交通信號與控制專業(yè)教學(xué)的必然趨勢。

目前許多軌道交通信號仿真設(shè)備多為實(shí)訓(xùn)設(shè)備。側(cè)重于設(shè)備或系統(tǒng)工作原理與操作方法的教學(xué)。這種教學(xué)設(shè)備雖然針對性很強(qiáng)，但對于本科生教學(xué)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為單一，深度不夠，學(xué)生只知其表卻不知其里。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，適當(dāng)增加一些對軌道交通設(shè)備或系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)很有必要。

軌道交通信號基礎(chǔ)是軌道交通信號與控制專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課。課程中涉及了許多軌道交通特有的信號設(shè)備。傳統(tǒng)教學(xué)方法是在課堂上圍繞書本內(nèi)容進(jìn)行理論講解，再在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行設(shè)備實(shí)物的操作，加深對各種信號設(shè)備工作原理的理解。本文將虛擬仿真技術(shù)融入到該課程的教學(xué)中，研究虛擬仿真教學(xué)在該課程課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具體的應(yīng)用與實(shí)踐，力求在提高教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生仿真設(shè)計(jì)與自主學(xué)習(xí)的能力。

1 虛擬仿真技術(shù)的作用

虛擬仿真技術(shù)是一種借助于多媒體、人機(jī)交互等多種計(jì)算機(jī)技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象的新興技術(shù)。能夠打破時(shí)間與空間的限制，提高設(shè)計(jì)的直觀性和真實(shí)性，不消耗器材、元件且可以重復(fù)操作。虛擬仿真既可以應(yīng)用于軌道交通類課程的課堂教學(xué)，也可以用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4]。

在課堂教學(xué)方面，虛擬仿真技術(shù)能夠改變枯燥乏味的理論教學(xué)，用三維立體的仿真設(shè)備和動畫演示代替簡單的書本講解，充分發(fā)揮教師主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，淡化“一言堂”、“滿堂灌”的傳統(tǒng)教學(xué)方式，將各種三維立體的虛擬仿真設(shè)備、動畫演示應(yīng)用于課堂，探索合理有效的教學(xué)方式，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，引入虛擬仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)⒈粍咏虒W(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)與創(chuàng)造。通過課程設(shè)計(jì)或開放性實(shí)驗(yàn)的形式，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)的仿真設(shè)計(jì)類軟件，應(yīng)用軌道交通專業(yè)課程中的專業(yè)知識，在電腦上自主進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。學(xué)生在仿真設(shè)計(jì)的過程中會主動學(xué)習(xí)專業(yè)知識并自學(xué)這些仿真設(shè)計(jì)類軟件，增加學(xué)習(xí)的動力與興趣，提高就業(yè)競爭力。

引入虛擬仿真的課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以互為補(bǔ)充，相輔相成。一方面，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的設(shè)計(jì)成果可以應(yīng)用于課堂教學(xué)，提高學(xué)生對專業(yè)知識的理解與學(xué)習(xí)興趣；另一方面，優(yōu)質(zhì)的課堂教學(xué)又能夠保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、動手與創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)一種良性循環(huán)的教學(xué)模式。

2 典型應(yīng)用

軌道交通信號基礎(chǔ)專業(yè)課主要介紹鐵路信號相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)備[12]。內(nèi)容涵蓋了信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、安全型繼電器等保證行車安全、提高運(yùn)輸效率的關(guān)鍵專用設(shè)備。學(xué)習(xí)這些設(shè)備的重點(diǎn)是掌握它們的主要結(jié)構(gòu)和工作原理。以下是采用SolidWorks和VB.NET對軌道交通信號設(shè)備進(jìn)行虛擬仿真的典型應(yīng)用。

2.1安全型繼電器動作原理仿真設(shè)計(jì)

以安全型繼電器的教學(xué)為例，傳統(tǒng)教學(xué)方式是書本教學(xué)并通過圖片演示講解，最后進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物操作，教學(xué)內(nèi)容枯燥、效果不夠理想，學(xué)生對新知識的理解速度較慢。因此，在這門課的教學(xué)過程中，可以通過理論講解和實(shí)驗(yàn)操作，使學(xué)生了解安全型繼電器的主要結(jié)構(gòu)與工作原理。之后引導(dǎo)學(xué)生采用3D繪圖軟件，根據(jù)安全型繼電器實(shí)物，在電腦上1:1繪制安全型繼電器的各個(gè)零件模型，并進(jìn)行組裝以及工作原理的視頻展示。在這一過程中能進(jìn)一步鞏固所學(xué)的專業(yè)知識，并能積極主動的學(xué)習(xí)3D繪圖軟件和視頻剪輯軟件等。

