现代轨道交通虚拟仿真实验教学中心建设

马 然， 马 军， 周连佺， 苏秀平

(江苏师范大学 机电工程学院， 江苏 徐州 221116)

虚拟仿真实验教学中心建设

现代轨道交通虚拟仿真实验教学中心建设

马 然， 马 军， 周连佺， 苏秀平

(江苏师范大学 机电工程学院， 江苏 徐州 221116)

针对高校轨道交通类专业教学与人才培养中存在的若干问题，课题组以培养国际化、应用型轨道交通工程专业人才为目标，以虚拟现实和仿真技术发展的最新成果为手段，开发现代轨道交通实验教学中心，建立3大虚拟仿真实验教学平台，创建实践教学新模式。教学实践证明，教学改革成果显著，学生的工程实践创新能力不断提高。

虚拟仿真； 实验教学； 轨道交通； 教学模式

随着我国高速铁路的迅猛发展，社会亟需大批轨道交通类专业技术人才[1-7]。我校2008年与上海铁路局达成共同培养轨道交通类专业人才的战略意向，在上海铁路局徐州电务段建立了“大学生实习实训基地”，同年11月整合校内外优质资源，面向车辆工程、轨道交通信号与控制、电子信息工程等5个轨道交通类专业，在机械基础、电工电子2个省级实验教学示范中心的基础上，成立了“轨道交通综合实践教学中心”。

由于雨雪、冰冻、雾霾等不可控极端环境因素严重影响列车运行安全，事故预防、安全预警成为提高列车运行可靠性的重要手段[6-10]，而真实实验难以完成高危环境、不可及的操作以及高成本、高消耗、大型或综合训练。利用虚拟现实和仿真技术，模拟高危或极端环境、再现不可逆事故场景，为分析影响列车安全运行因素、消除安全隐患提供了有效途径[10-15]。我校秉承人机交互、虚实结合、开放共享的建设理念，通过校企融合、行业参与、国际合作，搭建了现代轨道交通虚拟仿真平台体系，实现了数据实时在线、故障高危预警、情境模拟再现，形成了虚拟仿真高危环境下的高速铁路系统，构建了逼真的实验场景和实验对象，提供了安全、经济、可靠、可重复的实验教学项目，达到了教学互动、资源共享、全天候信息化实验的教学目的。

1 建设内容

坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，以现代教育理念为先导，以优质资源共享为核心，以信息化教学资源建设为重点，以服务人才培养为宗旨，加强校企合作与国际化合作，建设具有示范、引领作用的轨道交通全过程虚拟仿真实验教学中心。基于这一理念，构建了“运输组织”“行车控制”和“运行车辆”3大虚拟仿真实验平台，实现轨道交通全过程、一体化虚拟仿真，提高实验教学资源管理效率、促进实验教学资源共享，实现多方协同人才培养，加强国际合作，推进实验教学信息化建设，全面提高人才培养质量。

现代轨道交通虚拟仿真实验教学中心(简称实验教学中心)建设充分体现“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，重点建设4个方面内容。

1.1“一纵三横多分支”虚拟仿真实验教学资源系统

依托学校学科专业优势、借助上海铁路局的实体资源和俄罗斯圣彼得堡国立交通大学优质实验课程体系、整合学校信息化实验教学资源、应用人机交互技术，虚拟仿真现代轨道交通，构建“运输组织虚拟仿真”“行车控制虚拟仿真”“运行车辆虚拟仿真”3方面实验教学资源。每个教学资源涵盖若干实验项目，形成图1所示“一纵三横多分支”的实验教学系统，为学生提供“认知、实操、提升”3个层次的实验空间，使学生完成“大一感受、大二接触、大三参与、大四自主”的专业学习与研究过程。将科研成果转化为实验教学内容，开拓学生视野，培养学生综合设计和创新能力。

以“运行车辆虚拟仿真实验平台”为例，该平台依托机械工程一级学科，面向高速铁路这一现代轨道交通，坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，建设了图2所示实验体系。实验项目见表1。

序号项目名称基本内容功能及效果1动车组列车认知对动车组缩微模型进行结构上、设计上多视图的解剖和对比帮助学生自主对动车组列车进行概要了解,激发学生兴趣2列车组件主要零部件设计根据列车技术要求,将悬挂弹簧、减振器等主要零部件的非线性特性设计成较为理想的曲线节约设计成本,培养学生的设计能力3组件虚拟拆装通过操作3D转向架模型的方式来模拟机械设备的分解和组合该实验可使学生对转向架有更加深入的认识4机械部分虚拟检修虚拟实操机械检测仪器仪表的使用、检测方法、故障现象、养护方法等锻炼学生的故障排查能力,达到虚拟培训目的

