面向軌道交通信息控制的《信息傳輸原理》教學改革實踐

歐冬秀 閆黃 陳麗璇 黃世澤 沈拓

摘要：高速鐵路與城市軌道交通快速發(fā)展過程中高速、高密度、高安全是目標，而控制中心與列車、軌旁設(shè)備的安全信息傳輸是實現(xiàn)列車安全運營的核心保障技術(shù)之一。本文重點探索軌道交通信息工程與控制專業(yè)人才培養(yǎng)的教學體系中專業(yè)基礎(chǔ)課“信息傳輸原理”的教學內(nèi)容和教學方法改革，分析新形式下交通信息交叉學科卓越人才培養(yǎng)中的工程能力培養(yǎng)需求，探索專業(yè)基礎(chǔ)課中基礎(chǔ)原理與工程的結(jié)合方法。實踐表明，該教學內(nèi)容和方法的改革，能有效提升學生的學習興趣，幫助學生更好的明確課程學習的目的和自主學習，為后續(xù)專業(yè)課的學習奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：交通信息工程及控制；軌道交通；信息傳輸原理；工程能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）39-0095-04

一、交通工程卓越工程師培養(yǎng)

從上世紀70年代末恢復高考到現(xiàn)在，對于我國高等教育的辦學條件、辦學內(nèi)容和辦學要求這些方面，都發(fā)生了很大的變化，并且創(chuàng)新意識也已經(jīng)成為了優(yōu)秀人才的必要標志。在上世紀80年代末期，北京大學通過考察研究，提出了“加強基礎(chǔ)，淡化專業(yè)，因材施教，分流培養(yǎng)”的16字教學改革方針，即在低年級進行通識教育，高年級進行寬口徑的專業(yè)教育。據(jù)此，各重點大學也根據(jù)自己的教學定位和專業(yè)學科的特點，先后實施了按照學科大類招生和培養(yǎng)的制度。學生通過大類招生入校后，經(jīng)過1～2年的基礎(chǔ)培養(yǎng)，再根據(jù)興趣和雙向選擇原則進行專業(yè)分流。

同濟大學同樣也是按學科大類招生的本科生培養(yǎng)方式，招生門類包括土木類、交通運輸類、電氣信息類、機械類等。交通運輸類下的交通工程專業(yè)自1980年開始首批招收交通工程本科專業(yè)學生，該本科專業(yè)是從傳統(tǒng)優(yōu)勢的土木工程學科專業(yè)群中延伸出來的新專業(yè)，2000年隨著兩校合并，集中兩校原有的道路與鐵道工程、交通工程與交通運輸、交通信息工程等方面的教學力量，在現(xiàn)在的交通工程本科專業(yè)內(nèi)分別設(shè)置了交通規(guī)劃、道路與機場工程、交通信息工程和軌道交通工程等四個專業(yè)方向。交通信息工程專業(yè)方向是電子信息工程與交通運輸工程這兩大學科門類的全新融合，它是將信息科學技術(shù)完美地結(jié)合到現(xiàn)代交通運輸系統(tǒng)中去，充分發(fā)揮信息技術(shù)在交通運輸工程中的作用。因此，交通信息工程專業(yè)的培養(yǎng)目標應該是使前沿的信息技術(shù)更好地在交通運輸工程中得到推廣使用，以便更好的發(fā)展和推進交通運輸事業(yè)的現(xiàn)代化和信息化。

面向“卓越工程師”目標的交通工程本科專業(yè)培養(yǎng)方案是為了培養(yǎng)卓越工程師，故需探索多元化教學方式，積極建設(shè)面向工程能力培養(yǎng)的卓越工程師培養(yǎng)體系，解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)模式，培養(yǎng)能夠勝任交通工程及相關(guān)信息系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃、設(shè)計、施工、管理、控制、運行、維護、研究、教育以及投資開發(fā)等工作，并能面向未來，掌握解決現(xiàn)代交通問題的基本技能，掌握終身學習能力和國際視野的高級工程專門人才和拔尖創(chuàng)新人才。

二、面向交通信息的《信息傳輸原理》基礎(chǔ)課建設(shè)

（一）課程與其他課程的銜接關(guān)系

信息傳輸原理這門課程是交通與信息交叉中的一門屬于電子信息類的專業(yè)基礎(chǔ)課，它建立在電路分析基礎(chǔ)、信號與系統(tǒng)、電子技術(shù)基礎(chǔ)這些基礎(chǔ)課之上，除了需要交通運輸類常規(guī)的高等數(shù)學、線性代數(shù)的數(shù)學知識外，還需要電子類的數(shù)學基礎(chǔ)課復變函數(shù)與積分變換。

