現(xiàn)代軌道交通虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)

馬 然， 馬 軍， 周連佺， 蘇秀平

(江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)

現(xiàn)代軌道交通虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)

馬 然， 馬 軍， 周連佺， 蘇秀平

(江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

針對高校軌道交通類專業(yè)教學(xué)與人才培養(yǎng)中存在的若干問題，課題組以培養(yǎng)國際化、應(yīng)用型軌道交通工程專業(yè)人才為目標(biāo)，以虛擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)發(fā)展的最新成果為手段，開發(fā)現(xiàn)代軌道交通實驗教學(xué)中心，建立3大虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，創(chuàng)建實踐教學(xué)新模式。教學(xué)實踐證明，教學(xué)改革成果顯著，學(xué)生的工程實踐創(chuàng)新能力不斷提高。

虛擬仿真； 實驗教學(xué)； 軌道交通； 教學(xué)模式

隨著我國高速鐵路的迅猛發(fā)展，社會亟需大批軌道交通類專業(yè)技術(shù)人才[1-7]。我校2008年與上海鐵路局達(dá)成共同培養(yǎng)軌道交通類專業(yè)人才的戰(zhàn)略意向，在上海鐵路局徐州電務(wù)段建立了“大學(xué)生實習(xí)實訓(xùn)基地”，同年11月整合校內(nèi)外優(yōu)質(zhì)資源，面向車輛工程、軌道交通信號與控制、電子信息工程等5個軌道交通類專業(yè)，在機(jī)械基礎(chǔ)、電工電子2個省級實驗教學(xué)示范中心的基礎(chǔ)上，成立了“軌道交通綜合實踐教學(xué)中心”。

由于雨雪、冰凍、霧霾等不可控極端環(huán)境因素嚴(yán)重影響列車運行安全，事故預(yù)防、安全預(yù)警成為提高列車運行可靠性的重要手段[6-10]，而真實實驗難以完成高危環(huán)境、不可及的操作以及高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練。利用虛擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)，模擬高危或極端環(huán)境、再現(xiàn)不可逆事故場景，為分析影響列車安全運行因素、消除安全隱患提供了有效途徑[10-15]。我校秉承人機(jī)交互、虛實結(jié)合、開放共享的建設(shè)理念，通過校企融合、行業(yè)參與、國際合作，搭建了現(xiàn)代軌道交通虛擬仿真平臺體系，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時在線、故障高危預(yù)警、情境模擬再現(xiàn)，形成了虛擬仿真高危環(huán)境下的高速鐵路系統(tǒng)，構(gòu)建了逼真的實驗場景和實驗對象，提供了安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、可重復(fù)的實驗教學(xué)項目，達(dá)到了教學(xué)互動、資源共享、全天候信息化實驗的教學(xué)目的。

1 建設(shè)內(nèi)容

堅持“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，以現(xiàn)代教育理念為先導(dǎo)，以優(yōu)質(zhì)資源共享為核心，以信息化教學(xué)資源建設(shè)為重點，以服務(wù)人才培養(yǎng)為宗旨，加強(qiáng)校企合作與國際化合作，建設(shè)具有示范、引領(lǐng)作用的軌道交通全過程虛擬仿真實驗教學(xué)中心。基于這一理念，構(gòu)建了“運輸組織”“行車控制”和“運行車輛”3大虛擬仿真實驗平臺，實現(xiàn)軌道交通全過程、一體化虛擬仿真，提高實驗教學(xué)資源管理效率、促進(jìn)實驗教學(xué)資源共享，實現(xiàn)多方協(xié)同人才培養(yǎng)，加強(qiáng)國際合作，推進(jìn)實驗教學(xué)信息化建設(shè)，全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

現(xiàn)代軌道交通虛擬仿真實驗教學(xué)中心(簡稱實驗教學(xué)中心)建設(shè)充分體現(xiàn)“虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實不虛”的原則，重點建設(shè)4個方面內(nèi)容。

1.1“一縱三橫多分支”虛擬仿真實驗教學(xué)資源系統(tǒng)

