基于模块化的城市轨道交通AFC理实一体化教学系统设计

陶汉卿 李文波

【摘 要】本文分析城市轨道交通自动售检票（AFC）系统教学存在的问题，根据模块化、透明化实践教学的思想，将AFC系统的模块进行拆解、连接，开发故障诊断系统，设计模块化的理实一体化教学系统，并介绍系统的理论教学模块和TVM、AGM机等实践教学的结构、故障树诊断系统、关键技术等。

【关键词】城市轨道交通  模块化  AFC  理实一体化  故障树  教学系统

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2019）11C-0189-04

城市轨道交通控制自动售检票（AFC）系统在城市轨道交通运营管理中起到非常重要的作用，是城市轨道交通运营管理、城市轨道交通通信信号技术专业使用和维护的设备。AFC设备结构复杂，对于这两个专业的学生，要求在掌握AFC系统的关键技术、系统组成、结构和功能、工作原理等理论知识的同时，必须认知AFC设备内部机械结构，学会AFC设备拆装认知、检修流程和故障查找处理，这些需要高标准的实践技能训练。

一、职业院校城市轨道交通AFC系统教学问题

第一，理论教学和实践教学相脱节。一般采用常规的先理论后实践的教学模式，理论教学和实践教学各自为政，理论教学关注的是理论知识的传授，实践教学注重的是实际操作，两者不能形成良好的相互促进关系，造成部分内容重复教学，学生在学习过程中理论不能联系实践，影响了教学效率。

第二，实训设备少，不利于实践教学组织的开展。AFC设备购置和维护成本高，高职院校由于场地和经费的限制，用于AFC系统实践教学的设备少，在班级人数多的情况下，进行分组分模块教学，学生轮流进行操作，动手操作机会少，教师在指导模块教学时还要维持课堂纪律，教学组织和管理困难，不能有针对性地进行指导，不能很好地激發学生的学习兴趣。

第三，传统的AFC实训系统与城市轨道交通运营公司的高度一致，设计的集成度较高，没有考虑教学的需要，在设备认知教学时，学生只能看到系统组成部分各个模块的外观，无法看到模块的内部结构、原理和工作过程，在设备拆装和设备故障查找处理教学时，学生的误操作或者其他原因可能会导致模块元件的损坏，增加了设备的维护成本和时间，给实践教学的开展带来了较大的难度。

为解决这些问题，本文设计了模块化的城市轨道交通AFC理实一体化教学系统，将理论教学和实践教学进行统一设计，以学生为主体、以教师为主导，设定教学任务和教学目标，实现教师与学生“教、学、做”一体，教学过程中，以实践训练项目为主线，理论和实践教学交替进行，重点培养学生的技能和职业能力，从而提高教学质量和教学效率。

二、城市轨道交通AFC理实一体化教学系统关键技术应用

（一）城市轨道交通AFC系统简介

自动售检票系统（AFC）是融合了计算机、网络通信和自动控制等3C技术的全过程自动化系统，用于城市轨道交通售票、检票、计费、收费、统计、清分和管理等。AFC系统较为庞大，设备较多，具有票卡、车站计算机系统（SC）、维修中心计算机系统（MMC）、培训中心计算机系统（TC）、车站终端设备（SLE）、自动检票机（AGM）、自动售票机（TVM）、自动查询机（TCM）、半自动售票机（BOM）、手持式检票机（PTCM）和编码分拣机（ES）等设备。

城市轨道交通AFC系统按照层次化划分可以分为五层，第一层是主要用于管理各个线路票务信息的城市轨道交通清算系统，第二层是主要用于统计线路的AFC运营数据的中央计算机层，第三层主要是负责管理车站票务数据的车站计算机层，第四层是负责控制车站内各种电气化设备的车站终端设备层，第五层是实现乘客车票的管理工作和车票的自动售检功能的车票层。城市轨道交通AFC系统层次结构如图1所示。

