基于虚拟仿真平台的CBTC系统实验教学创新研究

张雁鹏 陈永刚 胥亚丽

兰州交通大学自动化与电气工程学院 甘肃兰州 730070

在我国高速铁路和城市轨道交通迅猛发展的今天，轨道交通信号与控制(原铁道信号)专业技术人才需求旺盛，培养适应轨道交通行业发展的本专业学生已成为当务之急。实验环节对提高学生对专业知识的理解能力和自主学习能力有着极其重要的意义[1]。虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物[2]。将虚拟仿真技术与铁路信号技术有机地结合在一起，模拟真实的铁路运营场景，可以实现学生在安全的虚拟实验环境中完成传统实验教学中无法完成的操作和实验，既解决了设备投资大、损耗率高的问题，也降低了学生外出实习的安全风险。虚拟仿真实验平台真实直观地展现室内计算机操作和现场信号设备动作之间的逻辑关系和具体的铁路作业流程，让学生在实验过程中有身临其境的真实感受，极大地提高了学生的学习兴趣和效率，为素质教育背景下轨道交通信号与控制专业实验课程的教学改革提供借鉴。

1 我校虚拟仿真实验教学平台

2016年，兰州交通大学成功申报成立轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心，在培养创新型人才的国家战略方针指导下，确立了结构完整、功能全面、与实际运营场景保持一致、实现完整的轨道交通仿真实验教学体系，建立了校企合作共享的实验机制，充分发挥学校的学术优势和企业的技术优势，联合优秀企业共建、共享虚拟仿真实验教学项目，探索了虚拟仿真实验教学可持续发展的新途径。

虚拟仿真实验教学项目的研发高度依赖先进技术的支撑，必须综合应用富媒体、三维建模、人机交互、虚拟现实、增强现实等技术手段[3]。这种新的实验教学模式的应用将推动过程控制实验课程教学的改革，可作为工程类专业实验课程开展虚拟仿真实验教学模式的借鉴[4]。本文主要介绍在兰州交通大学轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学中心支持下基于虚拟仿真平台的城市轨道交通CBTC(Communication Based Train Control，基于通信的列车控制)系统实验教学创新方法和内容，旨在为素质教育背景下轨道交通信号与控制专业实验课程的教学改革做进一步创新与探索。该系统平台包含列车自动监控、自动防护、自动驾驶及运行图管理和场景重构5个子系统。如图1所示为ATO自动驾驶子系统实验平台，其具有虚拟驾驶台、三维视景系统及速度表盘等，能够帮助学生或驾驶员熟悉列车司机控制台上的仪表、按钮、转换开关、控制器等设备，掌握司机显示器的操作使用，熟悉列车运行线路的环境以及纵横断面图[5]。

图1 ATO模拟平台

如图2所示为城市轨道交通CBTC虚拟仿真平台仿真环境中王家庄站部分线路图，从图中可以清晰了解王家庄站信号机的信号状态、道岔位置状态、应答器和站台布置情况及股道区段的占用或空闲等状态。

图2 王家庄站部分线路图

2 虚拟仿真实验平台构建

基于虚拟仿真平台的CBTC系统将模拟列车控制过程、虚拟列车运营场景、真实线路数据巧妙地融合在一起，实现完整的轨道交通列车运行控制全功能。基于通信的列车控制系统CBTC采用连续、高速、双向的数据通信技术，其借助于先进的车-地无线通信技术，实现真正意义的移动闭塞，运行间隔大大缩短，增加系统在线实时性，从而提高运能与安全性，实现对列车运行高效连续的控制[6]。CBTC是新一代的列车自动控制系统，具有ATS(Automatic Train Supervision，列车自动监控)、ATP(Automatic Train Protection，列车超速防护)、ATO(Automatic Train Operation，列车自动驾驶)等功能[7]。

城市轨道交通CBTC实验系统由沙盘室、集中站信号设备室、OCC(Operation Control Center，运行控制中心)和车站ATS工作站4部分构成。轨道交通信号与控制专业实验教学一般有ATP功能实验、ATS功能实验、ATO功能实验、车-地通信等重要功能实验[8]。