表1(续)

1.2“运输组织、行车控制、运行车辆”一体化平台

实验教学中心立足现代轨道交通系统，采用数字虚拟现实、360°全景展现、数据库和用户互动等最先进的教育信息化技术，构建指挥调度虚拟仿真系统、信号控制3D虚拟仿真系统、车体虚拟装配维修与训练仿真系统，呈现三维站场景观、铁路设施设备，创建图3所示“运输组织”“行车控制”“运行车辆”3大可扩展性、兼容性的一体化共享平台，实现轨道交通全过程虚拟仿真。

图3 一体化平台

1.3多层次、双师型、具有国际视野的实验教学团队

加强虚拟仿真实验教学队伍建设，以“学科为引领、教学为主体”，建设一支创新意识强、学术水平高、教学能力强、实践经验丰富、具有国际视野的实验教学队伍。形成以江苏省特聘教授、“双创人才”为领衔，优秀博士、高级实验师为骨干，年龄、学历和学缘结构合理的多层次实验教学梯队；建成由专业教授、优秀工程师、软件工程师等构成的教学科研经验丰富、工程实践能力强的双师型实验教学团队；通过实施教师队伍建设的“153工程”“331国际化工程”，拓展国际视野、提升实验教学队伍国际化水平；通过强化管理队伍建设，打造一支专业化、规范化、信息化和科学化的管理队伍。

1.4 建立科学、高效的管理体系

实验教学中心以优质资源的开放共享和高效使用为目标，建立有利于激励学生学习和提高学生创新能力的管理体系。中心为学校直属业务单位，管理体制健全、运行机制完善。在主管校长的领导下、在管理委员会和教学委员会指导下，实行中心主任负责制，采取“统一管理、统筹规划、资源共享、有效利用”的管理模式，全面负责实验教学中心的运行和管理。

2 资源共享

2.1 资源共享的范围和效果

实验教学中心面向校内外轨道交通类专业开展实验教学，每年接纳校内学生5 800人次、校外学生900人次，为淮海经济区培训员工400人次，开设虚拟仿真实验44个，年教学工作量14 200人时。同时，为教师的科学研究，学生的课程设计、毕业设计、课外科技活动及企业的产品研发等提供全方位、多功能的实验平台。实验教学中心实施开放式管理，数据共享，提高了资源利用率和使用效益。

实验教学中心教学资源面向教师科研开放，发挥实验教学中心在教师科研中的作用，教师可利用实验教学中心设备进行科研项目的实验和调试，部分成果转化为学生实训项目，进一步丰富了实验教学中心教学资源库的建设；面向学生进行课内外教学，强化学生基本能力训练，提高了学生综合运用专业知识分析问题、解决问题的能力，培养了学生创新能力。实验教学中心教学资源为周边高校的教学与科研及淮海经济区企业的员工培训，发挥了重要作用。

2.2 进一步实现共享的措施

进一步加大实验教学中心实验室开放的力度，满足我校及兄弟院校轨道交通类专业学生工程能力训练与培养需求，使之在近似真实的工程环境中得到良好的工程训练。继续完善实验教学中心网站建设，促进相互交流，加强资源共享，更好地为校内外师生提供优质服务。进一步完善实验教学中心与合作企业、国外高校常态化交流机制，定期开展相互交流，研讨人才培养与学科建设等问题，促进资源共享，提高人才培养质量。

3 条件保障

3.1 仪器设备配置

实验教学中心面积约8 600 m2，包括“运输组织”“行车控制”和“运行车辆”3大虚拟仿真平台，拥有虚拟仿真实验教学系统、高性能刀片服务器等仪器设备1 800套，价值3 200万元。研制、改进了“动车驾驶模拟系统”“动车转向架检修虚拟仿真系统”“机器人柔性制造技术实验台”“气动特性实验台”等体现专业特色的实验系统和设备10余套。

3.2 环境与安全

实验教学中心设计人性化、智能化，各实验室布局科学，设施配置和周边环境以人为本，安全、环保。实验室设计规范，宽敞明亮，通风良好；水电管道、网络走线布局安全合理，符合国家标准。实验教学中心以校园网为依托，添置服务器、交换机和计算机，不断改善硬件和软件环境，校园局域网及其完备可靠的软件系统，极大地方便了实验教学。利用“实验室管理信息平台”，对仪器设备的购置及使用、易耗品管理等进行计算机动态管理。运用计算机软件技术及视频监控等手段实现对实验教学中心大型仪器设备的规范化、信息化管理。

