◆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)與實驗教學(xué)中的應(yīng)用。一方面，實驗教學(xué)中加入虛擬仿真設(shè)計實驗可提高學(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，實驗教學(xué)中的設(shè)計成果又能豐富理論教學(xué)的內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量，實現(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)；實驗教學(xué)

0 引言

2013年，教育部高等教育司在《實驗室研究與探索》雜志中提到國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)工作已全面展開，虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)與真實實驗教學(xué)互為補(bǔ)充，有利于提高高校實驗教學(xué)信息化水平[1]。全國各類高校均在積極建設(shè)虛擬仿真實驗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)實驗室建設(shè)的探討[2-3]，也有在電類實驗教學(xué)、醫(yī)學(xué)仿真教學(xué)中的應(yīng)用與實踐[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)院校多以仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的實驗設(shè)備和計算機(jī)仿真虛擬實驗為主[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)度實驗教學(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)，實驗內(nèi)容較為單一，深度不夠，學(xué)生只知其表卻不知其里。因此，在實驗教學(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)計與實現(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，再在實驗室進(jìn)行設(shè)備實物的操作，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)與實驗教學(xué)中具體的應(yīng)用與實踐，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)交互等多種計算機(jī)技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象的新興技術(shù)。能夠打破時間與空間的限制，提高設(shè)計的直觀性和真實性，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)，也可以用于實驗教學(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。

在實驗教學(xué)方面，引入虛擬仿真設(shè)計實驗?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)計或開放性實驗的形式，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)的仿真設(shè)計類軟件，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。學(xué)生在仿真設(shè)計的過程中會主動學(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)與實驗教學(xué)可以互為補(bǔ)充，相輔相成。一方面，實驗教學(xué)中的設(shè)計成果可以應(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)又能夠保障實驗教學(xué)中設(shè)計成果的質(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

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)實驗室進(jìn)行實物操作，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驗操作，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)安全型繼電器實物，在電腦上1:1繪制安全型繼電器的各個零件模型，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)計可通過課程設(shè)計、開放性實驗或畢業(yè)設(shè)計的形式來完成，設(shè)計結(jié)果為一個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)計也可擴(kuò)展為轉(zhuǎn)轍機(jī)的虛擬仿真設(shè)計。

2.2進(jìn)站信號機(jī)的顯示制度仿真設(shè)計

軌道交通信號基礎(chǔ)課程中，信號機(jī)的顯示制度是一個重點(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，可以完成一個模擬列車進(jìn)站的仿真程序設(shè)計。具體步驟如下：

（1）利用VB.NET中的GDI+功能，繪制一個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)計結(jié)果如圖2所示。本設(shè)計模擬計算機(jī)聯(lián)鎖的控制臺界面，實現(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，又能掌握計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件編程的邏輯與方法。設(shè)計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

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，設(shè)計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)實驗室發(fā)展與實驗教學(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驗教學(xué)中心建設(shè)提高高校實驗教學(xué)信息化水平[J].實驗室研究與探索, 2013.

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

[3]雷冬，朱飛鵬，殷德順.力學(xué)虛擬仿真教學(xué)實驗室建設(shè)的探討[J].實驗技術(shù)與管理，2014.

[4]程思寧，耿強(qiáng)，姜文波.虛擬仿真技術(shù)在電類實驗教學(xué)中的應(yīng)用與實踐[J].實驗技術(shù)與管理, 2013.

[5]楊丹聃，王志飛，王艷玲.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗?zāi)Ｊ教骄縖J].實驗技術(shù)與管理，2017.

[6]姚舜才，李曉，劉長明.對特設(shè)專業(yè)——“軌道交通信號與控制”專業(yè)建設(shè)的幾點(diǎn)思考[J].教育教學(xué)論壇，2015.

[7]劉伯鴻.軌道交通特色專業(yè)人才培養(yǎng)課程體系的改革與研究[J].科教文匯(下旬刊)， 2013.

[8]葉果.軌道交通虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)探討[J].中國管理信息化，2015.

[9]穆中華.城市軌道交通CBTC仿真教學(xué)系統(tǒng)研發(fā)[J].中國鐵路, 2012.

[10]武超群，鮑宇.軌道交通運(yùn)營調(diào)度仿真實驗教學(xué)平臺研究[J].現(xiàn)代企業(yè)教育，2013.

[11]王懷松, 陳榮武.基于三維視景的列車運(yùn)行仿真平臺的研究與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2016.

[12]林瑜筠, 魏艷, 趙煒.城市軌道交通信號基礎(chǔ)設(shè)備[M]. 中國鐵道出版社，2012.

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)隊計劃項目“智能交通和物流的優(yōu)化與決策”（T201828）。