铁路客运站调车作业计划编制虚拟仿真实验教学资源共享建设与实践

王宇 马飞 李季涛 杨俊锋

摘  要：调车作业计划编制是铁路客运站调度指挥工作的核心内容，也是交通运输专业（铁路运输方向）不可或缺的教学实践项目。该文依托国家级轨道交通虚拟仿真实验中心，以国内某客运站为原型，自主研发铁路客运站调车作业计划编制虚拟仿真实验系统，面向社会开放。系统包含基础数据管理、计划编制管理、计划执行管理、图表绘制管理和数据统计分析5个子系统，通过搭建高度仿真的铁路客运站调车作业计划编制环境，使学生以车站调度员身份进行客运站调车作业计划编制，提升学生对专业核心课程的理解，培养学生综合工程实践能力。

关键词：车站调度;虚拟仿真;实验教学;调车作业计划编制;共享资源建设

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）31-0079-04

Abstract： The preparation of shunting operation plan is the core content of railway passenger station dispatching and command work， and it is also an indispensable teaching practice project of transportation major （railway transportation direction）. Relying on the national rail transportation virtual simulation experiment center， taking a domestic passenger station as the prototype， this paper independently develops a virtual simulation experiment system for the preparation of shunting operation planning in railway passenger stations， which is open to the society. The system consists of five sub-systems： basic data management， planning management， planning execution management， chart drawing management and data statistical analysis. By building a high simulation of railway passenger station shunting operation planning environment， the system enables students to prepare shunting operation planning of passenger stations as station dispatchers， improves students' understanding of the core curriculum and cultivates their comprehensive engineering practice ability.

Keywords： station dispatching; virtual simulation; experimental teaching; preparation of shunting operation plan; construction of shared resources

根據“一带一路”倡议、“中国高铁走出去”国家战略及“智慧交通”世界一流学科建设的需要，国家和社会急需高素质铁路运输方向的人才。随着我国铁路旅客运输的高速发展，铁路客运站调度指挥人才需求旺盛。调车作业计划编制是客运站调度指挥工作的核心内容，但由于铁路现场工作的复杂性和危险性，现场实习中虽投入大量人力财力，学生只能对调车作业计划进行简单认知，没有实际动手操作的可能，导致学生对调车作业计划编制基本技能掌握不足，毕业后融入客运站运输生产工作时间较长。

虚拟仿真实验能够利用有限的硬件资源，在有限实物空间与无限资源之间，理论与多样化、复杂化实践之间搭建桥梁[1]。国家为了进一步促进虚拟仿真实验教学中心的开放共享，建立了虚拟仿真实验教学项目共享平台（实验空间，www.ilab-x.com）[2]。大连交通大学作为轨道交通特色育人高校，一直为轨道交通企业特别是铁路运输企业输送高质量的应用型人才。为提升学生实践能力，学校自主开发了铁路客运站调车作业计划编制虚拟仿真实验共享平台，平台以国内某客运站为原型，通过搭建高度仿真的调车作业计划编制环境，使学生以车站调度员身份进行调车作业计划编制，进而解决学生实践能力薄弱、创新意识缺乏等的问题，满足用人单位对交通运输专业应用型人才实践操作能力的要求。

一  虚拟仿真实验共享教学资源建设背景

逐年上升的铁路旅客运输需求对客运站调度指挥管理的信息化程度和新型运输专业人才培养提出了更高的要求。目前铁路院校多是靠实验沙盘完成调车教学，且实景沙盘的制作、维护成本较高，一旦车站发生线路改造，对应的沙盘硬件就会面临整改甚至失效的问题[3]。而虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互等技术，可以构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，能够以生动、逼真、立体的形式来演示实验室中无法完成的复杂性、危险性的实验项目[4]。因虚拟仿真实验具有可控制、无破坏性、可重复使用等优点，其在铁路运输管理领域的应用也越来越广泛，仿真技术也从无交互的简化离散事件仿真、软件与实体推演沙盘相结合仿真，发展为高度仿真的虚拟现实。

