淺談機車模擬駕駛實訓室智能管控系統

摘 要：2018年6月7日，國家發布了《智慧校園總體框架》標準。教育部《教育信息化2.0行動計劃》提出：加快建設在線智能教室、智能實驗室、虛擬工廠（醫院）等智能學習空間，積極探索基于區塊鏈、大數據等新技術的智能學習效果記錄、轉移、交換、認證等有效方式，形成泛在化、智能化學習體系，推進信息技術和智能技術深度融入教育教學全過程，打造教育發展國際競爭新增長極。

關鍵詞：機車模擬 駕駛實訓 智能管控系統

Abstract：On June 7， 2018， the state released the standard of "General Framework of Smart Campus". The Ministry of Education's "Education Informatization 2.0 Action Plan" proposes to accelerate the construction of intelligent learning spaces such as online intelligent classrooms， intelligent laboratories， and virtual factories （hospitals）， and actively explore intelligent learning effect records based on new technologies such as blockchain and big data to form a ubiquitous and intelligent learning system， promote the deep integration of information technology and intelligent technology into the whole process of education and teaching， and create a new growth pole for international competition in education development.

Key words：locomotive simulation， driving training， intelligent management and control system

1 機車模擬駕駛實訓教學管理的現狀

隨著我院鐵道機車專業實訓教室建設的投入不斷增大，實訓室在教室數量和設備質量上都得到較大提高，但隨之而來帶了實訓室教學管理方面的問題，管理人數與實訓室數量不成比例，實訓室仍采用傳統的人工管理方式，這顯然不能夠滿足學生的學習需求，難以激發學習熱情，導致教學管理者的工作效率低，運行成本高，缺乏統一且高效的運行管理以及監控手段，凸顯出實訓室利用率低、管理者工作量大、實訓成績評判方式單一且主觀影響因素多、學生技能訓練效果不佳等問題，并且這些問題對于后續教學的開展和質量的提升都起到了阻礙的作用。

2 機車模擬駕駛實訓室智能管控系統的必要性

現有的智慧實訓室管理系統大多能解決實訓室設備遠程控制、環境監測與報警、實訓開放預約控制、設備使用數據統計等功能，但無法解決學生實訓過程評價，涉及到機車模擬駕駛實訓過程中設備操作、動作比劃、口號呼喚等相互關聯的技能操作評判，仍需要教師現場評價，對實訓后的成績和數據的的存儲及使用相當不便，對學情分析及個性化技能指導帶來一定困難。無法將教學資源庫和線上教學平臺對接，使實訓室成為孤立單元，脫離了線上平臺互動教學與管理，只提供課堂內技能練習，實訓過程未參與至課前導學和課后回顧等整個教學環節，容易造成學生實訓過程中的盲目性，實訓后未有效進行技能鞏固，對學生高質量技能培養的促進意義不大，在無人值守情況下對學生遇到的問題無法實時解決。如何把實訓室管理好、維護好、使用好是一個亟需解決的問題。所以，改變現有實訓室管理現狀，建立一套網絡化、智能化、開放共享、便于擴展的機車模擬駕駛實訓室智能管控系統勢在必行。

因此，針對機車模擬駕駛這種專業特點鮮明的實訓室，除了實現環境、設備的智能控制外，還需對實訓過程中設備操縱、動作比劃、口號呼喚三個技能考核點增加收集、自動評判、實訓成績存儲、學情分析等的智能評價功能，并且將教學信息、教學內容、實訓數據、教學資源庫等實訓要素等通過云平臺教學端有機融合在一起，實現學生端與教師端線上聯動。通過以上的改進方法，設計一套機車模擬駕駛實訓室智能管控系統，實現實訓室遠程監控、集中管理、故障自動報警的智能環境控制，學生課程智能預約、智能導學、云平臺線上互動、遠程指導，實訓過程中語音、圖像、操作全過程監控的智能評價，能自動評判學生技能操作狀態，并通過云平臺對學生實訓全周期信息智能跟蹤管理，達到學生自主實訓、成績自動評測、設備智能管理、數據智能分析并跟蹤的目的。

