现场实验与远程分布式同步实验教学系统开发——以“轨道车辆制动实验”为例

左建勇， 汪 洋

(1.同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海 200092； 2.中国铁道科学研究院，北京 100081)

现场实验与远程分布式同步实验教学系统开发
——以“轨道车辆制动实验”为例

左建勇1， 汪 洋2

(1.同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海 200092； 2.中国铁道科学研究院，北京 100081)

以“卓越工程师培养计划”为代表的大学教育教学改革正在进行，探索培养具有工程背景，符合社会需求，具有我国教育特点的适用人才是目前工科大学面临的重要问题之一。以轨道车辆制动实验为例，针对现有的现场实验教学设备少、环境差、耗能多等问题，在原有在线测试平台的基础上，基于GPRS DTU远程数据传输技术，开发了远程分布式同步实验教学系统。实际应用表明，该系统很好地解决了上述问题，使多组学生可以同步开展实验，达到了远端与现场实验效果一致的目标，提升了学生的专业兴趣与实验参与度，符合卓越工程师培养目标。

轨道车辆； 制动实验； 远程教学； 同步实验

0 引 言

自教育部启动“卓越工程师培养计划”以来，同济大学作为首批实施“卓越计划”的高校，为培养创新能力更强、更加适应当前经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，开展了一系列教学改革的尝试，其中包括增加实践类课程的比例，鼓励理工科学生通过亲身参与各种类型的实验活动，培养其独立获取知识和解决工程实际问题的能力[1-2]。

铁道与城市轨道交通研究院作为同济大学的一员，积极响应校方的教学改革要求[3-5]，针对四年级上学期的本科生已经掌握了丰富的专业知识、但工程实践能力不强的问题，利用研究院的轨道交通综合试验线平台，专门开设了“车辆工程综合实验”的课程，为不同专业方向的学生设计了针对性的实验教学大纲和实验方案，取得了良好的教学效果。

“轨道车辆制动实验”就是该系列实验课程中的一个实验，主要采用现场实验教学的方式。结合教学理论[6-8]并且经过一段时间的教学实践发现，这样的教学方式依然存在以下一些问题：

(1) 实验设备不足。由于轨道车辆制动测试系统开发耗资较大，不可能提供更多的实验列车，或安装更多的车载实验设备，故导致现有的现场实验教学设备严重不足，根本无法保证多个学生同时开展实验。

(2) 实验环境较差。由于轨道车辆本身就存在车厢内空间相对狭小的问题，加之现场实验教学设备严重不足，导致学生在进行实验时全部围绕在仅有的实验设备前，使得现场环境非常拥挤。

(3) 实验耗费巨大。为了使所有学生都能够参与到实验中来，只能将学生分组轮流进行实验，这样虽然保证了实验教学的效果，但却成倍地增加了列车的牵引与制动次数，造成了大量多余的能源耗费。

为了解决上述轨道车辆制动实验现场教学中存在的问题，本文针对性地开发了远程分布式同步实验教学系统，使得一部分学生可以不去现场，在实验室就可以与现场的学生同步开展轨道车辆制动实验，在解决上述问题的同时，与现场实验达到了一致的效果，为解决同类型实验教学问题提供了一种很好的解决方法。

1 轨道车辆制动实验内容

轨道车辆制动实验是机车车辆型式试验的重要组成部分，是列车安全运行的重要保障，是轨道车辆工程专业学生必须掌握的基本技能之一。开展该实验教学可为学生将来从事相关工作提供很大帮助。

轨道车辆制动实验教学的最终目标，是让学生全面了解地铁列车制动系统的结构组成、工作原理与装车情况等，并选做部分制动系统动调实验，熟悉动调实验流程，通过数据分析得到制动距离、制动减速度等制动系统性能参数。

轨道车辆制动实验的教学安排主要分为制动系统认知、不同工况下的制动实验、实验报告编写与提交3个基本环节，具体描述如下。

1.1制动系统认知

在开展不同工况下的制动实验之前，首先需让学生对地铁列车制动系统有一个全面、系统、感性的了解，这样才能对整个实验的组成、流程、注意点等有一个清晰的认识，更有利于后面的实验展开与报告编写。

制动系统认知主要分为课堂教学和现场教学两个部分。课堂教学采用传统的老师教授的办法，通过幻灯片向学生详细讲解制动系统的构成及其工作原理。现场教学则是在有经验的老师的带领下，通过实物认识制动系统各部件构成、功能及其装车情况，并通过此了解制动系统在线测试平台的设计原理。