根据教育部“2017—2020年示范性虚拟仿真实验教学项目建设规划”的建设目标，为适应现代大学生的成长特点和信息化时代背景下的教学规律，必须加快高校虚拟仿真实验项目的建设。此外，在新冠感染疫情防控时期，如何保证实验教学效果也对专业实验指导方式、实验操作方式提出了新的要求。因此，探索基于网络化的开放式教学模式，调车作业计划编制资源共享建设旨在突破时间和空间的限制，利用虚拟仿真实验教学平台，实现共享开放的铁路运输虚拟网络实验教学空间，对实现各高校及铁路企业的铁路运输教学资源共享，满足铁路运输应用型工程技术人才需求具有重要的现实意义和推广价值。

二  虚拟仿真实验共享教学资源建设理念

将调车作业计划编制虚拟仿真实验资源建设成为统一的、开放的虚拟仿真实验教学管理和共享平台，面向社会的虚拟实验教学资源共享，满足相关高等学校、科研院所、行业企业开展虚拟仿真实验教学的需要，构建开放共享的虚拟仿真实验教学服务体系。

（一）  构建基于网络化，以学生为中心、自主学习为基础的实训模式

随着新工科建设，交通运输专业更加重视实践教学环节，单独开设铁路运输综合实验课程，因课内实验项目不断增加，并且受实验室机位限制而造成的实验时间缩短的矛盾日渐突出。因此，以现代信息技术为支撑，构建基于网络化，以学生为中心、自主学习为基础的实训模式，对于实现学生在课外进行专业实践训练有着重要的现实意义[5]。

（二）  以项目为引领，开展自主式、探究式的教学模式

以项目引领的教学模式则是通过项目牵引，以铁路局发布的实际“客调命令”为导向，按照实验要求编制正确合理的调车作业计划。在完成项目实验过程中，学生在高度仿真的实验环境下，自主进行实验操作，及时解决实验中发现的问题，探索最优化解决方案，提高了学生的学习兴趣和工程素养。

（三）  通过“虚实结合”，培养学生综合工程实践能力

铁路客运站调车作业计划编制为交通运输专业不可或缺的教学实践科目。传统式实践教学是老师带领学生去客运站进行实习，走马观花式的实习方式不能让学生真正地投入到铁路客运站运输作业组织中。利用虚拟仿真实验教学平台，将“有限的物理实验教学空间”拓展成“无限的虚拟实验教学空间”，实现了校内多地的实验教学资源共享[6]。学生可在有网络的地方，远程登录平台，自主调用实验教学资源，进行调车作业计划编制操作，可以更快地掌握铁路运输组织基本理论，培养了学生的工程实践能力。

（四）  通过高仿真实验内容，提升学生对专业核心课程的理解

调车作业计划编制虚拟仿真实验平台的建设，增进学生对运输专业核心课程铁路行车组织、旅客运输、交通运输系统仿真理论知识的理解;使学生了解客运站主要技术作业过程，掌握客运站调车作业执行的组织机构和职责分工、掌握调车作业通知单格式，编制要求和标记规定;训练学生根据客调命令，按实验要求进行客运站调车作业的计划建立、计划编制、计划调整与下达等调度指挥基本技能;增进学生对铁路行车组织基础理论的理解，培养了学生解决实际复杂工程问题的能力[7]。

三  虛拟仿真实验教学资源共享平台拟解决的问题

学校依托国家级轨道交通虚拟仿真实验中心、列车运行仿真与运输设备实验室、铁路调度指挥仿真实验室等实验资源，在依据实际的车站车流数据，总结现实作业经验的基础之上，搭建与铁路现场车站调度指挥一致的仿真环境，有效克服了铁路现场作业的特殊性、危险性，使车站调度作业简约化、图形化，使学生的运输调度指挥技能得到充分训练。

（一）  实现图形化调车作业计划拖拽式编制

实验平台基于图形化的调车作业计划拖拽式编制。学生可通过鼠标操作，在现车界面上模拟调车作业过程，创建勾计划，简化勾计划的编制过程，提高编制效率，防止不合规则的错误发生。