2.1 沙盘室

沙盘可以实时反映CBTC系统相关状态，运行时可以采集到轨旁设备状态信息，相关仿真系统可对轨旁设备进行实时控制。沙盘线路中道岔可外接信号实验台，根据联锁条件实现信号实验台与真实设备联动；同时，可真实模拟实物道岔、实物信号机、实物转辙机、实物继电器等相关实验，如故障设置、故障处理等[9]。信号实验台通信协议底层对外开放，沙盘设备连接原理如图3所示。

图3 沙盘设备连接原理

2.2 集中站信号设备室

集中站信号设备室主要包含线路中某一指定的集中站信号室内设备的布置情况，该集中站的设备将接入到CBTC系统中，作为线路中某个区域的控制机房。设备主要有ZC(Zone Controller，区域控制器)、CBI(Computer Based Interlocking，计算机联锁)、DCS(Data Communication System，数据通信系统)柜、安全继电器柜、计轴柜、电源柜等，信号设备连接如图4所示。

图4 集中站信号设备连接

2.3 OCC

OCC是对全线列车运行、电力供应、车站设备运行、防灾报警、环境监控、票务管理及乘客服务等运营过程进行调度指挥的核心，可以控制多条城市轨道交通线路。在本实验平台中，OCC主要实现城市轨道交通安全运营行车指挥的功能，预留部分控制开发接口，协议全部遵循XML协议格式，可以通过去除仿真系统本身的模块加入外部系统来替代系统本身的运算逻辑，从而方便进行相应的教学和科研工作，OCC实验平台结构如图5所示。

图5 OCC实验平台结构

2.4 车站ATS工作站

车站ATS工作站主要包含多个集中站工作站，用于在车站内辅助完成本控区内的行车调度指挥作业，实现集中站ATS软件客户端部分，完成车站站控功能、单操道岔功能、列车状态显示、列车位置等常用客户端功能。根据联锁表、计划运行图及列车位置，自动生成并输出进路控制命令，传送至车站联锁设备，设置列车进路、控制列车停站时分。车站ATS工作站能够自动完成正线区段内列车识别号(服务号、目的地号、车体号)跟踪，列车识别号可由中央ATS自动生成或调度员人工设定、修改，也可由列车经车地通信向ATS发送识别号等信息。

3 虚拟仿真实验教学创新

虚拟仿真教学技术可以提供多维交互体验的服务需求，也就是提供虚拟现实技术所需的课堂硬件、软件、终端以及课程的完整解决方案，从而营造出沉浸式学习体验。使学生在认识冲突发生过程中开展分析、辩论，从“被动学习”转向“主动学习”，从“基本学会”转向“深层意义建构”。总之，通过学习深化，真正提高了学习效果[9]。

由于城市轨道交通CBTC实验与现场实际联系极为紧密，为了使课程理论体系更加科学合理，并且能够与最先进的CBTC技术紧密结合，让学生能够对铁路信号的新技术应用有更加深刻的理解，提高学生对专业知识的创新和应用能力，必须实时更新实验内容。然而，如果只是生硬地添加新的实验内容，学生可能一时难以接受，这样不仅使实验效果大打折扣，也会挫伤学生对实验的积极性。因此，针对这一问题，可以采取教师与学生双管齐下的分工策略。这项改革主要体现在实验的预习环节，采取“预先调研，教师引导，学生查阅，实验验证”的方法，具体环节如图6所示。

图6 教师与学生分工策略

首先，教师在实验之前要到城市轨道交通现场进行调研，通过调研了解当前城市轨道交通CBTC系统的最新技术，查阅相关资料，加以整理消化，将新内容加入到城市轨道交通CBTC系统实验中。

其次，由于以往的实验预习环节往往被忽视，学生也只是原封不动地抄写教材，对提前了解实验内容帮助甚微，也达不到应用城市轨道交通最新技术的目的。因此在实验之前需要向学生阐述实验预习环节的重要性和必要性。利用兰州交通大学网络教学综合平台，根据实验室的实际情况及额外加入的城市轨道交通CBTC系统最新技术资料的查阅要求，提出查阅的关键词，以引导学生预习最新的技术，为本次实验的新内容做好准备，提高实验及学习效果。

