基于虛擬仿真平臺(tái)的CBTC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新研究

張雁鵬 陳永剛 胥亞麗

蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 甘肅蘭州 730070

在我國(guó)高速鐵路和城市軌道交通迅猛發(fā)展的今天，軌道交通信號(hào)與控制(原鐵道信號(hào))專業(yè)技術(shù)人才需求旺盛，培養(yǎng)適應(yīng)軌道交通行業(yè)發(fā)展的本專業(yè)學(xué)生已成為當(dāng)務(wù)之急。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)提高學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解能力和自主學(xué)習(xí)能力有著極其重要的意義[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物[2]。將虛擬仿真技術(shù)與鐵路信號(hào)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，模擬真實(shí)的鐵路運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生在安全的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無法完成的操作和實(shí)驗(yàn)，既解決了設(shè)備投資大、損耗率高的問題，也降低了學(xué)生外出實(shí)習(xí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)真實(shí)直觀地展現(xiàn)室內(nèi)計(jì)算機(jī)操作和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備動(dòng)作之間的邏輯關(guān)系和具體的鐵路作業(yè)流程，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中有身臨其境的真實(shí)感受，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率，為素質(zhì)教育背景下軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革提供借鑒。

1 我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

2016年，蘭州交通大學(xué)成功申報(bào)成立軌道交通信息與控制國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的國(guó)家戰(zhàn)略方針指導(dǎo)下，確立了結(jié)構(gòu)完整、功能全面、與實(shí)際運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景保持一致、實(shí)現(xiàn)完整的軌道交通仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，建立了校企合作共享的實(shí)驗(yàn)機(jī)制，充分發(fā)揮學(xué)校的學(xué)術(shù)優(yōu)勢(shì)和企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合優(yōu)秀企業(yè)共建、共享虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，探索了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可持續(xù)發(fā)展的新途徑。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的研發(fā)高度依賴先進(jìn)技術(shù)的支撐，必須綜合應(yīng)用富媒體、三維建模、人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段[3]。這種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的應(yīng)用將推動(dòng)過程控制實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的改革，可作為工程類專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的借鑒[4]。本文主要介紹在蘭州交通大學(xué)軌道交通信息與控制國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心支持下基于虛擬仿真平臺(tái)的城市軌道交通CBTC(Communication Based Train Control，基于通信的列車控制)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新方法和內(nèi)容，旨在為素質(zhì)教育背景下軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革做進(jìn)一步創(chuàng)新與探索。該系統(tǒng)平臺(tái)包含列車自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)防護(hù)、自動(dòng)駕駛及運(yùn)行圖管理和場(chǎng)景重構(gòu)5個(gè)子系統(tǒng)。如圖1所示為ATO自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其具有虛擬駕駛臺(tái)、三維視景系統(tǒng)及速度表盤等，能夠幫助學(xué)生或駕駛員熟悉列車司機(jī)控制臺(tái)上的儀表、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、控制器等設(shè)備，掌握司機(jī)顯示器的操作使用，熟悉列車運(yùn)行線路的環(huán)境以及縱橫斷面圖[5]。

圖1 ATO模擬平臺(tái)

如圖2所示為城市軌道交通CBTC虛擬仿真平臺(tái)仿真環(huán)境中王家莊站部分線路圖，從圖中可以清晰了解王家莊站信號(hào)機(jī)的信號(hào)狀態(tài)、道岔位置狀態(tài)、應(yīng)答器和站臺(tái)布置情況及股道區(qū)段的占用或空閑等狀態(tài)。

圖2 王家莊站部分線路圖

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

基于虛擬仿真平臺(tái)的CBTC系統(tǒng)將模擬列車控制過程、虛擬列車運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景、真實(shí)線路數(shù)據(jù)巧妙地融合在一起，實(shí)現(xiàn)完整的軌道交通列車運(yùn)行控制全功能?；谕ㄐ诺牧熊嚳刂葡到y(tǒng)CBTC采用連續(xù)、高速、雙向的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，其借助于先進(jìn)的車-地?zé)o線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)真正意義的移動(dòng)閉塞，運(yùn)行間隔大大縮短，增加系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)性，從而提高運(yùn)能與安全性，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行高效連續(xù)的控制[6]。CBTC是新一代的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有ATS(Automatic Train Supervision，列車自動(dòng)監(jiān)控)、ATP(Automatic Train Protection，列車超速防護(hù))、ATO(Automatic Train Operation，列車自動(dòng)駕駛)等功能[7]。