由于軌道交通信息控制以及智能交通系統(tǒng)中的管理與控制平臺、車路協(xié)同控制等都需要通信技術(shù)的支持，而信息傳輸原理是通信系統(tǒng)和技術(shù)的基礎(chǔ)，因此該門專業(yè)基礎(chǔ)課將支撐后續(xù)的軌道交通信號基礎(chǔ)、車站與區(qū)間控制、軌道交通運行控制與管理、交通信息網(wǎng)網(wǎng)與通信技術(shù)、智能交通系統(tǒng)等。

（二）面向交通信息的特色教材建設(shè)

面向交通信息交叉學科的信息傳輸原理課程的后續(xù)課程都是交通信息方向的專業(yè)課，因此信息傳輸原理的教學內(nèi)容較為廣泛，不僅包括電子信息方面的相關(guān)基礎(chǔ)知識，還包括通信控制和信號處理方面的專業(yè)領(lǐng)域知識，這是與電子通信工程專業(yè)的教學方案的不同之處。由此可見，信息傳輸原理教材不能簡單地與通信原理等同視之，因為通信原理的后續(xù)課程還有各種分門別類的通信專業(yè)課。

信息傳輸是一切應用信息系統(tǒng)的核心，它不僅承擔著將大量信息既要高效精準，又要安全可靠地有序流通和傳播的任務，而且在一定程度上決定了信息系統(tǒng)的服務性能和使用價值。此外，信息傳輸技術(shù)也是在信息技術(shù)中發(fā)展得最快和使用得最廣泛的熱門課題之一，特別是在交通運輸系統(tǒng)進入智能化時代之后，更是離不開信息傳輸技術(shù)的研究和開發(fā)應用。為此，特編寫了《信息傳輸原理》教材，該教材包括2004年的第一版和2011年的第二版，其中第二版為普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材。教材去除了現(xiàn)今已經(jīng)逐步淘汰的模擬信息傳輸廣泛，增加了應用廣泛的光纖信息傳輸內(nèi)容，并且補充了在現(xiàn)代數(shù)字信息傳輸中的新技術(shù)，使得教材內(nèi)容更加充分全面，更加切合交通信息工程專業(yè)的實際需求。全書共有6章組成，具體內(nèi)容包括第1章——信息與信息系統(tǒng)，第2章——信息編碼技術(shù)原理，第3章——數(shù)字調(diào)制技術(shù)原理，第4章——移動信息傳輸原理，第5章——光纖信息傳輸原理，第6章——信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。

三、課程教學內(nèi)容改革

課程的核心教學內(nèi)容包括信息與信息系統(tǒng)、信息編碼、數(shù)字調(diào)制、移動信息傳輸、光信息傳輸?shù)龋撜n程內(nèi)容多，原理復雜，涉及的知識面也很廣泛，學生不易理解和掌握，很難做到融會貫通。如果不將理論與工程實踐相結(jié)合，在單純的理論講解下，學生接受知識比較困難，因而對教學內(nèi)容進行了改革，結(jié)合每章節(jié)的核心理論知識模塊，將交通領(lǐng)域的典型應用中的理論知識進行貫穿講解（見表1），一方面便于理論知識的理解，另一方面便于與后續(xù)的專業(yè)課程有效銜接。

與教材中的核心理論知識模塊相比較，每個知識模塊要與交通領(lǐng)域的詳細用例相結(jié)合教學將更好地理解。以比較難于理解的數(shù)字調(diào)制技術(shù)原理為例，針對基帶傳輸計算機串口傳輸、軌旁電子單元與可變應答器接口基帶碼型；而對于頻帶傳輸，即頻率調(diào)制，則結(jié)合高速鐵路信號系統(tǒng)中的兩種車地信息傳輸方式：應答器與軌旁控制單元基帶傳輸、音頻軌道電路調(diào)制進行了調(diào)制方式講解和綜合性實驗安排。