两种认知教学方式相辅相成、互为补充，课堂教学有利于学生快速、系统地掌握新知识，而现场教学有益于学生更加感性、具体地认识制动系统，是不可或缺的组成部分。

1.2不同工况下的制动实验

经过制动系统认知和实验预习，学生们就可以进行不同工况下的制动实验。图1所示为车载制动系统在线测试平台，学生通过该测试系统，测量地铁车辆在运行过程中常用制动、紧急制动、快速制动下的制动级位、制动缸压力、运行速度等数据，并保存在Excel文件中，供实验后分析计算制动系统各项性能指标。

图1 制动系统在线测试平台

地铁车辆由专业人员驾驶，并与实验学生配合，共完成5种工况的运行和制动，包括：35 km/h速度下的50%常用制动、45 km/h速度下的100%常用制动、35 km/h速度下的快速制动、45 km/h速度下的紧急制动，及静调试验中静止状态下紧急制动工况。

1.3实验报告编写与提交

学生在实验后要求其任意选择动调试验中的两种工况，根据测得的实验数据，用Matlab绘制出制动缸压力曲线(见图2)和车辆运行速度曲线，分析计算空走时间tk、制动响应时间t、制动距离sb以及制动平均减速度a共4个性能指标，据此分析比较两种工况的不同，形成最终的实验报告并提交，由老师做出评价。

图2 学生绘制的制动缸压力曲线

3个教学环节环环相扣、由浅及深，学生通过主动学习、亲身实践、数据分析，对轨道车辆制动实验形成了完整、系统、深入的认识，基本达到了最初的实践教学目标。

2 远程分布式同步实验系统方案

现有的轨道车辆制动实验教学模式经过一定时间的实践，基本达到了预期的教学目标，但依然存在如前所述的若干问题，所以在原有模式不变的情况下，附加开发一套远程分布式同步实验系统可以很好地解决上述问题，达到更佳的教学效果。

现有的现场实验教学系统是基于虚拟仪器技术开发的测试系统，而远程分布式同步实验系统的实质是虚拟仪器在网络领域的拓展，即远程虚拟仪器技术。该技术结合了虚拟仪器技术与网络技术，将虚拟仪器的应用范围拓展到整个Internet网络，使信号采集、传输与处理一体化，一方面可以使昂贵的硬件资源得以共享，充分利用现有的实验资源；另一方面有利于分布式远程教育实验教学的开展，从而解决限制远程教育中的实验教学进行的若干技术难题[9-10]。

轨道车辆制动实验测试系统的原有结构非常有利于远程分布式同步实验系统的开发，只需要在原有系统基础上，利用网络化技术，通过Internet将测试数据实时传输到远端的多台计算机上，存储并用虚拟仪器软件复现车辆的运行状态，就可以让多组学生在远端开展车辆制动实验。其基本系统结构如图3所示。

图3 远程分布式同步实验系统结构

经过仔细研究与综合考虑，最终采用基于通用分组无线服务(General Packet Radio Service，GPRS)技术的网络数据传输单元(Data Transfer Unit，DTU)开发远程分布式同步实验系统。DTU是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据，通过无线通信网络进行传送的无线终端设备，具有以下一些优点[11]：

(1) 组网迅速灵活，建设周期短、成本低。GPRS作为第2代移动通信技术，已经相当成熟，可提供端到端、广域的无线IP连接, 为构建低成本的无线远程数据传输系统提供了可能。

(2) 网络覆盖范围广，安全保密性能好。经过多年建设，GPRS网络已基本覆盖大部分地区，适宜在偏僻的试验线应用；DTU软件支持RSA，RC4加密算法，保证了数据的安全。

(3) 链路支持永远在线、按流量计费、用户使用成本低。DTU可上电自动拨号，并采用心跳包保持永久在线，当长时间没有数据通信时，移动网关将断开DTU与远端数据中心的连接，心跳包就是DTU与远端在连接被断开之前发送的一个小数据包，以保持连接不被断开，断线自动重连。

综上所述，GPRS DTU的“无需后台计算机支持、永久在线、接入速度快、采用数据流量计费”等诸多特点，具有无可比拟的性价比优势，已经广泛应用在电力系统自动化、工业监控、环境监测等行业的远程数据传输，非常适合开发远程教学系统[12-13]。

3 示范应用

本节将以轨道车辆制动实验为例，依据远程分布式同步实验系统方案，讲解如何将DTU设备应用于本系统以实现远程同步教学。

基于GPRS DTU技术的远程同步教学系统的基本结构框图如图4所示。原有的在线测试系统将测得的制动缸压力等数据显示、存储的同时，通过RS-232串口发送给现场的DTU设备，进入数据传输单元后，数据被GPRS模块封装成适合于网络通信的数据包，被发送至GPRS网络，再通过 GPRS网络进入Internet上传输，最后被指定IP地址的远端数据中心读取。