理实一体化教学系统将城市轨道交通AFC系统的车站终端设备进行模块和组件拆解，采用电缆连接，连接成为完整的系统，实现模块间的联动和现场设备的功能。

（二）城市轨道交通AFC理实一体化教学系统设备

城市轨道交通AFC理实一体化教学系统采用教学路由器、多个具有联动功能的模块化实操设备（包括上位机和下位机）、配套网络设备等搭建智能理实一体化基础环境，每套实训系统的中心控制端包括服务器、智能实训教学平台、课程交互式教学软件等，模块化实操设备包括上位机、无线透传模块、下位机、PWM电源模块和AFC设备模块等。城市轨道交通AFC理实一体化教学系统设备连接如图2所示。

（三）教学系统关键技术应用

1.模块化实操设备上位机软件技术

目前的智能实训系统中，一般设置电路线路故障采用的方法是松开接线端子排上的螺丝，在接线端子上塞入绝缘胶片或者用继电器接点断开线路等手段，导致故障设置时间长、易被发现，影响设备原有配线，用于设置故障配线复杂，故障系统受外界设备的干扰，影响故障设置的突然性、随机性和不可预见性，不易于故障系统的维护。

城市轨道交通AFC理实一体化教学系统的模块化实践操作设备由上位机和下位机组成。上位机采用计算机，绘制图形界面和传输信息的编、解码。利用C#语言编写人机界面，先设置理实一体化实训室模块化设备布置一致的设备图，并进行设备编号，点击其中的设备，可以进行放大，可以清楚地分辨出设备的结构，直接使用鼠标右键下拉菜单进行选择，可以直观和简单地设置故障。上位机有多个终端，采用局域网连接，通过无线网络和中心控制端的服务器相连，由服务器进行故障设置、学员操作过程记录、学员评价等数据处理，然后与智能实训教学平台交换信息。

故障设置之后，界面上出现故障前的显示状态，隐藏故障点，查找到故障点后，在相应的设备模块上点击鼠标右键，选择修复即可。采用三维建模技术对界面设备模块进行绘制，每一个设备模块采用控件封装，方便模块的自由组合、修改和升级。

2.模块化实操设备数据传输技术

由于城市轨道交通AFC理实一体化教学系统系统对数据的保密程度需求不大，因此系统模块采用DATA-6123无线透传模块进行数据传输，该模块支持多中心、多端口通信，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，所有数据可透明地在两设备之间双向传输。无线透传技术应用如图3所示。

3.模块化实操设备下位机技术

将城市轨道交通自动售检票系统拆解为多个模块，且连接成为完整的系统，进行模块化教学。每个模块化实操设备下位机由单片机系统组成，单片机将接收下来的编码信息进行解码，利用脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电源模块调整供电电压，从而达到故障无线遥控设置的目的。

4.智能实训教学平台故障树模型

城市轨道交通AFC教学系统智能实训教学平台采用一体机，交互式教学软件运用故障树分析（fault tree analysis）方法，构建出系统的故障树模型。具体方法是：分析系统的功能，拆分系统需要进行故障分析与处理的硬件结构，故障事件按层次分级，将导致上级事件发生的直接原因作为下级，用一定的逻辑关系联系起来，形成有序逻辑图，开发故障设置与分析处理的模块化教学系统。

三、城市轨道交通AFC理实一体化教学系统设计

城市轨道交通AFC理实一体化采用互联网思维，根据职业教育的理实一体化教育理念、教学特点，按照城市轨道交通AFC系统的五个层次，将城市轨道交通AFC系统应用无线透传、云计算、大数据等先进技术手段，在满足常规的理论教学功能需求的基础上，针对性地解决理论实训教学中的特殊功能需求，形成“互联网+教学”的一体化创新教学模式。围绕自动售检票系统典型工作任务实现模块化教学，包括结构认知、标准作业流程、故障诊断与处理等方面的训练。

教学系统将AFC系统模块的外壳拆卸，装上采用有机玻璃制成的透明外罩，便于直观、透彻地观察设备的内部，使学员更好地掌握AFC系统自动售票机模块的结构、动作过程和工作原理。

服务器和智能实训教学平台组成中心控制端，教师可以利用交互式教学软件的教学课件进行理论教学，交互式教学软件还可以进行故障设置，故障诊断和处理演示，把传统教室解放为移动的开放教室，把教师从固定的讲台位置和从传统的“粉笔+黑板”或者是“PPT+幕布”的形态中解放出来，充分实现教与学的互动。