3 機車模擬駕駛實訓室智能管控系統介紹

機車模擬駕駛室智能管控系統是一個借助新技術，以智能自助實訓、智能自動評測、智能運維管理、云平臺智能管理等四大模塊為核心的系統。該系統依托物聯網、大數據技術等技術，解決了實訓室遠程監控、集中管理、故障自動報警等的智能環境控制。借助智能自動評測系統，解決機車模擬駕駛實訓過程中設備操作、動作比劃、呼喚口號等關鍵技能訓練項點的數據抓取、能夠對數據進行智能分析和自動評價，并對學生實訓數據進行全周期自動記錄，通過大數據分析平臺，自動分析出學生個人的畫像特征雷達圖，使用云平臺及人工智能技術，解決學生課程智能預約、智能導學、移動端遠程線上互動、在線問答、實訓指導等問題，通過教學資源庫數字化管理，做到學生履歷管理一人一賬戶，完成對學生全實踐周期信息智能跟蹤管理。通過以上技術實現了實訓室管理智能化、自動化，實訓室運行精細化、智慧化，實時掌控實訓室運行狀態，加強實訓多維度全方位評價，提升實訓室管理能力，保障實訓室安全管理需求，提高運維效率和服務質量，有利于實訓室管理工作全面協調可持續發展，具備可拓展性，并為后續類似實訓室智慧化建設提供參考樣本和經驗。

本項目通過分析既機車模擬駕駛實訓室的管理現狀，查找存在的問題，結合實訓評價需求，依托學院智慧實訓室建設指導意見與數據標準，研究并設計一套以智能自助實訓、智能自動評測、智能運維管理、云平臺智能管理等四大模塊為核心的智能實訓室監管系統，實現實訓室的智能化和信息化管理，代替傳統的管理模式。建立一個面向教師、學生、管理部門等用戶終端的集實訓室基礎數據采集、實訓室監控管理、實訓教學預約、學情分析、信息發布、智能考勤、遠程指導、信息推送、實訓自動評價等功能于一體的線上線下相結合的智能實訓室監控系統，為實訓教學管理部門提供管理及決策的數據服務，并以此為關聯的紐帶，通過整合線上教學資源庫、線下技能考核數據，通過智能分析云平臺，對學生進行精準教學指導、技能評價、全過程實訓跟蹤等。完善學院智慧校園建設中既有實訓室智能化建設規范和數據標準，建立一個基于先進技術的機車模擬駕駛實訓室智能管控系統管理工作機制，為學院智慧校園中實訓室建設提供提供樣本及理論支持，并期望對以后相關既有實訓室智能化改造項目的研究和應用能起到借鑒作用。

4 機車實訓室信息化建設的主要因素分析

同傳統理論教學有所不同，借助實訓教學，不僅能夠提升機車駕駛學習者的綜合實踐能力與創新意識，使其將所學的理論知識運用于實踐工作中來。同時，學習者還能夠實現個人職業技能與素養的綜合發展，這是一個長期的過程。機車實訓教學的主要目的在于讓所有的機車駕駛學習群體能夠在短時間內掌握基本的實操技能、提升專業水平。但是由于機車駕駛在學習的內容方面比較龐雜且缺乏系統性，所涉及到的理論知識也是比較多的，因此常規的填鴨式教學是無法讓學習者真正理解并掌握知識的。

由此，借助機車駕駛實訓室教學的模式，學習者能夠在實操演練中運用理論知識，加深理解與運用的能力，從而能夠更好地內化知識與技能，切實提升自身技術水準與綜合實戰能力。此外，還能夠培養學習者認真對待工作的基本態度以及堅持實事求是的工作作風。近些年來，伴隨著信息時代的深入發展，信息技術被廣泛運用于各行各業中來，機車駕駛實訓室的信息化建設也是大勢所趨的。所謂的實訓室信息化就是指以現代信息化的設備作為教學的前提，借助便捷的互聯網技術以及現有的實訓場地來共同完成既定的教學任務。相較于傳統的教學模式，實訓室信息化的教學優勢顯著，如內容表現上更豐富多彩，具有教學吸引力和感染力，教學資源上更為多元化和共享化，能夠極大程度上提升教學效率。

