虚拟仿真技术在轨道交通专业实践教学中的应用研究

张瑾，吴澄

苏州大学轨道交通学院，江苏 苏州，215131

0 引言

我国早在2008年，《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010～2020年)》，已经指出：信息技术对教育发展具有革命性的影响，必须予以高度重视。并且经过十多年的建设，我国的教育信息化已经具有较高水平，普及了数字校园建设、数字教学资源及应用、国际文化交流平台等，特别是在信息技术与教学深度融合的教学模式、方法和内容创新应用在各个专业进行了积极和有效的探索和实践[1]。

以计算机技术为基础的虚拟仿真技术应运而生，它借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道构造虚拟场景并实现与真实场景的交互，是以信息技术优化教学模式的又一巨大飞跃，为注重实践教学的轨道交通专业教学提供了新的思路。轨道交通行业特定的应用环境，往往是高危（如供电等）、不可随意操作（轨道信号、运营调度等），高成本（专业控制系统及设备等）、高消耗（行车测试等）、属于大型综合性场景，而虚拟仿真实验教学能够提供可靠、安全、经济、可操作、可设置故障，易于更新等的应用性实践活动。

1 轨道交通行业及其专业教育的发展

轨道交通作为一种交通运输方式，因其快速高效、低碳环保、安全稳定、运力强大等优点得到了国家产业政策的大力支持，为行业发展提供了良好的政策环境。截至2020年末，我国铁路营运里程达14.6万公里，其中高铁运营里程达3.79万公里，相当于在“十三五”期间翻了近一番，稳居世界第一[2]。2019年国务院外发《交通强国建设纲要》，要求至2035年全国基本形成“123出行圈”，推进干线铁路、城际铁路、市域（郊）铁路、城市轨道交通融合发展的进程。在轨道交通行业快速发展的背景下，行业专业人才和从业者呈现巨大的需求缺口。

目前，我国在轨道交通的专业教育方面实现了多层次，包括研究生、本科，专科、职业院校等不同纵向性层次的教育体系；多专业，包括运营管理、信号控制、轨道车辆、轨道供电、工程测量、通信技术、乘务等横向性教育方向，以满足日益增长的行业需求，然而仍然呈现供不应求的就业趋势。

同时，轨道交通行业是一门应用型科学，在其教育和人才的培养中极其注重实践能力，因此紧跟行业发展，深入行业锻炼成为十分必要的环节，而随着轨道交通行业运营单位对安全管理的进一步强化，大量学生参与的实践活动难以实现，更不可能在真实场景下进行应用实操。因此，为解决轨道交通行业人才急需的问题，探索出高质量、新形式的教学方法成为各高校在轨道交通专业教育的必然选择。

2 轨道交通信号与控制专业虚拟仿真实验平台的建设及优势

轨道交通信号与控制是轨道交通关乎运行安全的关键技术，因此本文以该专业的虚拟仿真实验平台建设及应用作为切入点进行研究分析。目前，在各高校在轨道交通信号与控制专业培养的过程中都非常重视实验实践环节，在实验方式和设备的发展中也呈现出不同发展阶段和类型。

2.1 沙盘型仿真实验平台

沙盘型虚拟仿真实验平台，是现实场景微缩版的再现，特别适合轨道交通宏观场景的仿真，结合相应的实训功能，可以实现行车调度等相关专业的实践学习。该类型实验平台，一般由硬件部分实物沙盘、电子沙盘模型，软件部分轨道交通专业功能型模拟系统等组成。

实物沙盘包括台体、车站、轨道、信号设备、列车等；电子沙盘模型是基于真实信号系统的行车综合仿真软件系统，一般包括ATS仿真、联锁仿真、区域控制仿真、线路及车辆仿真运行等；轨道交通专业功能型模拟系统，根据实物沙盘的线路设计实现调度中心、各车站等部门或场景的业务实训，实现线路运营和设备控制，如图1（a）所示。由于轨道交通各专业实践实训需求扩大，以沙盘类虚拟仿真平台的设计为思路，进一步拓宽应用领域，不断涌现出通过构造1:1真实业务场景或仿真设备的虚拟仿真平台，此处称其为“类沙盘”概念的虚拟仿真平台，如图1（b）、（c）所示。

图1 沙盘型虚拟仿真实验平台

通过轨道交通运营沙盘系统的建设，实现直观、系统、可操作的行车组织等专业实训过程，为提高轨道交通专业人才的业务素质提供良好的实验培训手段，同时为运营管理人员进行行车分析和控制提供研究训练平台[3]。

2.2 三维虚拟仿真实验平台

三维虚拟仿真实验平台是基于先进的三维仿真和三维动画引擎技术，实现全电子化的虚拟仿真系统，该平台以软件系统为核心，具有较强的可视性和交互性，实现了人机互动学习方式，特别适合多终端的教学模式。

