車站信號(hào)控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與探索

王延峰，焦玉召，江 泳

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 河南 鄭州 450000）

根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020 年）》和《2017 年教育信息化工作要點(diǎn)》等相關(guān)要求，為深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合[1-2]，鄭州輕工業(yè)大學(xué)（以下簡稱“我?！保┨亻_設(shè)軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)，以培養(yǎng)更多的軌道信號(hào)專業(yè)人才，為我國鐵路事業(yè)發(fā)展提供更多后備力量。高質(zhì)量軌道交通信號(hào)控制專業(yè)人才的培養(yǎng)離不開實(shí)驗(yàn)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)資源[3]，而軌道專業(yè)所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備多為結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià)格昂貴的電子聯(lián)鎖系統(tǒng)、道岔系統(tǒng)、信號(hào)機(jī)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等，且前往鐵路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)踐操作的風(fēng)險(xiǎn)較高，在實(shí)驗(yàn)室條件下又易受設(shè)備臺(tái)套數(shù)少、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間長、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高、運(yùn)行安全無法保障等不利因素的制約，因此傳統(tǒng)校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室很難滿足實(shí)踐教學(xué)的需求[4-10]。

我校開設(shè)的軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)，以培養(yǎng)軌道交通工程技術(shù)型和應(yīng)用型專業(yè)人才為核心目標(biāo)。項(xiàng)目組經(jīng)過反復(fù)調(diào)研、討論，結(jié)合軌道交通信息與控制類專業(yè)人才培養(yǎng)需求和車站信號(hào)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)需求，于2019 年啟動(dòng)車站信號(hào)控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)工作，并獲得校級(jí)虛擬仿真平臺(tái)項(xiàng)目支持。該平臺(tái)采用校企合作共建方式，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)為技術(shù)手段，來模擬車站信號(hào)自動(dòng)控制各環(huán)節(jié)場(chǎng)景，使學(xué)生能夠“一對(duì)一”地開展車站信號(hào)自動(dòng)控制課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐活動(dòng)，自主完成學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的一體化教學(xué)，達(dá)到本專業(yè)教學(xué)大綱制定的教學(xué)目標(biāo)。

2 建設(shè)理念和思路

車站信號(hào)控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)過程跟蹤評(píng)價(jià)和評(píng)測(cè)考核的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)的建設(shè)主要服務(wù)于軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，因此，該平臺(tái)必須滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)律，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)出目標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)過程中引入虛擬仿真技術(shù)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，創(chuàng)建實(shí)踐教學(xué)新模式，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的一體化教學(xué)，達(dá)到教學(xué)大綱要求的教學(xué)目標(biāo)和考核要求。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的理念，具體體現(xiàn)在三個(gè)方面：①針對(duì)車站信號(hào)聯(lián)鎖控制真實(shí)設(shè)備實(shí)驗(yàn)成本高、消耗大、不安全等限制，在實(shí)驗(yàn)室不具備或難以完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠可靠、安全和經(jīng)濟(jì)地完成基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。②為了滿足自主設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的需求，系統(tǒng)可擴(kuò)展到課程體系內(nèi)相關(guān)的綜合性、開放性和工程性實(shí)驗(yàn)，支持有能力的學(xué)生參與平臺(tái)建設(shè)，并能以此為背景設(shè)置相關(guān)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)課題。③開展教學(xué)項(xiàng)目、仿真平臺(tái)和教師隊(duì)伍建設(shè)，完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開放共享機(jī)制。

為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的真實(shí)性和直觀性，虛擬仿真平臺(tái)可以模擬各種實(shí)際情況，如列車進(jìn)路控制、信號(hào)設(shè)備故障處理等。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作，觀察信號(hào)控制系統(tǒng)的反應(yīng)和效果，更好地理解車站信號(hào)自動(dòng)控制的實(shí)際應(yīng)用?；谠撈脚_(tái)，學(xué)生能夠自主完成實(shí)驗(yàn)并生成實(shí)驗(yàn)日志。平臺(tái)內(nèi)容應(yīng)參照國家鐵路信號(hào)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)置，在培養(yǎng)職業(yè)技術(shù)能力的同時(shí)，融入安全操作元素，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，樹立“安全第一”“故障-安全”的責(zé)任意識(shí)。