城市軌道交通CBTC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由沙盤室、集中站信號(hào)設(shè)備室、OCC(Operation Control Center，運(yùn)行控制中心)和車站ATS工作站4部分構(gòu)成。軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般有ATP功能實(shí)驗(yàn)、ATS功能實(shí)驗(yàn)、ATO功能實(shí)驗(yàn)、車-地通信等重要功能實(shí)驗(yàn)[8]。

2.1 沙盤室

沙盤可以實(shí)時(shí)反映CBTC系統(tǒng)相關(guān)狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)可以采集到軌旁設(shè)備狀態(tài)信息，相關(guān)仿真系統(tǒng)可對(duì)軌旁設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。沙盤線路中道岔可外接信號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)聯(lián)鎖條件實(shí)現(xiàn)信號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)與真實(shí)設(shè)備聯(lián)動(dòng)；同時(shí)，可真實(shí)模擬實(shí)物道岔、實(shí)物信號(hào)機(jī)、實(shí)物轉(zhuǎn)轍機(jī)、實(shí)物繼電器等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，如故障設(shè)置、故障處理等[9]。信號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)通信協(xié)議底層對(duì)外開放，沙盤設(shè)備連接原理如圖3所示。

圖3 沙盤設(shè)備連接原理

2.2 集中站信號(hào)設(shè)備室

集中站信號(hào)設(shè)備室主要包含線路中某一指定的集中站信號(hào)室內(nèi)設(shè)備的布置情況，該集中站的設(shè)備將接入到CBTC系統(tǒng)中，作為線路中某個(gè)區(qū)域的控制機(jī)房。設(shè)備主要有ZC(Zone Controller，區(qū)域控制器)、CBI(Computer Based Interlocking，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)、DCS(Data Communication System，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))柜、安全繼電器柜、計(jì)軸柜、電源柜等，信號(hào)設(shè)備連接如圖4所示。

圖4 集中站信號(hào)設(shè)備連接

2.3 OCC

OCC是對(duì)全線列車運(yùn)行、電力供應(yīng)、車站設(shè)備運(yùn)行、防災(zāi)報(bào)警、環(huán)境監(jiān)控、票務(wù)管理及乘客服務(wù)等運(yùn)營(yíng)過程進(jìn)行調(diào)度指揮的核心，可以控制多條城市軌道交通線路。在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，OCC主要實(shí)現(xiàn)城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)行車指揮的功能，預(yù)留部分控制開發(fā)接口，協(xié)議全部遵循XML協(xié)議格式，可以通過去除仿真系統(tǒng)本身的模塊加入外部系統(tǒng)來替代系統(tǒng)本身的運(yùn)算邏輯，從而方便進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)和科研工作，OCC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 OCC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.4 車站ATS工作站

車站ATS工作站主要包含多個(gè)集中站工作站，用于在車站內(nèi)輔助完成本控區(qū)內(nèi)的行車調(diào)度指揮作業(yè)，實(shí)現(xiàn)集中站ATS軟件客戶端部分，完成車站站控功能、單操道岔功能、列車狀態(tài)顯示、列車位置等常用客戶端功能。根據(jù)聯(lián)鎖表、計(jì)劃運(yùn)行圖及列車位置，自動(dòng)生成并輸出進(jìn)路控制命令，傳送至車站聯(lián)鎖設(shè)備，設(shè)置列車進(jìn)路、控制列車停站時(shí)分。車站ATS工作站能夠自動(dòng)完成正線區(qū)段內(nèi)列車識(shí)別號(hào)(服務(wù)號(hào)、目的地號(hào)、車體號(hào))跟蹤，列車識(shí)別號(hào)可由中央ATS自動(dòng)生成或調(diào)度員人工設(shè)定、修改，也可由列車經(jīng)車地通信向ATS發(fā)送識(shí)別號(hào)等信息。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新