依托學(xué)校學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢、借助上海鐵路局的實體資源和俄羅斯圣彼得堡國立交通大學(xué)優(yōu)質(zhì)實驗課程體系、整合學(xué)校信息化實驗教學(xué)資源、應(yīng)用人機(jī)交互技術(shù)，虛擬仿真現(xiàn)代軌道交通，構(gòu)建“運輸組織虛擬仿真”“行車控制虛擬仿真”“運行車輛虛擬仿真”3方面實驗教學(xué)資源。每個教學(xué)資源涵蓋若干實驗項目，形成圖1所示“一縱三橫多分支”的實驗教學(xué)系統(tǒng)，為學(xué)生提供“認(rèn)知、實操、提升”3個層次的實驗空間，使學(xué)生完成“大一感受、大二接觸、大三參與、大四自主”的專業(yè)學(xué)習(xí)與研究過程。將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容，開拓學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力。

以“運行車輛虛擬仿真實驗平臺”為例，該平臺依托機(jī)械工程一級學(xué)科，面向高速鐵路這一現(xiàn)代軌道交通，堅持“虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實不虛”的原則，建設(shè)了圖2所示實驗體系。實驗項目見表1。

序號項目名稱基本內(nèi)容功能及效果1動車組列車認(rèn)知對動車組縮微模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)上、設(shè)計上多視圖的解剖和對比幫助學(xué)生自主對動車組列車進(jìn)行概要了解,激發(fā)學(xué)生興趣2列車組件主要零部件設(shè)計根據(jù)列車技術(shù)要求,將懸掛彈簧、減振器等主要零部件的非線性特性設(shè)計成較為理想的曲線節(jié)約設(shè)計成本,培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力3組件虛擬拆裝通過操作3D轉(zhuǎn)向架模型的方式來模擬機(jī)械設(shè)備的分解和組合該實驗可使學(xué)生對轉(zhuǎn)向架有更加深入的認(rèn)識4機(jī)械部分虛擬檢修虛擬實操機(jī)械檢測儀器儀表的使用、檢測方法、故障現(xiàn)象、養(yǎng)護(hù)方法等鍛煉學(xué)生的故障排查能力,達(dá)到虛擬培訓(xùn)目的

表1(續(xù))

1.2“運輸組織、行車控制、運行車輛”一體化平臺

實驗教學(xué)中心立足現(xiàn)代軌道交通系統(tǒng)，采用數(shù)字虛擬現(xiàn)實、360°全景展現(xiàn)、數(shù)據(jù)庫和用戶互動等最先進(jìn)的教育信息化技術(shù)，構(gòu)建指揮調(diào)度虛擬仿真系統(tǒng)、信號控制3D虛擬仿真系統(tǒng)、車體虛擬裝配維修與訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，呈現(xiàn)三維站場景觀、鐵路設(shè)施設(shè)備，創(chuàng)建圖3所示“運輸組織”“行車控制”“運行車輛”3大可擴(kuò)展性、兼容性的一體化共享平臺，實現(xiàn)軌道交通全過程虛擬仿真。

圖3 一體化平臺

1.3多層次、雙師型、具有國際視野的實驗教學(xué)團(tuán)隊

加強(qiáng)虛擬仿真實驗教學(xué)隊伍建設(shè)，以“學(xué)科為引領(lǐng)、教學(xué)為主體”，建設(shè)一支創(chuàng)新意識強(qiáng)、學(xué)術(shù)水平高、教學(xué)能力強(qiáng)、實踐經(jīng)驗豐富、具有國際視野的實驗教學(xué)隊伍。形成以江蘇省特聘教授、“雙創(chuàng)人才”為領(lǐng)銜，優(yōu)秀博士、高級實驗師為骨干，年齡、學(xué)歷和學(xué)緣結(jié)構(gòu)合理的多層次實驗教學(xué)梯隊；建成由專業(yè)教授、優(yōu)秀工程師、軟件工程師等構(gòu)成的教學(xué)科研經(jīng)驗豐富、工程實踐能力強(qiáng)的雙師型實驗教學(xué)團(tuán)隊；通過實施教師隊伍建設(shè)的“153工程”“331國際化工程”，拓展國際視野、提升實驗教學(xué)隊伍國際化水平；通過強(qiáng)化管理隊伍建設(shè)，打造一支專業(yè)化、規(guī)范化、信息化和科學(xué)化的管理隊伍。

