科研項目驅動的鐵路信息系統集成與應用課程教學案例建設

張 春 劉 峰 張 寧 李紅輝 張駿溫

摘要：針對鐵路信息系統集成與應用課程中學生對鐵路信息技術缺乏系統性認識、實踐動手能力不足的問題，提出依托鐵路信息技術實驗平臺，構建鐵路運輸安全監控典型應用半實物教學環境，將科研項目作為驅動載體進行課程教學案例建設。

關鍵詞：項目驅動；信息系統集成與應用；教學案例建設

1 背景

縱觀我國高等教育發展趨勢，如何將課程基本內容與技術最新發展相結合是每所高校亟須解決的一個問題。課程教學是大學生培養的最主要途徑。目前的課堂教學模式是基于大眾教育，以講授為主，在一定程度上忽略了學生的獨立思考能力，不利于大學生創造性思維和創新能力的培養。只有將科研訓練融人課程教學過程中，做到寓教于創新，將教師的科研工作與教學工作充分融合，才能使大學生在課堂和課程學習過程中得到科研創新能力的訓練。

目前，很多大學在信息技術教學平臺建設中注重教學與實踐結合、理論與實驗結合，將過去傳統的以教學為主的教學體系轉變為知識與實踐并重的教學方式。在實驗教學中，倡導“精講多練”的教學模式。

鐵路信息系統與集成這門課程旨在以技術與工程的手段，研究鐵路信息系統集成建設中的有關問題，是信息技術、數據庫技術和交通運輸技術的交叉學科。目前我們依托鐵路信息技術專業“卓越工程師培養計劃”良好的基礎，圍繞高速鐵路發展的重大需求，緊密追蹤軌道交通前沿理論，加快鐵路信息系統集成與應用課程的建設。當前高校的軟硬件環境僅靠一些試驗箱、接口或單個技術模塊遠遠達不到課程建設的要求，往往課程結束后，學生未必能真正掌握信息系統集成技術的應用，很難從需求分析、設計、研發、調試等環節，對發展迅速的鐵路信息系統集成與應用技術進行整體把握。課程考核盡管包括理淪與實踐，但實踐環節考核難以準確評估，因為鐵路信息技術行業的模擬實驗需要專業軟硬件來模擬現場。因此，建設和完善鐵路信息技術實驗模擬環境是目前實現教學案例建設的當務之急。

2 課程建設目標

課程建設的目標是實現課程基本內容與技術最新發展相結合。具體講，以北京交通大學校訓“知行”為目標，倡導知行合一，知行并進，以科研項目驅動為載體，將科研理念和科研方法融入實驗教學活動。這樣學生既能學習到鐵路信息技術領域中信息的采集、傳輸和處理以及數據挖掘和系統集成等方面的知識，又能利用各類平臺資源實踐所學的知識和技能，從而激發自身的科研興趣，培養科研創新意識，鍛煉發現問題和解決問題的綜合實踐能力，并能夠深刻地了解社會需求，將專業理論應用于實踐。課程建設具體有以下4項措施：

（1）依托鐵路信息技術實驗教學平臺，構建鐵路運輸安全監控典型應用半實物教學仿真環境。利用863項目等一些在鐵路信息技術領域有影響的典型信息系統，搭建以“科研項目為驅動”的綜合實踐教學平臺，將課堂教學移到實驗室，通過實踐使學生理解鐵路信息系統集成與應用技術的基礎知識。

（2）將基礎理論知識和方法與鐵路信息系統集成與應用實際系統相結合，讓學生深入理解并掌握課程內容，通過實際項目（課題）學理論、做實驗，在半實物仿真系統中進行實驗驗證，并將智能信息處理等計算機最新技術融入到教學實驗中，在實驗過程中加深學生對于理論知識的理解和掌握。