作為實訓室教學的重要組成部分，實訓室在信息化平臺建設工作上需具備如下三個要素，第一個就是信息化的設備與環境。這是開展實訓室信息化教學的重要物質前提，為了能夠實現更好的教學效果，信息化的設備是不可或缺的，營造信息化的環境，更具代入感，從而更大程度上激發學生的參與性;第二是完善的教學設計。主要是由教學經驗豐富的教師或是機車專家等對于當下的實訓室信息化建設工作進行討論，結合實際情況制定相對完善的教學方案以及組織結構，并且將該教學方式融入到技能實訓以及教學評價制度中來;第三是透明且完備的教學評價制度。機車駕駛實訓課程更為注重實訓的過程表現，而非單一的結果，由此需要教學管理者能夠構建出較為完備的新型教學評價制度，主要的評價標準涵蓋了學習者的技能實操能力、創新能力以及應變能力等，對于表現出色的可予以評價獎勵，這樣學習者對于駕駛實訓課程的掌握度有更為客觀全面的認知。

5 機車模擬駕駛室智能管控系統建設目標與實現流程

5.1 系統建設目標

通過機車模擬駕駛實訓室智能管控系統的建設主要實現以下目標：

1.建設智能自助實訓模塊，通過移動端APP程序，實現實訓室空閑時段課程自助預約，預約查詢、審核審批、課前訓練計劃推送，成績報告自主推送;

2.完善智能自動評測模塊，加裝圖像采集器、語音采集器，通過圖像識別、語音識別、結合現有的專家庫自動評判系統對學生的操作技能和操作狀態進行自動評判，數據記錄及學員信息自動跟蹤更新;

3.建設智能運維管理模塊，依托互聯網、物聯網技術，通過智能門禁、智能管理網關、智能環境監控等手段，實現教師通過管理平臺或移動到APP程序，遠程控制設備開關機，實訓設備具備開機自檢、實時檢測、一旦檢測到設備故障、異常行為（故意遮擋、破壞）、環境異常自動上報到管理平臺，向相關管理負責人進行報警提醒。通過智能大數據看板，能夠實時顯示各個實訓室的環境狀態、運用狀態、設備狀態;

4.搭建云平臺智能管理，實現教學資源庫數字化管理，移動端遠程互動教學、在線問答、實訓指導，學生履歷管理做到一人一賬戶，對學生全實踐周期信息智能跟蹤管理。依托人工智能打通教育數據孤島，分析學生實訓情況、實訓課程，合理配置教學資源，提供智能化推送和個性化教學。

5.2 系統建設布局

結合學院數字化校園建設實際綜合考慮校園網絡環境、軟硬件環境，智能實訓室管控系統在技術上擬實現四個層面的布局，即：實現從實訓數據到應用的全覆蓋;實現物理本體與數字本體孿生并存、精準映射;實訓設備操作過程多維度與自動評測;實現以現實需求驅動虛擬服務、數據驅動決策;促進實訓室管控智能化、服務一站式、前后端打通的實訓室系統。重點從以下四方面進行：

1.感知層：主要包含傳感器網關、傳感器、攝像頭、電源控制終端設備。傳感器主要由溫度、濕度、煙霧、紅外等環境傳感器和電壓、電流、位置等設備狀態檢測傳感器組成，用于采集實訓室使用、維護、環境、設備狀態等關鍵實時數據，然后把數據信息傳給傳感器網關，再由網關發送出去。

