車站信號控制虛擬仿真實驗平臺建設與探索

王延峰，焦玉召，江 泳

（鄭州輕工業大學電氣信息工程學院 河南 鄭州 450000）

根據《教育信息化十年發展規劃（2011-2020 年）》和《2017 年教育信息化工作要點》等相關要求，為深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合[1-2]，鄭州輕工業大學（以下簡稱“我校”）特開設軌道交通信號與控制專業，以培養更多的軌道信號專業人才，為我國鐵路事業發展提供更多后備力量。高質量軌道交通信號控制專業人才的培養離不開實驗設備和現場資源[3]，而軌道專業所需實驗設備多為結構復雜且價格昂貴的電子聯鎖系統、道岔系統、信號機系統和通信系統等，且前往鐵路現場進行實踐操作的風險較高，在實驗室條件下又易受設備臺套數少、實驗準備時間長、實驗費用高、運行安全無法保障等不利因素的制約，因此傳統校內實驗室很難滿足實踐教學的需求[4-10]。

我校開設的軌道交通信號與控制專業，以培養軌道交通工程技術型和應用型專業人才為核心目標。項目組經過反復調研、討論，結合軌道交通信息與控制類專業人才培養需求和車站信號控制系統實驗教學平臺的建設需求，于2019 年啟動車站信號控制虛擬仿真實驗平臺建設工作，并獲得校級虛擬仿真平臺項目支持。該平臺采用校企合作共建方式，以計算機技術、多媒體技術和虛擬仿真技術為技術手段，來模擬車站信號自動控制各環節場景，使學生能夠“一對一”地開展車站信號自動控制課程的相關實驗和實踐活動，自主完成學習，實現理論與實踐的一體化教學，達到本專業教學大綱制定的教學目標。

2 建設理念和思路

車站信號控制虛擬仿真實驗平臺是進行虛擬實驗教學、實驗過程跟蹤評價和評測考核的實驗平臺，平臺的建設主要服務于軌道交通信號與控制專業的實驗環節，因此，該平臺必須滿足實驗教學要求，符合實驗教學規律，達到實驗教學產出目標。在實驗培訓過程中引入虛擬仿真技術，能夠培養學生的自主學習能力，創建實踐教學新模式，實現理論與實踐相結合的一體化教學，達到教學大綱要求的教學目標和考核要求。

虛擬仿真實驗平臺建設充分體現虛實結合、相互補充的理念，具體體現在三個方面：①針對車站信號聯鎖控制真實設備實驗成本高、消耗大、不安全等限制，在實驗室不具備或難以完成相關實驗教學時，虛擬仿真實驗平臺能夠可靠、安全和經濟地完成基本實驗內容。②為了滿足自主設計虛擬仿真實驗的需求，系統可擴展到課程體系內相關的綜合性、開放性和工程性實驗，支持有能力的學生參與平臺建設，并能以此為背景設置相關課程設計和畢業設計課題。③開展教學項目、仿真平臺和教師隊伍建設，完善虛擬仿真實驗開放共享機制。

為了提高實驗教學的真實性和直觀性，虛擬仿真平臺可以模擬各種實際情況，如列車進路控制、信號設備故障處理等。學生可以在虛擬環境中進行操作，觀察信號控制系統的反應和效果，更好地理解車站信號自動控制的實際應用。基于該平臺，學生能夠自主完成實驗并生成實驗日志。平臺內容應參照國家鐵路信號行業標準規范進行設置，在培養職業技術能力的同時，融入安全操作元素，培養學生的團隊合作能力，樹立“安全第一”“故障-安全”的責任意識。

3 虛擬仿真平臺架構及功能模塊

3.1 虛擬仿真平臺構架及主要工作流程

車站信號虛擬仿真實驗平臺主要包含客戶端前端網頁端設計、后端實現業務邏輯的程序編寫以及后臺數據庫的創建三個方面的內容。平臺系統架構及功能模塊如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗平臺架構及功能模塊示意圖

主要工作流程如下：①用戶通過客戶端前端網頁選擇要實現的目標；②前端將用戶的請求發送給服務器進行識別；③通過后端程序找到對應的業務邏輯處理方式，實現對應的操作；④將請求發送給對應的數據庫，找到相對應的數據或者操作指令，并反饋給后端服務器；⑤將運行結果反饋給前端用戶，實現用戶對相關操作的需求。