开展环境文化建设，建设内容包括实验室内部管理、安全标志、学科前沿展示、科研团队研究动态展示及环境美化，充分展示实验教学中心的工程特性、现代理念，适应日益增加的国际化需求。

实验教学中心安全是管理的重中之重。实验教学中心从“物防”和“人防”2方面着手，严格管理、防控结合、重在预防，确保中心安全。为保证有效提高实验教学质量，促进设计性、综合型、创新型和研究型实验项目的开展，实行科学化、制度化、经常化的管理，确保仪器设备正常运行。

4 结语

(1) 建设“一纵三横多分支”虚拟仿真实验教学资源系统。实验教学中心整合学校信息化实验教学资源、应用人机交互技术，虚拟仿真现代轨道交通，构建“运输组织”“行车控制”和“运行车辆”3方面实验教学资源，每个教学资源涵盖若干实验项目，形成了“一纵三横多分支”的实验教学系统，使学生在虚拟环境中开展实验活动，提高工程实践能力和创新能力。

(2) 构建与铁路行业、软件公司共建共享的“教学—实训—研发”平台。依托铁路局先进技术力量、实体资源和运行数据及软件公司开发实力，利用我校优势学科资源，结合虚拟仿真实验教学平台、工程实训中心、职业技能培训中心，推进校企深度合作，共同打造虚实结合、数据共享、信息交互、职前培养、职后培训的“教学—实训—研发”平台，实现人才培养、工程应用与就业无缝对接。

(3) 创建中俄合作、国际化课程嵌入的实验教学模式。开展国际化合作办学，借助俄罗斯联邦圣彼得堡国立交通大学轨道交通专业雄厚的师资力量，嵌入俄方实验课程，借鉴俄方实验教学模式，采用俄方实验教学方法，实施双语教学，充分利用国外优质实验教学资源，创新与提升中心实验教学水平，共同培养轨道交通国际化专业人才。

References)

[1] 赵云，李雪梅，韦功鼎.高速铁路对区域经济系统的影响研究[J].铁道运输与经济，2015,37(3):7-13.

[2] 罗文彬.客运专线轨道精调相邻站平顺衔接方法研究[J].铁道标准设计,2014,58(8):23-26.

[3] 丛日出，罗仁，邬平波.高速动车组轮对质量对车辆动力学性能的影响[J].机械工程与自动化，2015(2)：1-3.

[4] 张文斌.某新建轨道交通工程下穿既有高速铁路桥梁方案研究[J].铁道标准设计，2015，59(5)：82-85.

[5] 孙聪，郑思齐,张英杰.高速铁路对中国城市经济的外部影响[J].广东社会科学，2014(5)：22-28.

[6] 冀传帅.信息化条件下高速动车组维修管理分析[J].中国高新技术企业，2015(33)：87-88.

[7] 贾皓，韩宝明，张琦.高速铁路夕发朝至列车行车组织方式分析[J].铁道标准设计，2014，58(12)：9-13.

[8] 高世强.高速铁路桥梁桥下新建公路工程的安全性分析[J].铁道标准设计，2015,59(4):63-66.

[9] 罗梁，倪文波.动车组制动系统定置试验台的仿真研究[J].电力机车与城轨车辆，2015，38(2)：43-46.

[10] 周银兴，张素灵，郭凯，等.高速铁路地震预警系统控车方案研究[J].震灾防御技术，2015,10(1):116-125.

[11] 吴双兰，吴立，张学文，等.超大断面高速铁路隧道洞口段围岩失稳机制分析[J]. 中外公路，2015,34(1)：243-247.

[12] 杨西锋.高纬度严寒地区高速铁路路基防冻胀设计研究[J].铁道标准设计，2014,58(8):6-11.

[13] 林宝聚，马思群，张伟龑，等. LOD技术在动车组虚拟现实系统开发中的应用[J].应用科技，2015，42(3)：1-5.

[14] 金杰，韦巍，姚元丰，等.基于LABVIEW的CRH3型列车组牵引模拟系统[J].工业控制计算机，2015,28(1)：3-5.

[15] 秦舒，毛鑫，沈钢.基于simulink/stateflow的列车碰撞时钩缓系统建模[J].华东交通大学学报，2015,32(1)：22-26.

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

江苏省教育科学“十三五”规划2016年度课题(B-a/2016/01/14)；国家自然科学基金青年基金项目(51605209)

马然(1983—)，女，山东兖州，博士，讲师，主要从事车辆振动及其控制方面的研究

马军(1967—)，男,黑龙江伊春,硕士,副教授,主要从事机电设备故障诊断方面研究.

E-mail：marandxx@eyou.com