2.網絡層：主要包含無線局域網、互聯網、Zigbee 網絡，實現對各個實訓室主要設備的網絡鏈接。一方面，將實訓室組建物聯網，通過互聯網將各個局域網鏈接，將感知獲取的信息傳送至應用層的后臺數據庫。另一方面，根據服務器發出的控制命令，傳送給感知層的物聯網網關，實現硬件的控制。

3.評測層：主要包圖像采集器、語音采集器，通過圖像識別、設備操作端，通過圖像和語音分析計算、結合現有的專家庫自動評判系統對學生的操作技能和操作狀態進行自動評判，數據記錄及傳輸至云平臺數據庫;

4.應用層：主要包含實訓室智能管控系統應用、云平臺和底層服務器及數據庫、中間件組成，用于實現對數據的實時存儲及調用，主要數據分析及智能分析，在線資源庫信息共享，移動端操作及線上互動。

5.3 系統主要功能

機車模擬駕駛實訓室智能管控系統能夠讓實訓室無人值守的情況下，實現學生智能自主實訓、成績智能自動評測、設備智能運維管理、線上資源及互動等云平臺智能管理的功能

（1）智能自助實訓功能：通過移動端APP程序，實現學生實訓室空閑時段課程自助預約，預約查詢、審核審批、課前訓練計劃推送，成績報告自主推送;

（2）智能自動評測功能：通過圖像識別、語音識別、結合現有的專家庫自動評判系統對學生的操作技能和操作狀態進行自動評判，數據記錄及自動跟蹤更新;

（3）智能能運維管理功能：實現教師通過管理平臺或移動到APP程序，遠程控制設備開關機，實訓設備具備開機自檢、實時檢測、一旦檢測到設備故障、異常行為（故意遮擋、破壞）、環境異常自動上報到管理平臺，向相關管理負責人進行報警提醒。通過智能大數據看板，能夠實時顯示各個實訓室的環境狀態、運用狀態、設備狀態;

（4）云平臺智能管理功能：實現教學資源庫數字化管理，移動端遠程互動教學、在線問答、實訓指導，學生履歷管理做到一人一賬戶，對學生全實踐周期信息智能跟蹤管理，分析學生實訓情況、實訓課程，合理配置教學資源，提供智能化推送和個性化教學。

（四）系統技術架構與開發要求

（1）技術架構

系統產品采用當前主流的J2EE技術路線，技術適用性強，產品技術成熟?？傮w架構采用B/S多層體系架構，支持各種主流操作系統平臺。

（2）開發平臺要求：平臺的設計支持純本地部署;支持Mysql、Oracle、SQLServer三種數據庫，支持Windows Server、Linux Server等多種操作系統。

（3）APP端：采用HTML5，它具有跨平臺性、產品迭代速度快等優點。

架構體系：HTML5+CSS+JS+JAVA2.

（4）性能要求：總體設計要求遵循以用戶為中心的原則，支持主流瀏覽器IE、Edge、Firefox、Chrome、Safari、360瀏覽器，不需要另行安裝插件。

（5）系統服務：實現智能實訓系統的全方位、全時段監控與管理就要保證服務器端軟件提供7*24小時不間斷服務，一個實訓周期內（60分鐘），可滿足12名學生的使用需求。

6 結束語

綜上分析，本項目依托現有機車模擬駕駛臺操作考評系統，研究設計一套機車模擬駕駛實訓室智能管控系統，通過物聯網、大數據技術，人工智能技術，實現實訓室遠程監控、集中管理、故障自動報警的智能環境控制，實現學生課程智能預約、智能導學、云平臺線上互動、遠程指導，重點是建設集語音、圖像、操作全過程監控的智能自動評測系統，能自動評判學生技能操作狀態，并通過云平臺對學生實訓全周期信息智能跟蹤管理，達到學生自主實訓、成績自動評測、設備智能管理、數據智能分析并跟蹤的效果，以提升實訓管理者的工作效率，方便師生線上線下多方位聯動實訓。

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作者簡介

吉久正：（1991.01—），男，青海西寧人，研究生，講師。研究方向：鐵道機車運用與維護。