最后，在实验动手环节中，通过虚实结合的虚拟仿真技术及现有设备，引导学生对新的实验内容进行操作、验证，真正加深对所学知识的理解与掌握。由于课前的准备充分，教师讲解时间大大减少，从而留给学生更多动手操作的时间。同时，在实验过程中，教师引导学生加强对学科前沿知识的学习，并随时在教学中创设问题情境，激发学生探究创造的兴趣[10]。城市轨道交通CBTC系统实验涉及多方面背景知识，如图7所示。

本次实验改革当中，尝试将与城市轨道交通CBTC系统实验有关的列车超速防护、列车自动驾驶、运行图管理、故障处理等方面的知识穿插到实验过程中，取得了良好的效果，学生不仅对城市轨道交通CBTC系统的结构、原理有了更加深刻的理解，而且学习兴趣也得到了明显提高。

图7 CBTC系统知识体系

4 CBTC系统实验设计

实验设计是实验教学中一个非常重要的环节，细节性和启发性较好的实验能够更好地激发学生的学习兴趣，取得更好的实验效果。根据轨道交通信号与控制专业CBTC相关课程，按照实验学时和实验数目，详细设计了实验目的、实验原理、实验过程、实验结果的各个环节，激发学生兴趣、促进学生思考、启发学生思维，提高了学生的学习效率和质量。

基于虚拟仿真实验平台的实验类型分为认知与操作型、分析与验证型、设计与维护型、综合创新型，针对不同层次的教学需求，循序渐进提升实验难度。其中，认知与操作型实验主要包含铁路基础设备的认知(例如信号机、转辙机等设备)，调度员、车站值班员、司机等基本业务操作；分析与验证型实验主要包含列车安全防护算法分析，系统功能及原理验证等；设计与维护型实验主要包含铁路信号系统的功能模块设计、接口设计等，以及故障注入与处理，例如信号设备故障、车-地通信故障等。

本系统设计的ATP功能实验操作流程如图8所示。图9所示为车载ATP仿真子系统界面，是在ATP功能实验基础上，车载ATP子系统按要求计算出的ATP列车运行防护曲线。其中清晰显示了列车实际运行曲线、常用制动触发曲线、紧急制动警告曲线及紧急制动触发等曲线，防护列车安全运行。应用列车速度、距离和时间之间的关系，能够使学生深刻理解移动闭塞原理，熟悉列车制动方式，掌握列车超速防护过程，分析列车制动过程所受的阻力因素等，为科学设计ATP功能模块提供技术参考[11]。

图8 ATP功能实验流程

图9 车载ATP仿真子系统界面

为使学生熟练掌握CBTC系统原理，取得良好的实验效果，CBTC系统虚拟仿真实验利用动态数学模型，实时模拟真实的实验现象和过程，通过对仿真实验装置交互式操作，产生和真实实验一致的实验现象和实验结果。每位学生都能亲自动手做实验，观察实验现象，记录实验数据，验证公式和原理[12]。CBTC系统虚拟仿真实验包含参数仿真、动态操作界面、实验原理、数据采集、成果分析和问题解答等部分。学生在计算机上可进行实验的虚拟操作、数据采集与成果分析。

5 结语

实验的过程就是思路和做法结合的过程，要真正发挥出实验教学的效果，必须使实验内容和教学方法不断创新，与时俱进[13]。城市轨道交通CBTC系统实验是轨道交通信号与控制专业实验教学中非常重要的内容。由于条件限制，以前无法在实验室开设或者实验效果不理想的实验，虚拟仿真技术可以使这些实验完美呈现，并能够为学生系统地提供铁路信号领域相关的设计、研发、施工、运营和维护等实验，提升了教学质量及学生综合能力，同时可以对铁路局的电务人员和车务人员进行业务实训。在轨道交通信息与控制虚拟仿真实验教学中心的支持下，还可开发更多的轨道交通信号与控制专业虚拟仿真实验系统，建成功能更加强大的虚拟仿真实验平台，并实现各类教学资源共享。