圖1是基于Solidworks的JYJXC-135/220型有極繼電器動作原理演示。通過在線圈上施加不同極性的電壓，演示該繼電器的動作過程與動作原理。

圖1 JYJXC-135/220型繼電器的動作原理演示

本設(shè)計(jì)可通過課程設(shè)計(jì)、開放性實(shí)驗(yàn)或畢業(yè)設(shè)計(jì)的形式來完成，設(shè)計(jì)結(jié)果為一個(gè)虛擬的安全性繼電器以及其各零件展示與動作過程的動畫展示。通過該設(shè)計(jì)有助于加深繼電器相關(guān)知識的理解，為接下來的其他專業(yè)課程打下基礎(chǔ)。另外，學(xué)生能夠?qū)W以致用，改變被動的學(xué)習(xí)方式，擴(kuò)展知識面，提高自學(xué)與應(yīng)用知識的能力。本設(shè)計(jì)也可擴(kuò)展為轉(zhuǎn)轍機(jī)的虛擬仿真設(shè)計(jì)。

2.2進(jìn)站信號機(jī)的顯示制度仿真設(shè)計(jì)

軌道交通信號基礎(chǔ)課程中，信號機(jī)的顯示制度是一個(gè)重點(diǎn)，尤其是進(jìn)站信號機(jī)的顯示及其意義，另外進(jìn)站信號機(jī)的開放與否與站內(nèi)聯(lián)鎖相關(guān)。因此，結(jié)合車站聯(lián)鎖的相關(guān)知識，可以完成一個(gè)模擬列車進(jìn)站的仿真程序設(shè)計(jì)。具體步驟如下：

（1）利用VB.NET中的GDI+功能，繪制一個(gè)簡略的車站站場圖界面，如圖1所示。其中X為下行進(jìn)站信號機(jī)，SⅠ、S2、S3為各股道的上行出站信號機(jī)。各信號機(jī)旁均設(shè)置一個(gè)控制按鈕用于進(jìn)路的選排。

（2）根據(jù)選排的進(jìn)路以及站內(nèi)聯(lián)鎖，在確保站內(nèi)安全的情況下，控制進(jìn)站信號機(jī)給出相應(yīng)的燈光顯示。

（3）通過軌道上“紅光帶”的移動，實(shí)現(xiàn)模擬接車。另外可添加總?cè)∠?、總?cè)私?、單?dú)操縱道岔、側(cè)線出站、引導(dǎo)接車等功能。

設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。本設(shè)計(jì)模擬計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的控制臺界面，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)路選排、進(jìn)站信號機(jī)顯示和模擬接車功能。在設(shè)計(jì)過程中，可使學(xué)生深入理解進(jìn)站信號機(jī)的顯示制度，又能掌握計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件編程的邏輯與方法。設(shè)計(jì)成果可用于軌道交通信號基礎(chǔ)的課堂教學(xué)中，生動展示列車進(jìn)站時(shí)的各種情況，提高教學(xué)質(zhì)量。

圖2 列車進(jìn)站仿真設(shè)計(jì)

3 結(jié)束語

將虛擬仿真技術(shù)引入到軌道交通信號基礎(chǔ)課程的教學(xué)中，是一種教學(xué)觀念的改變，能夠?qū)⒈粍訉W(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)與自主創(chuàng)新。虛擬仿真的過程能使學(xué)生增加學(xué)習(xí)的動力與興趣。同時(shí)，設(shè)計(jì)成果的演示又可豐富教學(xué)內(nèi)容，代替簡單的書本講解，提高教學(xué)質(zhì)量?？尚纬梢环N良性循環(huán)的教學(xué)模式。將虛擬仿真技術(shù)引入到軌道交通信號與控制專業(yè)的課程中，不斷推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，是教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。

[1]李平，毛昌杰，徐進(jìn).開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2013.

[2]彭敬東，龔成斌，馬學(xué)兵.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的作用——以西南大學(xué)化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為例[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2017.

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武漢市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度規(guī)劃課題（2016C230），湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目“智能交通和物流的優(yōu)化與決策”（T201828）。