通过三维仿真可以对虚拟设备实现拆装，对其组成部件及工作原理进行深入探究如图2（a）、（b）所示、对虚拟控制系统实现不同条件下业务流程的组织与操作等如图2（c）所示，根本解决了现场设备不能移动，实作训练工作不好开展的难题。一对多的教学模式，有效解决了“工、学”矛盾、场地受限及师资不足的问题。

除此之外，以软件为核心的虚拟仿真平台，用户安装、使用简单，更加便于系统更新、升级，可以与实践的需求紧密结合，设置非正常工况、不同故障等如图2（d）所示，给学习者提供一个更高效的学习方法，不断提高对设备系统的技术水平及分析、判断、处理工况的能力，对专业人员解决实际问题的能力有很大的帮助。

图2 三维虚拟仿真实验平台

在三维虚拟仿真平台的设计中，也常采用“虚+实”形式，即采用部分真实设备，作为整体仿真场景中的局部控制对象，通过虚拟仿真实验平台对其进行控制。此种方式既避免全真实设备构建实验平台的复杂和高成本，也使全软件型的实验平台更加具有真实性。

2.3 VR虚拟仿真实验平台

VR虚拟仿真实验平台是运用三维虚拟与仿真技术构建从轨道交通工具的设计制造到运行维护等各阶段、各环节的三维环境，不同于图2的平台形式，它具有更好的体验感，学习人员需佩戴硬件装备如VR头盔设备。在虚拟场景中可以 “沉浸式”投入到轨道交通站务、车务、维修、通号等多个专业所需的各种操作，实现分角色、按事件不同维度的实践训练。同时，教师也支持统一控制所有VR一体机，操作方便、相较于三维虚拟仿真平台成本稍高，但可以提升实践人员受训的真实性，强化实验训练效果和质量，如图3所示。

图3 VR 虚拟仿真实验平台

综上所述，轨道交通实践实训教学中三种主要的虚拟仿真平台形式，相对于在真实场景或以真实设备构造实验场景，共同的优点就是造价低、维护成本小、易于升级迭代、不受时间和空间限制、随时随地开展实训、并且具有配套的指导教学功能如图4所示，可支持自学，多次学习，不会影响现场设备、秩序和人员的安全，更适合实践教学环节，学生容易接受，也大大丰富了教育资源。

图4 虚拟仿真平台的教学功能

3 虚拟仿真实践教学未来发展的建议

虚拟仿真实验平台是依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术构建的高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，完成专业化实验实践活动，是学校培养高质高量以及创新型人才的重要保障环节[4]。

而随着国家对于现代教学的发展要求，通过对现有轨道交通专业教学在虚拟仿真实验平台的应用分析，对未来进一步发展的方向提出以下几项建议：

3.1 注重虚拟仿真实验平台的整体规划和充分利用

目前，高校在虚拟实验平台建设时，通常是各系统逐步引进，由不同的生产商提供，由此带来后期各系统独立工作，造成实验资源不易整合，相关性强的实验设备或系统难以联合应用，不能实现完整，闭环的实验效果。因此，学校要根据教学特色、专业重点和学科发展进行合理规划，制定本校虚拟仿真实验教学及综合平台的总体设计，实现扩展性强，可资源整合与优化的功能集约、运作高效的虚拟仿真实验教学平台，开发各系统及联合性的实验项目，充分发挥虚拟仿真实验平台作用[5]。

3.2 从业务型向原理型实验内容及形式的探索

为了满足轨道交通各专业实验教学的需求，现有的虚拟仿真实验系统或平台产品多种多样，其内容主要聚焦于操作性业务和技能的训练，这也是虚拟仿真实验平台最初的设计目标，但随着虚拟仿真技术的发展和成熟，虚拟实验平台教学的不断普及和推进，可以考虑将比较抽象的原理性专业知识也“动”起来和“活”起来，使下一阶段的虚拟仿真实验平台从业务层内容深入至原理层，打造符合专业内容更为全面和完整的实验教学新模式。而伴随原理性实验条件和内容的增加，也为科研项目的试验和测试提供了契机，为实验教学辅助科研，科研带动教学奠定了基础[6]。同时，可以依托特色专业优势，将建设示范性实验教学中心为目标，使其发挥更大的教育意义。

4 结语

轨道交通专业实践中应用虚拟仿真平台，更突出的优势在于能够模拟真实、危险操作，或再现故障环境，拆解复杂甚至不可见的内部机械构造，通过实验项目设计和实训目标的制定，针对教学要点及常见故障处理，为学生提供“勤学多练”的教学条件，提升专业技能认知，强化学习实践效率，夯实实践实训能力。因此，将虚拟仿真技术应用到轨道交通专业的教学上，对学校提高实验实践教学效率，降低实训成本，确保教学高质量地完成具有重要意义，也顺应目前现代教学信息化、数字化的发展趋势。

而虚拟仿真实验平台的应用，可以有效地整合高校信息化实验教学资源，实现轨道交通专业设备及系统的共享式教学，极大地提高了实验资源利用率、拓展实验领域、改革实验教学方法，促进高效、绿色，可持续发展的实验教学体系的建设和不断优化发展。