3.2 虛擬仿真平臺功能模塊

虛擬仿真平臺界面設計遵循簡潔明了、易于使用、符合用戶操作習慣和實驗需求的原則，根據車站信號控制系統技術規則定制而成。人機交互界面除了提供必要的功能模塊外還要有良好的交互性，包括提示信息、錯誤提示、進度條等，使用戶能夠更好地理解和操作虛擬實驗平臺。該平臺主要包含以下功能模塊：

3.2.1 系統登錄區

學生或教師在首次使用該平臺時，需要先注冊賬號，然后根據個人賬號和密碼進行系統登錄，系統會驗證用戶信息，如果驗證通過，就可以進入虛擬仿真實驗網站。

3.2.2 角色選擇區

根據用戶需求和實驗的要求，選擇不同角色進入實驗，平臺設置教師、學生和管理員三類角色。

3.2.3 功能模塊區

這個區域會提供不同的功能模塊，包括實驗操作、實驗管理和交流互動。不同角色具備不同的功能權限：教師具有實驗項目日志查看、操作查詢、成績查詢、指導學生和后臺故障處理等權限；學生具有實驗項目選擇、圖紙選擇、故障處理、實驗操作和提交文檔等權限；管理員具備系統維護、賬號管理、故障處理、日志查看和報告生成等權限。用戶通過這些功能模塊完成不同的實驗操作和管理任務。

系統具備學習、考核和指導三種基本模式，學生根據自身學習需求選擇學習模式或考核模式，教師也能夠現場模擬操作某一項目的操作，指導學生學習和操作。在進行實驗項目的過程中，當學生出現操作錯誤時，系統會彈出告警窗口。學生完成實驗在線提交后，可以查看自己在實驗過程中的表現。每部分任務完成后，學生都要整理實驗分析設計報告。教師在系統中對學生學習情況進行追蹤，查看每個學生的實驗日志，對學生的預習、操作、實驗結果及報告、考試情況進行評分。

4 虛擬仿真平臺實驗內容建設及過程評價

為了使學生由淺入深地了解車站信號自動控制的工作原理和實驗流程，實驗任務主要包含：計算機聯鎖系統基本設備認知、軌道信號仿真、車站進路建立模擬、車站進路解鎖模擬、車站進路虛擬行車、車站進站虛擬故障及處理6 項基本實驗任務，可滿足課程教學大綱的實驗要求。

4.1 實驗準備階段的內容設置

實驗準備階段，教師在虛擬仿真實驗平臺的課程資源欄目中提供數字化資料，包括課件、實驗指導書和電子書等，并把經典實驗案例錄制成視頻上傳到虛擬仿真實驗平臺，包括CTCS3 列車啟動注銷自動進站實驗、車站進路建立與解鎖模擬實驗、車站聯鎖圖表繪制實驗等的視頻。學生課前觀看視頻的個數和時長作為實驗預習的一部分，并根據預先設置的預習成績按比例計入總成績。學生掌握實驗各環節的相關理論知識后，進入后續仿真實驗環節。

4.2 實驗操作內容建設

車站信號自動控制用以實現站內行車指揮，是軌道交通信號與控制專業的核心課程之一。車站信號自動控制的主要功能是實現聯鎖。為了保證行車安全，車站內信號、道岔、車列運行路徑（進路）之間必須遵循一定的條件，按照一定的程序來嚴格執行，這些條件和程序稱為聯鎖。根據課程目標和畢業達成度要求，計算機聯鎖實驗操作階段，系統模式選擇項目驅動式實踐過程，網站會隨機從系統數據庫中選擇車站信號平面布置圖，根據項目進程和難易度分段實施。學生可依次完成車站進路建立、車站進路解鎖、車站進路虛擬行車和車站進路虛擬故障及處理四項任務，實現掌握典型的車站計算機聯鎖系統組成及其運行原理，熟悉常見的計算機聯鎖系統日常工作狀態、相關行業規范條例及設備常見故障，具備基本的計算機聯鎖系統維護能力的課程目標。

專業教學一線的教師最了解實驗內容和實驗目的，制訂了具體的實驗設計和要求，而操作實驗的學生是虛擬仿真實驗平臺的最終使用對象，能夠驗證實驗項目的實際效果并做出反饋。秉著學以致用、知行合一的教學目標，項目組鼓勵學生參與系統項目開發和功能測試，教師以該仿真項目為工程研究背景，擬定課程設計和畢業設計課題應用于電氣信息工程學院18、19 和20 級軌道交通信號與控制專業的學生中。以軌道信號仿真功能測試為例說明系統設計開發的相關實驗內容，該仿真系統模塊功能為本專業高年級學生自主開發。