图4 基于DTU的远程教学系统结构

远端数据中心接受到数据后，即可由LabVIEW软件读取，并进行显示与存储[14-15]，图5所示即为远端同步实验教学系统的软件界面。该系统可显示当前通信状态、系统时间、天气，并通过数据框和波形图两种方式显示车辆轴速、制动缸压力、制动级位等，通过信号灯的亮灭反映牵引指令等开关量，还可将需要的数据保存到指定的路径，供实验后进行分析。

图5 远端同步教学系统软件界面

通过多次在线测试，远端同步教学系统得到的数据与现场采集到的数据完全一致，且无丢失、掉点的现象发生，数据传输稳定、准确率高，实时性基本得到保障，已经开始应用于轨道车辆制动实验的课程中，并且初步取得了不错的教学效果。

4 结 语

本文以轨道车辆制动实验为例，详细讲解了如何在原有的现场教学实验系统基础上，应用GPRS DTU远程数据传输单元，解决了远程分布式同步测试实验教学系统开发的技术难点，搭建了实验系统，解决了现场实验教学设备少、环境差、能耗多等问题，实现了一次线路试验、多组学生数据实时共享的实验目标，提高了实验效率，达到了远程与现场实验效果一致的要求。该教学模式大大提升了学生的实验参与度，培养了学生的专业兴趣，符合“卓越工程师”的培养目标。此外，基于该实验系统，还可拓展进行本科毕业设计、本硕贯通培养教学模式等的探索与研究。

[1] 左建勇. 面向工程的实训教学模式与案例分析[J].实验室研究与探索，2011，30(7)：157-161.

[2] Robert J. Sternberg, Elena L. Grigorenko 著,成功智力[M]. 吴国宏,钱文译. 上海：华东师范大学出版社,1999.

[3] 林 健．“卓越工程师教育培养计划”学校工作方案研究[J]．高等工程教育研究，2010(5): 30-36．

[4] 王宝玺.关于实施“卓越工程师教育培养计划”的思考[J].高校教育管理，2012,6(1)：15-19.

[5] 林 健．“卓越工程师教育培养计划”学校工作方案研究[J]． 高等工程教育研究， 2010(5): 30-43．

[6] 史泰冈， 高 丹.实施卓越工程师培养计划提高学生实践创新能力[J].实验室研究与探索,2012,31(10):316-318.

[7] 韩响铃，刘义伦，王俊杰，等． 创新型高级工程人才培养与管理模式探索[J]． 高等工程教育研究， 2010(5): 122-126.

[8] 陈启元． 对实施“卓越工程师教育培养计划” 工作中几个问题的认识[J]． 中国大学教学，2012(1): 4-6．

[9] 黄 瑞,曹洁.基于虚拟仪器技术的网络化车辆测控系统研究[J]. 中国现代教育装备，2008(11)：47-49.

[10] 赵新华. 基于LabVIEW的远程虚拟仪器技术[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学机械动力工程学院,2005:2.

[11] 孟晓宁,王永斌,孙建荣.基于GPRS的无线数据通信及其应用前景[J]. 现代电子技术，2005(19)：31-33.

[12] 刘教瑜,吴美玲,谭 杰. GPRS DTU的设计及研究[J].电力自动化设备,2006,26(3):89-90.

[13] 刘志雄,余 臻,陈燕萍.GPRS DTU数据中心的通信设计[J].工业控制计算机,2007,20(12):23-26.

[14] 侯国屏，叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社，2005.

[15] 薛得凤.基于图形化编程语言LabVIEW的一种虚拟仪器的实现[J]. 自动化与仪器仪表，2003,5(3):24-26.

DevelopmentofTeachingSystemoftheFieldandDistributedRemoteSynchronousExperiment——ACaseStudyofRailVehicleBrakeExperiment

ZUOJianyong1,WANGYang2

(1. Institute of Rail Transit, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

One of the most significant tasks of technological universities in China is to cultivate engineering talents which are accordant to both the needs of our society and the characteristic of Chinese education. Taking the rail vehicle brake experiment for example, there are many problems in field experiment, such as few teaching equipment, poor environment, mass energy consumption, etc. Based on original online testing platform and GPRS DTU remote data transmission technology, a distributed remote synchronous experimental teaching system was built up. The application shows that the system can solve aforementioned problems commendably, multiple groups of students can experiment simultaneously. The system achieved the goal that the remote experimental results are consistent with the field. It elevated students’ professional interests and participation in experiments, in line with “Excellent Engineer” training objective.

rail vehicle; brake experiment; remote teaching; synchronous experiment

U 231；G 642

A

1006-7167(2017)09-0163-04

2016-08-11

十二五国家科技支撑计划项目(2015BAG19B01-05)；同济大学教学改革创新项目(2015-2016)

左建勇(1976-)，男，山西运城人，博士，副教授，主要研究方向：从事列车制动与主动安全研究。Tel.: 021-69584712; E-mail: zuojy@tongji.edu.cn