1.4 建立科學(xué)、高效的管理體系

實驗教學(xué)中心以優(yōu)質(zhì)資源的開放共享和高效使用為目標(biāo)，建立有利于激勵學(xué)生學(xué)習(xí)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力的管理體系。中心為學(xué)校直屬業(yè)務(wù)單位，管理體制健全、運行機(jī)制完善。在主管校長的領(lǐng)導(dǎo)下、在管理委員會和教學(xué)委員會指導(dǎo)下，實行中心主任負(fù)責(zé)制，采取“統(tǒng)一管理、統(tǒng)籌規(guī)劃、資源共享、有效利用”的管理模式，全面負(fù)責(zé)實驗教學(xué)中心的運行和管理。

2 資源共享

2.1 資源共享的范圍和效果

實驗教學(xué)中心面向校內(nèi)外軌道交通類專業(yè)開展實驗教學(xué)，每年接納校內(nèi)學(xué)生5 800人次、校外學(xué)生900人次，為淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)培訓(xùn)員工400人次，開設(shè)虛擬仿真實驗44個，年教學(xué)工作量14 200人時。同時，為教師的科學(xué)研究，學(xué)生的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、課外科技活動及企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)等提供全方位、多功能的實驗平臺。實驗教學(xué)中心實施開放式管理，數(shù)據(jù)共享，提高了資源利用率和使用效益。

實驗教學(xué)中心教學(xué)資源面向教師科研開放，發(fā)揮實驗教學(xué)中心在教師科研中的作用，教師可利用實驗教學(xué)中心設(shè)備進(jìn)行科研項目的實驗和調(diào)試，部分成果轉(zhuǎn)化為學(xué)生實訓(xùn)項目，進(jìn)一步豐富了實驗教學(xué)中心教學(xué)資源庫的建設(shè)；面向?qū)W生進(jìn)行課內(nèi)外教學(xué)，強(qiáng)化學(xué)生基本能力訓(xùn)練，提高了學(xué)生綜合運用專業(yè)知識分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新能力。實驗教學(xué)中心教學(xué)資源為周邊高校的教學(xué)與科研及淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)企業(yè)的員工培訓(xùn)，發(fā)揮了重要作用。

2.2 進(jìn)一步實現(xiàn)共享的措施

進(jìn)一步加大實驗教學(xué)中心實驗室開放的力度，滿足我校及兄弟院校軌道交通類專業(yè)學(xué)生工程能力訓(xùn)練與培養(yǎng)需求，使之在近似真實的工程環(huán)境中得到良好的工程訓(xùn)練。繼續(xù)完善實驗教學(xué)中心網(wǎng)站建設(shè)，促進(jìn)相互交流，加強(qiáng)資源共享，更好地為校內(nèi)外師生提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。進(jìn)一步完善實驗教學(xué)中心與合作企業(yè)、國外高校常態(tài)化交流機(jī)制，定期開展相互交流，研討人才培養(yǎng)與學(xué)科建設(shè)等問題，促進(jìn)資源共享，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

3 條件保障

3.1 儀器設(shè)備配置

實驗教學(xué)中心面積約8 600 m2，包括“運輸組織”“行車控制”和“運行車輛”3大虛擬仿真平臺，擁有虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)、高性能刀片服務(wù)器等儀器設(shè)備1 800套，價值3 200萬元。研制、改進(jìn)了“動車駕駛模擬系統(tǒng)”“動車轉(zhuǎn)向架檢修虛擬仿真系統(tǒng)”“機(jī)器人柔性制造技術(shù)實驗臺”“氣動特性實驗臺”等體現(xiàn)專業(yè)特色的實驗系統(tǒng)和設(shè)備10余套。

3.2 環(huán)境與安全

實驗教學(xué)中心設(shè)計人性化、智能化，各實驗室布局科學(xué)，設(shè)施配置和周邊環(huán)境以人為本，安全、環(huán)保。實驗室設(shè)計規(guī)范，寬敞明亮，通風(fēng)良好；水電管道、網(wǎng)絡(luò)走線布局安全合理，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。實驗教學(xué)中心以校園網(wǎng)為依托，添置服務(wù)器、交換機(jī)和計算機(jī)，不斷改善硬件和軟件環(huán)境，校園局域網(wǎng)及其完備可靠的軟件系統(tǒng)，極大地方便了實驗教學(xué)。利用“實驗室管理信息平臺”，對儀器設(shè)備的購置及使用、易耗品管理等進(jìn)行計算機(jī)動態(tài)管理。運用計算機(jī)軟件技術(shù)及視頻監(jiān)控等手段實現(xiàn)對實驗教學(xué)中心大型儀器設(shè)備的規(guī)范化、信息化管理。