（3）實踐項目的設計和選取注意從簡單到復雜、從單一性到綜合性項目逐步遞進，支撐大學生創新性實驗項目、科技興趣小組等各種創新實踐活動，引導學生開闊視野。

（4）通過課堂授課和實驗操作，逐漸遞增訓練內容，要求學生完成項目的設計與實現。從需求分析、文獻查閱、方案設計、實現、總結等方面組織學生獨立開展工作，在工作中培養分析解決問題能力、創新意識、團結協作和組織實施能力。

3 課程建設內容

為了使學生能夠深刻認識社會需求、提高自身創新能力，課程建設采用科研項目驅動的方式，依托動車組安全監控半實物仿真系統，開展動車組知識管理演示、動車組在線監測系統仿真、危險貨物運輸安全監測仿真系統等試驗，并支撐學生積極參加大學生創新性實驗項目、科技興趣小組等各種創新實踐活動。這種以科研項目驅動教學的形式，不僅培養了學生的科研素質和動手能力，還提前讓他們體驗了真實的科研環境，有利于選拔出一批有潛力的科研工作者。

3.1 動車組安全監控半實物仿真平臺概述

鐵路信息技術的發展始終圍繞著鐵路運輸主業務（客運、貨運等）的安全、高效的需求進行。我們根據鐵路信息技術的發展需要和人才需求，對課題組承擔的科研項目進行歸納和總結，將先進技術含量高且適合本科生學習的內容整理后，融合到平臺中，使學生得到更貼近實際的問題解決能力訓練。平臺建設重點包括以下兩個方面：

（1）以鐵路動車組為對象，構建在線運行檢測、故障監測等仿真系統。仿真系統可以實現對鐵路動車組運行狀態和故障等的遠程在線監測，使維修部門能夠及時掌握在途動車組部件的工作狀態和故障狀態，從而預測動車組部件的使用壽命。系統支持預先制定或調整檢修計劃，以便及時排除故障，消除事故隱患。同時，也可為制造廠提供對故障信息的分析結果，以便于設計與制造部門修改設計，改進制造手段和工藝，提高新設備的質量。

（2）以鐵路危險品和防災監控為對象，構建在途安全監測和防災監測和聯動仿真系統。仿真系統可以實現對鐵路貨物運輸的在途安全狀態的監測和遠程傳輸，包括對在途貨物的安全狀態、車輛的安全狀態及環境的安全狀態的實時檢測。當發生報警時，按預先規定的流程，通過聲光系統或視頻自動切換，提醒和協助值班人員及時了解現場危險情況，排除險情。

平臺提供了一個半實物仿真和驗證環境，可以支持學生自主設計、試驗和調試，并在其中發現問題，相互協作解決問題，從而提供學生自主創新能力。

3.2 平臺支撐的試驗

動車組安全監控半實物仿真平臺支撐多個試驗，包括動車組知識管理演示系統、動車組在線監測仿真系統、危險貨物運輸安全監測仿真系統、鐵路防災監控半實物仿真系統等。通過這些實驗，學生可以更加直觀地了解到動車組監控和鐵路貨物運輸的相關知識。

3.2.1 動車組知識管理演示系統

該實驗是以課題“動車組故障知識庫應用管理系統”為背景，將課題的部分研究成果進行提煉和整理，可以向學生演示面向工程應用的知識管理系統的總體架構、關鍵技術、主要功能和工作原理。

演示系統主要包含六大功能，分別為列車列表信息、故障知識更新、故障知識檢索、故障預警及預測、故障統計分析以及遠程技術支持。各主要功能又包含許多子功能，如知識更新功能包括知識自學習、專家審核提交和知識刪除等。該實驗使學生對知識管理系統有一個直觀的了解，對所學的相關知識有更深刻的理解。

3.2.2 動車組在線監測仿真系統

該仿真系統以科研項目為基礎，從動車組安全監控的需要以及鐵路信息技術專門人才需求出發，設計了動車組運行信息、故障信息等的實時采集，無線通信和動車組車載信息處理、可視化展示等實驗環境。