虛擬仿真教學(xué)技術(shù)可以提供多維交互體驗(yàn)的服務(wù)需求，也就是提供虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所需的課堂硬件、軟件、終端以及課程的完整解決方案，從而營(yíng)造出沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)。使學(xué)生在認(rèn)識(shí)沖突發(fā)生過程中開展分析、辯論，從“被動(dòng)學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)向“主動(dòng)學(xué)習(xí)”，從“基本學(xué)會(huì)”轉(zhuǎn)向“深層意義建構(gòu)”?？傊?，通過學(xué)習(xí)深化，真正提高了學(xué)習(xí)效果[9]。

由于城市軌道交通CBTC實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際聯(lián)系極為緊密，為了使課程理論體系更加科學(xué)合理，并且能夠與最先進(jìn)的CBTC技術(shù)緊密結(jié)合，讓學(xué)生能夠?qū)﹁F路信號(hào)的新技術(shù)應(yīng)用有更加深刻的理解，提高學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的創(chuàng)新和應(yīng)用能力，必須實(shí)時(shí)更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。然而，如果只是生硬地添加新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生可能一時(shí)難以接受，這樣不僅使實(shí)驗(yàn)效果大打折扣，也會(huì)挫傷學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性。因此，針對(duì)這一問題，可以采取教師與學(xué)生雙管齊下的分工策略。這項(xiàng)改革主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，采取“預(yù)先調(diào)研，教師引導(dǎo)，學(xué)生查閱，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的方法，具體環(huán)節(jié)如圖6所示。

圖6 教師與學(xué)生分工策略

首先，教師在實(shí)驗(yàn)之前要到城市軌道交通現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研，通過調(diào)研了解當(dāng)前城市軌道交通CBTC系統(tǒng)的最新技術(shù)，查閱相關(guān)資料，加以整理消化，將新內(nèi)容加入到城市軌道交通CBTC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中。

其次，由于以往的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)往往被忽視，學(xué)生也只是原封不動(dòng)地抄寫教材，對(duì)提前了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容幫助甚微，也達(dá)不到應(yīng)用城市軌道交通最新技術(shù)的目的。因此在實(shí)驗(yàn)之前需要向?qū)W生闡述實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的重要性和必要性。利用蘭州交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺(tái)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況及額外加入的城市軌道交通CBTC系統(tǒng)最新技術(shù)資料的查閱要求，提出查閱的關(guān)鍵詞，以引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)最新的技術(shù)，為本次實(shí)驗(yàn)的新內(nèi)容做好準(zhǔn)備，提高實(shí)驗(yàn)及學(xué)習(xí)效果。

最后，在實(shí)驗(yàn)動(dòng)手環(huán)節(jié)中，通過虛實(shí)結(jié)合的虛擬仿真技術(shù)及現(xiàn)有設(shè)備，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行操作、驗(yàn)證，真正加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與掌握。由于課前的準(zhǔn)備充分，教師講解時(shí)間大大減少，從而留給學(xué)生更多動(dòng)手操作的時(shí)間。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)對(duì)學(xué)科前沿知識(shí)的學(xué)習(xí)，并隨時(shí)在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生探究創(chuàng)造的興趣[10]。城市軌道交通CBTC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)涉及多方面背景知識(shí)，如圖7所示。

本次實(shí)驗(yàn)改革當(dāng)中，嘗試將與城市軌道交通CBTC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有關(guān)的列車超速防護(hù)、列車自動(dòng)駕駛、運(yùn)行圖管理、故障處理等方面的知識(shí)穿插到實(shí)驗(yàn)過程中，取得了良好的效果，學(xué)生不僅對(duì)城市軌道交通CBTC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理有了更加深刻的理解，而且學(xué)習(xí)興趣也得到了明顯提高。