開展環(huán)境文化建設(shè)，建設(shè)內(nèi)容包括實驗室內(nèi)部管理、安全標(biāo)志、學(xué)科前沿展示、科研團(tuán)隊研究動態(tài)展示及環(huán)境美化，充分展示實驗教學(xué)中心的工程特性、現(xiàn)代理念，適應(yīng)日益增加的國際化需求。

實驗教學(xué)中心安全是管理的重中之重。實驗教學(xué)中心從“物防”和“人防”2方面著手，嚴(yán)格管理、防控結(jié)合、重在預(yù)防，確保中心安全。為保證有效提高實驗教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)設(shè)計性、綜合型、創(chuàng)新型和研究型實驗項目的開展，實行科學(xué)化、制度化、經(jīng)常化的管理，確保儀器設(shè)備正常運行。

4 結(jié)語

(1) 建設(shè)“一縱三橫多分支”虛擬仿真實驗教學(xué)資源系統(tǒng)。實驗教學(xué)中心整合學(xué)校信息化實驗教學(xué)資源、應(yīng)用人機(jī)交互技術(shù)，虛擬仿真現(xiàn)代軌道交通，構(gòu)建“運輸組織”“行車控制”和“運行車輛”3方面實驗教學(xué)資源，每個教學(xué)資源涵蓋若干實驗項目，形成了“一縱三橫多分支”的實驗教學(xué)系統(tǒng)，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗活動，提高工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

(2) 構(gòu)建與鐵路行業(yè)、軟件公司共建共享的“教學(xué)—實訓(xùn)—研發(fā)”平臺。依托鐵路局先進(jìn)技術(shù)力量、實體資源和運行數(shù)據(jù)及軟件公司開發(fā)實力，利用我校優(yōu)勢學(xué)科資源，結(jié)合虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、工程實訓(xùn)中心、職業(yè)技能培訓(xùn)中心，推進(jìn)校企深度合作，共同打造虛實結(jié)合、數(shù)據(jù)共享、信息交互、職前培養(yǎng)、職后培訓(xùn)的“教學(xué)—實訓(xùn)—研發(fā)”平臺，實現(xiàn)人才培養(yǎng)、工程應(yīng)用與就業(yè)無縫對接。

(3) 創(chuàng)建中俄合作、國際化課程嵌入的實驗教學(xué)模式。開展國際化合作辦學(xué)，借助俄羅斯聯(lián)邦圣彼得堡國立交通大學(xué)軌道交通專業(yè)雄厚的師資力量，嵌入俄方實驗課程，借鑒俄方實驗教學(xué)模式，采用俄方實驗教學(xué)方法，實施雙語教學(xué)，充分利用國外優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源，創(chuàng)新與提升中心實驗教學(xué)水平，共同培養(yǎng)軌道交通國際化專業(yè)人才。

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Construction on virtual simulation experimental teaching center of modern rail transportation

Ma Ran, Ma Jun, Zhou Lianquan, Su Xiuping

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangsu Normal University, Xuzhou 221116, China)

Aiming at some problems existing in the teaching and the talent cultivation of the university rail transportation majors, and by taking the cultivation of the international and applied rail transportation professional talents as the goal and the latest achievements in the development of virtual reality and simulation technology as a means, the research group has developed the experimental teaching center of modern rail transportation, set up three virtual simulation experimental teaching platforms, and established a new practical teaching mode. The teaching practice shows that the remarkable achievements are made in teaching reform, and the students’ ability of engineering practice and innovation is continuously improved.

virtual simulation; experimental teaching; rail transportation; teaching mode

G434

A

1002-4956(2017)10-0215-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.053

2017-03-08修改日期2017-05-07

江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度課題(B-a/2016/01/14)；國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51605209)

馬然(1983—)，女，山東兗州，博士，講師，主要從事車輛振動及其控制方面的研究

馬軍(1967—)，男,黑龍江伊春,碩士,副教授,主要從事機(jī)電設(shè)備故障診斷方面研究.

E-mail：marandxx@eyou.com