系統的主要功能有：基于GIS和GPS對列乍進行跟蹤，查看實時故障數據的動車組在線狀態監測功能；針對故障履歷、行駛狀態數據、累計電力數據、累計空轉數據等動車組數據的查詢功能；可對主故障數據進行統計分析，并可利用MON畫面顯示故障統計分析的動車組故障處理與統計功能。通過該仿真系統，學生可以了解到動車組在線監測系統的基本原理與內容，從而具備了從需求分析到采集、通信和數據處理各項關鍵技術的研究、開發和驗證條件。

3.2.3 危險貨物運輸安全監測仿真系統

該仿真系統的功能需求來源于一個863課題，旨在建立信息采集、無線傳輸和監測數據處理、可視化展現等實驗環境，提供在線監測電子地圖、在線危險品列表、數據查詢與統計以及基礎數據維護與管理等功能，使學生可以根據自己的需求調研和分析，自主完成一些算法的實現和測試。

3.2.4 鐵路防災監控半實物仿真系統

該系統利用沙盤設計并構建了鐵路防災監控仿真系統，采用無線傳感網技術與視頻監控技術相結合，可以實現對落石和崩塌現象的躲測，將監測信息發送到地面監控中心，同時該監測信息可以觸發視頻監控系統打開攝像頭，并指向災害發生地點。監控中心系統接到報警信息后向有關人員發出災害報警信息，并將現場畫面顯示在特定的屏幕上，使監控指揮人員能夠以最快速度了解到現場的災害情況，從而根據災情嚴重程度及時采取合理有效的措施，避免因災害引發鐵路運輸事故。

通過該系統，學生利用已學過的知識及新興技術從傳感網監測數據采集、監測信息傳輸、報警聯動等方面進行研究。系統可以直觀地反映學生研究的成果。

3.3 創新實踐活動

在科研項目基礎之上，本課程教師指導學生參加了名為“高速動車組故障知識庫遠程應急指揮關鍵技術的研究與實現”的大學生創新訓練項目。基于該項目建立的動車組故障知識庫實現了動車組故障知識共享。動車組故障數據模型采用數據挖掘等技術獲取潛藏于信息中的知識，為應急指揮、安全運營維修維護管理提供支持。學生通過該項目可以了解知識的獲取手段與知識庫系統的建立方式，掌握知識發現、知識管理和構件化軟件開發等技術，鍛煉自身的思維創新能力和科研實踐能力。在科研項目的整個訓練過程中，學生的嚴謹求實的科學態度將得到不斷的培養和增強，吃苦耐勞的工作作風、團隊協作精神和組織管理能力也將得到相應的提高，整體的綜合素質和創新能力將會進一步提高。

此外，老師在課堂上還介紹課程涉及的大數據、云計算等技術，讓學生搜集這些技術在國內外發展趨勢及應用情況，并討論如何將和關技術應用于高鐵動車組運用維修領域的需求中，以此幫助學生掌握專業發展現狀、獲取前沿知識，同時結合高鐵動車組設計性實驗需求，使學生能夠對系統集成設計、開發、測試的整個過程有較為完整且深刻的認識，培養自主學習、創新實踐和工程應用能力。

4 結語

高等教育的改革是為了適應社會發展的需要，培養出具有符合社會發展需要、基礎知識扎實、具有創新思維和意識、動手能力強、具有團隊合作精神的高素質人才。根據這一目標，高等教育工作者在各個角度和層次進行教育教學改革。本教學改革借助北京交通大學鐵路信息技術實驗教學平臺，以科研項目為依托進行項目驅動教學，將課內和課外學習有機聯系在一起，以達到培養學生綜合職業能力的目標，從而激發學生創作熱情和興趣，使學生有目的地學習，改變學生原有的學習方法，提高自身的專業技能基礎和實踐動手能力。