3 虛擬仿真平臺(tái)架構(gòu)及功能模塊

3.1 虛擬仿真平臺(tái)構(gòu)架及主要工作流程

車站信號(hào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包含客戶端前端網(wǎng)頁端設(shè)計(jì)、后端實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的程序編寫以及后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建三個(gè)方面的內(nèi)容。平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)及功能模塊如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)及功能模塊示意圖

主要工作流程如下：①用戶通過客戶端前端網(wǎng)頁選擇要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)；②前端將用戶的請(qǐng)求發(fā)送給服務(wù)器進(jìn)行識(shí)別；③通過后端程序找到對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯處理方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的操作；④將請(qǐng)求發(fā)送給對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，找到相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)或者操作指令，并反饋給后端服務(wù)器；⑤將運(yùn)行結(jié)果反饋給前端用戶，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)相關(guān)操作的需求。

3.2 虛擬仿真平臺(tái)功能模塊

虛擬仿真平臺(tái)界面設(shè)計(jì)遵循簡潔明了、易于使用、符合用戶操作習(xí)慣和實(shí)驗(yàn)需求的原則，根據(jù)車站信號(hào)控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)則定制而成。人機(jī)交互界面除了提供必要的功能模塊外還要有良好的交互性，包括提示信息、錯(cuò)誤提示、進(jìn)度條等，使用戶能夠更好地理解和操作虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)主要包含以下功能模塊：

3.2.1 系統(tǒng)登錄區(qū)

學(xué)生或教師在首次使用該平臺(tái)時(shí)，需要先注冊(cè)賬號(hào)，然后根據(jù)個(gè)人賬號(hào)和密碼進(jìn)行系統(tǒng)登錄，系統(tǒng)會(huì)驗(yàn)證用戶信息，如果驗(yàn)證通過，就可以進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站。

3.2.2 角色選擇區(qū)

根據(jù)用戶需求和實(shí)驗(yàn)的要求，選擇不同角色進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，平臺(tái)設(shè)置教師、學(xué)生和管理員三類角色。

3.2.3 功能模塊區(qū)

這個(gè)區(qū)域會(huì)提供不同的功能模塊，包括實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)管理和交流互動(dòng)。不同角色具備不同的功能權(quán)限：教師具有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目日志查看、操作查詢、成績查詢、指導(dǎo)學(xué)生和后臺(tái)故障處理等權(quán)限；學(xué)生具有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇、圖紙選擇、故障處理、實(shí)驗(yàn)操作和提交文檔等權(quán)限；管理員具備系統(tǒng)維護(hù)、賬號(hào)管理、故障處理、日志查看和報(bào)告生成等權(quán)限。用戶通過這些功能模塊完成不同的實(shí)驗(yàn)操作和管理任務(wù)。

系統(tǒng)具備學(xué)習(xí)、考核和指導(dǎo)三種基本模式，學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)需求選擇學(xué)習(xí)模式或考核模式，教師也能夠現(xiàn)場(chǎng)模擬操作某一項(xiàng)目的操作，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和操作。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的過程中，當(dāng)學(xué)生出現(xiàn)操作錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)會(huì)彈出告警窗口。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)在線提交后，可以查看自己在實(shí)驗(yàn)過程中的表現(xiàn)。每部分任務(wù)完成后，學(xué)生都要整理實(shí)驗(yàn)分析設(shè)計(jì)報(bào)告。教師在系統(tǒng)中對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行追蹤，查看每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)日志，對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)、操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及報(bào)告、考試情況進(jìn)行評(píng)分。

4 虛擬仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建設(shè)及過程評(píng)價(jià)

為了使學(xué)生由淺入深地了解車站信號(hào)自動(dòng)控制的工作原理和實(shí)驗(yàn)流程，實(shí)驗(yàn)任務(wù)主要包含：計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)基本設(shè)備認(rèn)知、軌道信號(hào)仿真、車站進(jìn)路建立模擬、車站進(jìn)路解鎖模擬、車站進(jìn)路虛擬行車、車站進(jìn)站虛擬故障及處理6 項(xiàng)基本實(shí)驗(yàn)任務(wù)，可滿足課程教學(xué)大綱的實(shí)驗(yàn)要求。