圖7 CBTC系統(tǒng)知識(shí)體系

4 CBTC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，細(xì)節(jié)性和啟發(fā)性較好的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋玫丶ぐl(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得更好的實(shí)驗(yàn)效果。根據(jù)軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)CBTC相關(guān)課程，按照實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)數(shù)目，詳細(xì)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的各個(gè)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生興趣、促進(jìn)學(xué)生思考、啟發(fā)學(xué)生思維，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量。

基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)類型分為認(rèn)知與操作型、分析與驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)與維護(hù)型、綜合創(chuàng)新型，針對(duì)不同層次的教學(xué)需求，循序漸進(jìn)提升實(shí)驗(yàn)難度。其中，認(rèn)知與操作型實(shí)驗(yàn)主要包含鐵路基礎(chǔ)設(shè)備的認(rèn)知(例如信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)等設(shè)備)，調(diào)度員、車站值班員、司機(jī)等基本業(yè)務(wù)操作；分析與驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主要包含列車安全防護(hù)算法分析，系統(tǒng)功能及原理驗(yàn)證等；設(shè)計(jì)與維護(hù)型實(shí)驗(yàn)主要包含鐵路信號(hào)系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)等，以及故障注入與處理，例如信號(hào)設(shè)備故障、車-地通信故障等。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的ATP功能實(shí)驗(yàn)操作流程如圖8所示。圖9所示為車載ATP仿真子系統(tǒng)界面，是在ATP功能實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，車載ATP子系統(tǒng)按要求計(jì)算出的ATP列車運(yùn)行防護(hù)曲線。其中清晰顯示了列車實(shí)際運(yùn)行曲線、常用制動(dòng)觸發(fā)曲線、緊急制動(dòng)警告曲線及緊急制動(dòng)觸發(fā)等曲線，防護(hù)列車安全運(yùn)行。應(yīng)用列車速度、距離和時(shí)間之間的關(guān)系，能夠使學(xué)生深刻理解移動(dòng)閉塞原理，熟悉列車制動(dòng)方式，掌握列車超速防護(hù)過程，分析列車制動(dòng)過程所受的阻力因素等，為科學(xué)設(shè)計(jì)ATP功能模塊提供技術(shù)參考[11]。

圖8 ATP功能實(shí)驗(yàn)流程

圖9 車載ATP仿真子系統(tǒng)界面

為使學(xué)生熟練掌握CBTC系統(tǒng)原理，取得良好的實(shí)驗(yàn)效果，CBTC系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)利用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和過程，通過對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)裝置交互式操作，產(chǎn)生和真實(shí)實(shí)驗(yàn)一致的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每位學(xué)生都能親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證公式和原理[12]。CBTC系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包含參數(shù)仿真、動(dòng)態(tài)操作界面、實(shí)驗(yàn)原理、數(shù)據(jù)采集、成果分析和問題解答等部分。學(xué)生在計(jì)算機(jī)上可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的虛擬操作、數(shù)據(jù)采集與成果分析。

5 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)的過程就是思路和做法結(jié)合的過程，要真正發(fā)揮出實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，必須使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方法不斷創(chuàng)新，與時(shí)俱進(jìn)[13]。城市軌道交通CBTC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中非常重要的內(nèi)容。由于條件限制，以前無法在實(shí)驗(yàn)室開設(shè)或者實(shí)驗(yàn)效果不理想的實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真技術(shù)可以使這些實(shí)驗(yàn)完美呈現(xiàn)，并能夠?yàn)閷W(xué)生系統(tǒng)地提供鐵路信號(hào)領(lǐng)域相關(guān)的設(shè)計(jì)、研發(fā)、施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)等實(shí)驗(yàn)，提升了教學(xué)質(zhì)量及學(xué)生綜合能力，同時(shí)可以對(duì)鐵路局的電務(wù)人員和車務(wù)人員進(jìn)行業(yè)務(wù)實(shí)訓(xùn)。在軌道交通信息與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的支持下，還可開發(fā)更多的軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建成功能更加強(qiáng)大的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)各類教學(xué)資源共享。