四、面向工程能力培養(yǎng)的實驗教學改革

（一）實驗教學內(nèi)容及方式改革

1.多層次的實驗類型設(shè)置。（1）驗證性實驗。對驗證性實驗，在硬件設(shè)備缺乏的情況下，可以采用Matlab仿真實驗的教學方法。主要是選擇不同的輸入信號，觀察中間及輸出的信號波形。在模擬現(xiàn)實情況下，實現(xiàn)對理論知識的驗證。（2）設(shè)計性實驗。對“信息傳輸原理”課程的設(shè)計性實驗，可以結(jié)合學時的數(shù)量并充分利用學生的課外時間和開放性實驗室，主要是對通信系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊進行設(shè)計。譬如對線性分組碼BC及循環(huán)冗余編碼CRC模塊的設(shè)計性實驗，通過使用MATLAB編程方法對BC及CRC編碼器進行模擬仿真，如果仿真結(jié)果和理論分析保持一致，即說明設(shè)計方法有效。通過這種方法，可以使學習者具備實際項目的研究手段，能更好地為今后的研究和實踐做準備。（3）綜合性實驗。綜合性實驗是給定一個通信系統(tǒng)，通過分析系統(tǒng)各方面的性能指標，綜合運用所學的理論知識，如編碼、調(diào)制、編程等要求學生從理論上對系統(tǒng)建模，在Matlab平臺仿真對實際的軌道交通車地通信系統(tǒng)進行實驗，觀察記錄實驗結(jié)果。

2.實驗內(nèi)容與方式改革。（1）理論與工程應用相結(jié)合。本課程針對理論知識模塊共安排了8個實驗項目和1個綜合設(shè)計，即大作業(yè)（如表2所示），實驗項目含基礎(chǔ)實驗和與軌道交通信息與控制信息傳輸密切結(jié)合的實驗，如應答器和軌道電路音頻信息傳輸。（2）發(fā)揮學生主導地位，完成雙主體教學的體系。在課堂上，教師只需充當輔導學生的角色，當學生遇到困難時，對其進行引導性的解答，增強學生解決問題的能力。在實驗操作過程中，教師應及時指出學生的錯誤做法，并在實驗完成后，對學生的實驗效果與掌握情況進行評價。（3）發(fā)掘課內(nèi)外資源，構(gòu)造綜合型與設(shè)計型實驗體系。依托同濟大學道路與交通教育部重點實驗室的開放性實驗管理平臺，對于課外實驗，學生通過平臺預約，在相對寬松的課外時間完成實驗，開展由學生自主設(shè)計、自主實驗、自主分析結(jié)果的綜合設(shè)計型實驗。整合實驗教學內(nèi)容，制定以學生為中心的體驗式、啟發(fā)式實驗教學模式，構(gòu)建如表2所示的實驗課程體系。

（二）軌道交通信息控制特色的綜合性實驗案例

1.理論知識的工程應用場景。應答器是鐵路信號車地信息傳輸?shù)闹饕O(shè)備之一，如圖2。應答器可向CTCS-3級列控系統(tǒng)車載設(shè)備提供等級轉(zhuǎn)換、建立無線通信、位置等信息，同時對CTCS-2級列控系統(tǒng)車載設(shè)備提供線路坡度、軌道電路、線路速度、臨時限速等線路參數(shù)信息。應答器報文信息格式采用了統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，應答器設(shè)置滿足CTCS-3系統(tǒng)、兼容CTCS-2系統(tǒng)的要求。應答器工作原理功能模塊圖如圖3所示。

2.實驗目的及其與理論知識點對應。本次實驗內(nèi)容包括應答器通信系統(tǒng)的搭建和仿真實現(xiàn)，其主要目的是：首先，通過鐵路應答器車地信息傳輸案例，讓學生熟悉信源編碼、信道編碼的方法和作用；其次，學生熟悉二元數(shù)字頻率調(diào)制2FSK工作原理及鐵路應答器A口FSK信息傳輸方式，并對該數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)進行建模仿真，運用MATLAB的Simulink工具箱搭建完整信號調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)；通過對比信號基帶波形與解調(diào)后的波形差異，了解FSK信號調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)劣。本次實驗可以與信息傳輸原理中的多個理論知識模塊（見圖4）對應，包括：（1）應答器信源報文編碼。了解應答器報文信息格式的技術(shù)標準，如表3所示，其為信源編碼的常規(guī)編碼方式。（2）應答器信道CRC信道編碼。應答器傳輸包圍的數(shù)據(jù)格式如圖5所示，包括加擾的數(shù)據(jù)報文、控制位、擾亂位、修正位和校驗位。重點運用信息傳輸原理中關(guān)于信道編碼的循環(huán)冗余編碼方法，實現(xiàn)應答器傳輸報文檢驗位編碼。（3）空中A口調(diào)制與解調(diào)。應答器傳輸系統(tǒng)是安全點式傳輸系統(tǒng)，通過應答器實現(xiàn)地面設(shè)備與車載設(shè)備之間的安全信息傳輸。地面應答器與車載天線之間的接口為A接口，采用電磁感應發(fā)送，接口為A1和A4。其中，A1為應答器向天線單元傳輸上行鏈路應答器報文的接口，A4為天線單元向應答器傳輸應答器所需電源的接口（遠程供電信號）。