具體操作如下：首先點擊項目列表菜單中的“軌道信號仿真”，可挑選不同車站平面布置圖，按照排列進路需求選擇始端信號燈，以正線通過進路為例，將信號燈設置成綠色、紅色，相應的軌道電路變成占用或者空閑狀態，表1為軌道信號仿真功能測試驗證的具體內容。圖2 所示是正常通行的站場示意圖，當表示排進路失敗時示意圖會彈出警告窗口。

表1 軌道信號仿真實驗

圖2 正常通行的站場示意圖

4.3 實驗內容過程評價

自我校修訂2019 年版專業課程大綱開始，必修課采用課程過程性評價與總結性評價相結合的考核方式。其中車站信號控制課程實驗過程性評價占比60%，綜合考核占實驗總成績的40%，過程性評價由實驗預習、操作過程和實驗報告組成。學生進入系統的實驗項目時要使用考核模式，在虛擬環境下進行操作，主要考核學生對車站信號自動控制系統的理解和熟悉程度，要求學生能按照抽到的車站信號平面布置完成車站進路建立、車站進路解鎖、車站進路虛擬行車、車站進路虛擬故障及處理中的一項。

考核操作過程根據安全停車第一原則，一旦出現事故，成績為0。聯鎖表項目共150 分，其中聯鎖表共15 個條目，每條條目10 分。進路類項目共150 分，其中信號檢查50 分，缺少一項或錯誤一項扣5 分；道岔檢查50 分，缺少一項或錯誤一項扣10 分；軌道電路檢查50 分，缺少一項或錯誤一項扣5 分。系統自動完成操作考核的評分，學生可重復進入考核模式，取兩次考核中的最高成績作為最終分數。

學生在系統上完成全部實驗項目，并完成現場操作考核后，教師可以查看服務器記錄的學生操作實驗日志、各項目實驗評價和實驗報告，根據學生的操作是否規范，學生是否熟悉界面操作、是否理解實驗原理和實驗參數意義、是否能夠根據實驗要求和實驗步驟完成實驗，學生的操作是否符合行業標準等要求，對學生預習準備、操作過程、實驗結論等方面給出綜合評價等級，分別為優、良、中、及格和不及格。通過學生各模擬實驗項目的完成情況，教師能夠掌握學生對計算機聯鎖課程知識點的理解程度，從而制定具有針對性的授課計劃。

5 結語

車站信號虛擬仿真實驗系統建設以培養學生的實際應用能力為目的，在建設過程中充分體現以學生為中心的教學理念，鼓勵學生參與系統建設課題，重點強調車站信號控制操作步驟和安全注意事項，使學生在按照教學目標完成實驗任務的同時將計算機聯鎖知識融會貫通，幫助學生了解自己的學習狀況和需要改進的地方。虛擬仿真實驗平臺主要具有以下優勢：①通過模擬真實的實驗環境和條件，創造沉浸式的學習環境，讓學生可以在實踐中學習和掌握車站聯鎖控制系統知識，提高實驗技能和操作能力。②多場景反復練習，不受時間和空間的限制，幫助學生加深對相應理論知識的理解。③根據學生的學習情況和需求，提供有針對性的學習資源和個性化的學習指導，為學生提供一個互動的學習環境。④提供真實和直觀的實驗教學設計，降低實驗和培訓成本，提高實驗教學的效果和效率。

目前，虛擬仿真實驗平臺雖然實現了計算機聯鎖在線實驗基本的教學要求，但仍需參考實際車站平面布置和站場要求進行功能補充和設計優化。此外，平臺內置的教師設置隨機故障、學生操作日志和討論園地的管理功能也需進一步完善。針對這些問題，項目組一方面邀請專家進行診斷指導，找出修改方法；另一方面，積極申報校級續建項目，獲得項目經費支持，保障虛擬仿真實驗項目高質量完成。通過建立有利于激勵學生參與創新的考核、評價和反饋機制，建設一支教學、科研和技術相結合的虛擬仿真實踐教學團隊，實現教學資源開放共享和軌道交通信號專業良性發展的目標。