（二）  实验系统与现场作业保持一致

实验平台在铁路相关车站实际应用的自主研发的“调车作业计划编制系统3.0”的基础上，将原型系统进行实践教学转化，自主开发设计的“铁路车站调度指挥虚拟仿真课程实验教学系统”全部采用现场数据，功能与现场原型系统完全保持一致，学生可以模拟客运站调车区长岗位进行实验操作。

（三）  丰富实验教学内容，解决无法动手操作等问题

实验平台模拟操作车站调车作业的过程。对调车作业计划编制虚拟仿真实验项目展开研究，目的是在信息化时代背景下，依托铁路调度指挥实验室的软硬件设备，对调车作业计划编制系统进行二次开发。在实验项目教学的过程中，逐步抛弃传统的教学方式，实验教学更加直观、形象，丰富了实验教学内容，实验教学形式、实验教学环境得以优化，培养学生的自学能力和创新能力，从而使教学方式与时代接轨。

四  虚拟仿真实验教学资源共享平台

实验平台以国内某客运站为原型，运用现场实际数据，依托自主研发的“调车作业计划编制系统3.0”，运用虚拟仿真技术自主研发的“调车作业计划编制在线实验系统V1.0”，建设调车作业计划编制虚拟仿真实验共享平台。

（一）  实验平台层次架构

实验平台采用Management-Level模式，表达从决策层↔管理层↔操作层，分别描述各个层次的功能和涉及的主要设备。调车作业计划编制系统层次结构分为计划层、执行层和管理层。

1  计划层

计划层是调车作业计划编制和执行的核心，主要用户包括调车区长、值班员、信号员。数据库服务器放在车站计算机室，通过网络与计划编制系统主机和计划执行系统终端相连接。调车区长主机作为数据中转中心，用于存储计划编制相关数据，其优点在于当因某种原因导致无法联网时，不影响调车区长的正常计划编制工作。

2  执行层

执行层的主要功能是依据路局调度命令，依据铁路相关规章标准执行调车作业计划，主要用户是调车长、连接员和调车机车司机。

3  管理层

管理层的主要功能是通过各种显示终端设备（台式机、大屏幕显示设备），实时监控车站调车作业的执行状态，及时掌握调机动态、站内列车和库内现车信息，系统能够对运输生产任务的完成情况进行预警提醒。

（二）  实验平台功能架构

通过对调车作业计划编制需求的分析理解，实验平台采用SOA（面向服务的架构）设计理念，建设调车作业计划编制虚拟仿真实验系统，系统主要包括基础数据管理、计划编制管理、计划执行管理、图表绘制管理和数据统计分析5个子系统，15个主要功能模块。系统主界面如图1所示。

1  基础数据管理子系统

包含客运站开行车次、编组内容、站内线路、库内线路、调机安排和作业标准等调车计划编制需要的相关基础数据。

2  计划编制管理子系统

计划编制采用图形拖拽方式，勾计划在拖拽中自动生成，可智能添加相关记事信息;每勾计划都能够显示正确的现车信息，并具备完善的计划修改功能;系统内置知识库，可在计划编制中进行实时的检查和提醒。

3  计划执行管理子系统

模拟“一看、二排、三挑、四划”操作，并实时上传时间数据;实时监控调车作业计划执行情况;实时显示调机动态、站内列车和库内现车信息场景等现车信息。

4  图表绘制管理子系统

实时读取调车作业计划执行数据，可以实现图形和表格的形式正确显示库内的现车信息数据和调机动态数据，完成车站技术图表的铺画[8]。

5  数据统计分析子系统

对车站调机运用及相关设备的使用情况进行统计分析，可实现勾数、人员（班）作业量统计，技术报表的自动生成。

（三）  实施虚拟仿真实验原理

通过虚拟仿真实验资源共享平台，学生可以基于图形化的调车作业计划拖拽式编制。通过鼠标操作移动场景现车界面上的列车或客车，模拟调车的摘、挂过程，实现勾计划的自动创建和记事栏信息智能填写，简化勾计划的编制过程，提高编制效率，防止不合规则的错误发生。开放的“铁路客运站调车作业计划编制虚拟仿真实验”全部采用现场数据，功能与现场原型系统完全保持一致，学生可以模拟客运站调车区长岗位进行实验操作，如图2所示。