應答器向天線單元傳輸上行鏈路信號要求采用連續(xù)相位FSK調(diào)制方式。發(fā)送邏輯“0”（fL）頻率為3.951MHz，發(fā)送邏輯“1”（fH）頻率為4.516MHz，中心頻率為（fL+fH）/2=4.234MHz±200kHz。

2FSK信號的包絡(luò)檢波法解調(diào)方框圖，經(jīng)包絡(luò)檢測后取出包絡(luò)，通過抽樣判決器進行比較，把兩路包絡(luò)信號送到抽樣判決器進行對比，從而判決輸出基帶數(shù)字信號。

3.實際線路應答器信息傳輸實驗設(shè)計。（1）根據(jù)實際線路區(qū)段信息，編寫應答器地對車信息傳輸報文。線路區(qū)段示例如圖6，其在區(qū)段L1、L2、L3、L4各段的線路限速信息分別對應v1、v2、v3、v4，通過應答器報文傳輸給車載控制器。（2）運用MATLAB讀取文件中已編寫的應答器數(shù)據(jù)報文。（3）運用MATLAB的Simulink工具箱搭建完整的2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，模擬鐵路應答器地對車A口FSK傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)輸入為應答器的數(shù)據(jù)報文，由基帶M-FSK調(diào)制與解調(diào)器模擬2FSK調(diào)制解調(diào)，采用加性高斯白噪聲信道，最后配上速率轉(zhuǎn)換器及顯示器顯示應答器的數(shù)據(jù)報文的調(diào)制與解調(diào)結(jié)果。

五、結(jié)語

交通工程卓越工程師的培養(yǎng)需要寬專業(yè)、厚基礎(chǔ)，然后基礎(chǔ)課教學存在公式偏多、難于理解、與實際工程問題脫節(jié)的現(xiàn)實問題，本文以交通工程專業(yè)信息方向的專業(yè)基礎(chǔ)課《信息傳輸原理》為例，面向軌道交通信息控制行業(yè)為對象，分析了課程的基礎(chǔ)知識對后續(xù)專業(yè)課程的支撐作用，結(jié)合后續(xù)工程應用，對原理課程的知識模塊進行分解，每個核心內(nèi)容配備相應的實驗內(nèi)容，并對實驗內(nèi)容和方式進行了改進，增加了學生對課程的理解，同時也提高了學生解決復雜工程問題的能力。

參考文獻：

[1]張樹京，歐冬秀.信息傳輸原理[M].上海：同濟大學出版社，2011.

[2]歐冬秀.面向卓越計劃的交通工程專業(yè)課程體系改革[J].大學（學術(shù)版），2013，（03）.

[3]安靜，康琦，汪鐳，吳啟迪.面向卓越工程師培養(yǎng)的“通信原理”教學改革與實踐[J].微型電腦應用，2014，30（11）.

[4]江迎.應答器系統(tǒng)的建模、仿真及其應用研究[D].北京交通大學碩士學位論文，2014.

[5]歐冬秀，張輪.交通信息工程系列教材編寫的思考與體會[J].教育教學論壇，2012，（7231）：66-68.

[6]張雅靜.基于GNSS的虛擬應答器研究[D].北京交通大學，2007.

[7]張杰.公共管理類大類專業(yè)分流過程和實施效果——以首都經(jīng)濟貿(mào)易大學為例[J].教育教學論壇，2013，（13251）：4-5.

[8]趙暄.通信原理實驗教學體系的建設(shè)[J].求知導刊，2015，（2509）：59.

[9]牛文娟，張翠玲，郭瑩.電氣信息大類招生背景下專業(yè)分流制度與學生管理工作探討[J].考試周刊，2012，（74）：160-161.

[10]趙坤，趙海田.大類招生人才培養(yǎng)模式探析[J].現(xiàn)代企業(yè)教育，2014，（46118）：72.