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段的內(nèi)容設(shè)置

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，教師在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的課程資源欄目中提供數(shù)字化資料，包括課件、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和電子書等，并把經(jīng)典實(shí)驗(yàn)案例錄制成視頻上傳到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括CTCS3 列車啟動(dòng)注銷自動(dòng)進(jìn)站實(shí)驗(yàn)、車站進(jìn)路建立與解鎖模擬實(shí)驗(yàn)、車站聯(lián)鎖圖表繪制實(shí)驗(yàn)等的視頻。學(xué)生課前觀看視頻的個(gè)數(shù)和時(shí)長作為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的一部分，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的預(yù)習(xí)成績按比例計(jì)入總成績。學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)的相關(guān)理論知識(shí)后，進(jìn)入后續(xù)仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

4.2 實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容建設(shè)

車站信號(hào)自動(dòng)控制用以實(shí)現(xiàn)站內(nèi)行車指揮，是軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)的核心課程之一。車站信號(hào)自動(dòng)控制的主要功能是實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖。為了保證行車安全，車站內(nèi)信號(hào)、道岔、車列運(yùn)行路徑（進(jìn)路）之間必須遵循一定的條件，按照一定的程序來嚴(yán)格執(zhí)行，這些條件和程序稱為聯(lián)鎖。根據(jù)課程目標(biāo)和畢業(yè)達(dá)成度要求，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖實(shí)驗(yàn)操作階段，系統(tǒng)模式選擇項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式實(shí)踐過程，網(wǎng)站會(huì)隨機(jī)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中選擇車站信號(hào)平面布置圖，根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)程和難易度分段實(shí)施。學(xué)生可依次完成車站進(jìn)路建立、車站進(jìn)路解鎖、車站進(jìn)路虛擬行車和車站進(jìn)路虛擬故障及處理四項(xiàng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)掌握典型的車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)組成及其運(yùn)行原理，熟悉常見的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)日常工作狀態(tài)、相關(guān)行業(yè)規(guī)范條例及設(shè)備常見故障，具備基本的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)維護(hù)能力的課程目標(biāo)。

專業(yè)教學(xué)一線的教師最了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，制訂了具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和要求，而操作實(shí)驗(yàn)的學(xué)生是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的最終使用對(duì)象，能夠驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)際效果并做出反饋。秉著學(xué)以致用、知行合一的教學(xué)目標(biāo)，項(xiàng)目組鼓勵(lì)學(xué)生參與系統(tǒng)項(xiàng)目開發(fā)和功能測(cè)試，教師以該仿真項(xiàng)目為工程研究背景，擬定課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)課題應(yīng)用于電氣信息工程學(xué)院18、19 和20 級(jí)軌道交通信號(hào)與控制專業(yè)的學(xué)生中。以軌道信號(hào)仿真功能測(cè)試為例說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，該仿真系統(tǒng)模塊功能為本專業(yè)高年級(jí)學(xué)生自主開發(fā)。

具體操作如下：首先點(diǎn)擊項(xiàng)目列表菜單中的“軌道信號(hào)仿真”，可挑選不同車站平面布置圖，按照排列進(jìn)路需求選擇始端信號(hào)燈，以正線通過進(jìn)路為例，將信號(hào)燈設(shè)置成綠色、紅色，相應(yīng)的軌道電路變成占用或者空閑狀態(tài)，表1為軌道信號(hào)仿真功能測(cè)試驗(yàn)證的具體內(nèi)容。圖2 所示是正常通行的站場(chǎng)示意圖，當(dāng)表示排進(jìn)路失敗時(shí)示意圖會(huì)彈出警告窗口。

表1 軌道信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)

圖2 正常通行的站場(chǎng)示意圖

4.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過程評(píng)價(jià)

自我校修訂2019 年版專業(yè)課程大綱開始，必修課采用課程過程性評(píng)價(jià)與總結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的考核方式。其中車站信號(hào)控制課程實(shí)驗(yàn)過程性評(píng)價(jià)占比60%，綜合考核占實(shí)驗(yàn)總成績的40%，過程性評(píng)價(jià)由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、操作過程和實(shí)驗(yàn)報(bào)告組成。學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)要使用考核模式，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行操作，主要考核學(xué)生對(duì)車站信號(hào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的理解和熟悉程度，要求學(xué)生能按照抽到的車站信號(hào)平面布置完成車站進(jìn)路建立、車站進(jìn)路解鎖、車站進(jìn)路虛擬行車、車站進(jìn)路虛擬故障及處理中的一項(xiàng)。