五  虚拟仿真实验教学资源共享成效

该虚拟仿真实验资源自建设运行以来，每年不仅负责校内相关专业500余名学生进行实验教学，还接待了西南交通大学、大连科技学院、沈阳局下属大连站、长春站、沈阳站相关师生及职工的在线学习和培训，年均接待人数达2 000余人次，得到了很好的反馈。实验环境与现场实际操作系统一致，实现了计划编制与执行的图形化显示和拖拽式计划编制，具备完善方便的计划修改功能，能够对编制的计划进行自动检查、校验与任务提醒，实现了技术作业表自动绘制和调车作业数据统计分析，实验人员完全可以模拟客运站调车区长岗位和车站值班员岗位，进行客运站调车作业编制与执行的全过程，有效地培养了实验人员的实践操作能力。在此基础上，通过不断丰富实验模块和现实模拟功能，不断完善网络和设备环境，提升操作体验，加强技术架构和响应能力建设，拓展与铁路运输相关企业之间共建共享的广度和深度，结合调度指挥实际生产中的新问题，新技术和新方法，不断丰富实验模块，加强对铁路运输调度指挥数据的采集和利用，增强实验教学平台的现实模拟功能。

六  结束语

虚拟仿真实验教学资源的开放共享是当下虚拟仿真实验资源建设的重要任务之一，也是虚拟仿真建设的使命所在。铁路客运站调车作业计划编制虚拟仿真实验平台，实现了客运站调车作业计划编制的流程仿真，弥补现场实践无法动手操作的不足，提高学生实践创新能力、满足教学主体多元化需求。目前，平台受限于软硬件条件限制仅对部分院校和企业实现了开放共享，今后需要继续加强软硬件建设与维护，完善网络和设备环境，提高平台信息化共享和服务水平，建立完全开放共享的虚拟仿真实验资源平台。

参考文献：

[1] 朱军，华晶，皮大能，等.轨道交通虚拟仿真实验教学资源共建共享实践[J].湖北师范大学学报（自然科学版），2021，41（3）：86-92.

[2] 朱晓东，曾庆山，王东署，等.网络在线虚拟仿真类实验资源开放共享机制探索——以轨道交通信号控制类虚拟仿真实验为例[J].教育观察，2020，9（41）：48-51.

[3] 武帅，李季涛，张美勇.铁路客运站调车作业计划执行过程仿真平台的研制与开发[J].铁路计算机应用，2021，30（6）：1-5.

[4] 赵鲁华，刘海青，王建春.地方院校交通运输专业虚拟仿真实验项目设计[J].物流工程与管理，2022，44（2）：177-180.

[5] 杨永刚，刘江浩，王华明.印刷包装虚拟仿真平台的构建及创新人才的培养[J].教育教学论坛，2022（34）：181-184.

[6] 马驷，王琳，郭峤枫，等.适应新形势的交通运输虚拟仿真实验平台建设[J].西南交通大学学报（社会科学版），2015，16（3）：21-26.

[7] 張宏伟，高如新，李玉东，等.区间与车站信号自动控制虚拟仿真实验项目设计[J].实验室科学，2020，23（3）：4-6，12.

[8] 孙策.铁路客运站调车作业计划编制系统研究[D].大连：大连交通大学，2019.

基金项目：2021年辽宁省普通高等教育教学改革研究资助项目一般项目“铁路车站调度指挥虚拟仿真课程建设的研究与实践”（无编号）

第一作者简介：王宇（1979-），男，汉族，辽宁大连人，博士，副教授，教务处副处长。研究方向为铁路运输组织、铁路货物运输、铁路运输政策法规、物流系统规划与设计。