模块化实操设备的上位机通过网络从中心控制端获取课件和交互式教学软件的故障诊断和处理演示，学生可以在课堂上进行学习，模块化实操设备将接收到的故障设置信息通过无线透传模块传输给下位机，下位机控制和调节模块的PWM电源设置故障，学生可以进行故障诊断和处理，加强动手实践能力。模块化实操设备还可以将故障设置信息通过网络传输到中心控制端的服务器处理，在智能实训教学平台上进行显示。

在互动教学中，学生利用配备的移动终端来和组员或教师互动、交流、学习，为学生提供更强的参与感，同时激发学生独立思考的能力，实现学习的各个环节互通。

（一）模块化设计

本文以自动售票机系统、自动检票机系统两个子系统为例进行城市轨道交通AFC理实一体化教学系统的模块化处理，将这些模块和组件进行拆解，采用电缆连接，连接成为完整的系统，电源模块有多路路PWM开关型稳压电源，为其他模块供电，实现模块间的联动和系统功能，组成模块化实操设备，通过调整电源模块的各路電压，可设置故障。

（二）自动售票机系统模块

自动售票机将主控单元、单程票发售模块、读卡器、乘客显示器、纸币识别处理模块、纸币找零模块、硬币处理模块、运行状态显示器、维修面板、电源模块以及机械外壳等模块和组件进行模块化处理，同时模块化实操设备内部还预留了网络交换机的安装空间。自动售票机系统模块化实操设备设计如图4所示。

（三）自动检票机系统模块

自动检票机主要由主控单元、单程票回收模块、读卡器、乘客显示器、扇门单元、乘客传感器、方向指示器、警示灯、蜂鸣器、维修面板、电源模块以及机械外壳等模块和组件构成。将这些模块和组件进行拆解，采用电缆连接，连接成为完整的系统，电源模块有7路PWM开关型稳压电源，为其他模块供电，实现模块间的联动和系统功能，通过调整电源模块的各路电压，可设置故障。同时，机柜内部还预留了网络交换机的安装空间。

自动检票机采用专门的读卡区设计，不但符合右手持票通过的用户需求，还能够有效防止相邻通道的乘客误用左手一侧的读卡区。自动检票机系统模块化实操设备设计如图5所示。

（四）课程交互式教学系统

城市轨道交通AFC理实一体化教学系统智能实训教学平台采用嵌入式课程软件，组成课程交互式教学系统，安装在中心控制端和模块化实操设备的上位机，主要用于基本结构认知、标准作业流程等方面的教学，面向自动售检票检修工进行故障诊断与处理等方面的实训。

课程管理包括六个交互式教学系统：自动检票机扇门模块交互式教学系统、自动检票机票卡回收模块交互式教学系统、自动检票机总成交互式教学系统、自动售票机硬币模块交互式教学系统、自动售票机票卡发售模块交互式教学系统、自动售票机总成交互式教学系统。每个交互式教学系统引入德国先进的职业教育教学理念，采用任务导向型教学模式，分别从理论教学、实训教学、标准作业、考试管理、知识拓展等方面设置多个工作任务，以便学员能够通过完成不同类型的任务，掌握各个实训模块的工作原理及故障分析处理。城市轨道交通AFC理实一体化课程交互式教学系统结构如图6所示。

本文设计的城市轨道交通AFC理实一体化教学系统的结构体系和关键技术，从我国职业院校城市轨道交通AFC系统的教学存在问题出发，以提高教学质量和效率为目的，融入模块化的教学理念，“互联网+教学”的理实一体化创新教学模式，加强课堂互动，活跃课堂气氛，让知识易于理解，加强学生的技能训练，提高教学效果，符合城市轨道交通AFC的教学标准和教学要求，设备还具有扩展性能，适用自动查询机、半自动人工售票系统、票房、手持式验票机、票卡、验钞机、硬币清点机、乘客导向系统、车站计算机系统等设备，使城市轨道交通AFC理实一体化教学系统能够推广应用。

【参考文献】

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（责编 卢 雯）