考核操作過程根據(jù)安全停車第一原則，一旦出現(xiàn)事故，成績?yōu)?。聯(lián)鎖表項(xiàng)目共150 分，其中聯(lián)鎖表共15 個(gè)條目，每條條目10 分。進(jìn)路類項(xiàng)目共150 分，其中信號(hào)檢查50 分，缺少一項(xiàng)或錯(cuò)誤一項(xiàng)扣5 分；道岔檢查50 分，缺少一項(xiàng)或錯(cuò)誤一項(xiàng)扣10 分；軌道電路檢查50 分，缺少一項(xiàng)或錯(cuò)誤一項(xiàng)扣5 分。系統(tǒng)自動(dòng)完成操作考核的評(píng)分，學(xué)生可重復(fù)進(jìn)入考核模式，取兩次考核中的最高成績作為最終分?jǐn)?shù)。

學(xué)生在系統(tǒng)上完成全部實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并完成現(xiàn)場(chǎng)操作考核后，教師可以查看服務(wù)器記錄的學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)日志、各項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，根據(jù)學(xué)生的操作是否規(guī)范，學(xué)生是否熟悉界面操作、是否理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)參數(shù)意義、是否能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的操作是否符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等要求，對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)準(zhǔn)備、操作過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)論等方面給出綜合評(píng)價(jià)等級(jí)，分別為優(yōu)、良、中、及格和不及格。通過學(xué)生各模擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成情況，教師能夠掌握學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖課程知識(shí)點(diǎn)的理解程度，從而制定具有針對(duì)性的授課計(jì)劃。

5 結(jié)語

車站信號(hào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力為目的，在建設(shè)過程中充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，鼓勵(lì)學(xué)生參與系統(tǒng)建設(shè)課題，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)車站信號(hào)控制操作步驟和安全注意事項(xiàng)，使學(xué)生在按照教學(xué)目標(biāo)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的同時(shí)將計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖知識(shí)融會(huì)貫通，幫助學(xué)生了解自己的學(xué)習(xí)狀況和需要改進(jìn)的地方。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要具有以下優(yōu)勢(shì)：①通過模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件，創(chuàng)造沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生可以在實(shí)踐中學(xué)習(xí)和掌握車站聯(lián)鎖控制系統(tǒng)知識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)技能和操作能力。②多場(chǎng)景反復(fù)練習(xí)，不受時(shí)間和空間的限制，幫助學(xué)生加深對(duì)相應(yīng)理論知識(shí)的理解。③根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和需求，提供有針對(duì)性的學(xué)習(xí)資源和個(gè)性化的學(xué)習(xí)指導(dǎo)，為學(xué)生提供一個(gè)互動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境。④提供真實(shí)和直觀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，降低實(shí)驗(yàn)和培訓(xùn)成本，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和效率。

目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)雖然實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖在線實(shí)驗(yàn)基本的教學(xué)要求，但仍需參考實(shí)際車站平面布置和站場(chǎng)要求進(jìn)行功能補(bǔ)充和設(shè)計(jì)優(yōu)化。此外，平臺(tái)內(nèi)置的教師設(shè)置隨機(jī)故障、學(xué)生操作日志和討論園地的管理功能也需進(jìn)一步完善。針對(duì)這些問題，項(xiàng)目組一方面邀請(qǐng)專家進(jìn)行診斷指導(dǎo)，找出修改方法；另一方面，積極申報(bào)校級(jí)續(xù)建項(xiàng)目，獲得項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支持，保障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目高質(zhì)量完成。通過建立有利于激勵(lì)學(xué)生參與創(chuàng)新的考核、評(píng)價(jià)和反饋機(jī)制，建設(shè)一支教學(xué)、科研和技術(shù)相結(jié)合的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源開放共享和軌道交通信號(hào)專業(yè)良性發(fā)展的目標(biāo)。