陶漢卿 李文波

【摘 要】本文分析城市軌道交通自動售檢票（AFC）系統(tǒng)教學存在的問題，根據(jù)模塊化、透明化實踐教學的思想，將AFC系統(tǒng)的模塊進行拆解、連接，開發(fā)故障診斷系統(tǒng)，設(shè)計模塊化的理實一體化教學系統(tǒng)，并介紹系統(tǒng)的理論教學模塊和TVM、AGM機等實踐教學的結(jié)構(gòu)、故障樹診斷系統(tǒng)、關(guān)鍵技術(shù)等。

【關(guān)鍵詞】城市軌道交通? 模塊化? AFC? 理實一體化? 故障樹? 教學系統(tǒng)

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）11C-0189-04

城市軌道交通控制自動售檢票（AFC）系統(tǒng)在城市軌道交通運營管理中起到非常重要的作用，是城市軌道交通運營管理、城市軌道交通通信信號技術(shù)專業(yè)使用和維護的設(shè)備。AFC設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，對于這兩個專業(yè)的學生，要求在掌握AFC系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)和功能、工作原理等理論知識的同時，必須認知AFC設(shè)備內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)，學會AFC設(shè)備拆裝認知、檢修流程和故障查找處理，這些需要高標準的實踐技能訓練。

一、職業(yè)院校城市軌道交通AFC系統(tǒng)教學問題

第一，理論教學和實踐教學相脫節(jié)。一般采用常規(guī)的先理論后實踐的教學模式，理論教學和實踐教學各自為政，理論教學關(guān)注的是理論知識的傳授，實踐教學注重的是實際操作，兩者不能形成良好的相互促進關(guān)系，造成部分內(nèi)容重復教學，學生在學習過程中理論不能聯(lián)系實踐，影響了教學效率。

第二，實訓設(shè)備少，不利于實踐教學組織的開展。AFC設(shè)備購置和維護成本高，高職院校由于場地和經(jīng)費的限制，用于AFC系統(tǒng)實踐教學的設(shè)備少，在班級人數(shù)多的情況下，進行分組分模塊教學，學生輪流進行操作，動手操作機會少，教師在指導模塊教學時還要維持課堂紀律，教學組織和管理困難，不能有針對性地進行指導，不能很好地激發(fā)學生的學習興趣。

第三，傳統(tǒng)的AFC實訓系統(tǒng)與城市軌道交通運營公司的高度一致，設(shè)計的集成度較高，沒有考慮教學的需要，在設(shè)備認知教學時，學生只能看到系統(tǒng)組成部分各個模塊的外觀，無法看到模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、原理和工作過程，在設(shè)備拆裝和設(shè)備故障查找處理教學時，學生的誤操作或者其他原因可能會導致模塊元件的損壞，增加了設(shè)備的維護成本和時間，給實踐教學的開展帶來了較大的難度。

為解決這些問題，本文設(shè)計了模塊化的城市軌道交通AFC理實一體化教學系統(tǒng)，將理論教學和實踐教學進行統(tǒng)一設(shè)計，以學生為主體、以教師為主導，設(shè)定教學任務(wù)和教學目標，實現(xiàn)教師與學生“教、學、做”一體，教學過程中，以實踐訓練項目為主線，理論和實踐教學交替進行，重點培養(yǎng)學生的技能和職業(yè)能力，從而提高教學質(zhì)量和教學效率。

二、城市軌道交通AFC理實一體化教學系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

（一）城市軌道交通AFC系統(tǒng)簡介

自動售檢票系統(tǒng)（AFC）是融合了計算機、網(wǎng)絡(luò)通信和自動控制等3C技術(shù)的全過程自動化系統(tǒng)，用于城市軌道交通售票、檢票、計費、收費、統(tǒng)計、清分和管理等。AFC系統(tǒng)較為龐大，設(shè)備較多，具有票卡、車站計算機系統(tǒng)（SC）、維修中心計算機系統(tǒng)（MMC）、培訓中心計算機系統(tǒng)（TC）、車站終端設(shè)備（SLE）、自動檢票機（AGM）、自動售票機（TVM）、自動查詢機（TCM）、半自動售票機（BOM）、手持式檢票機（PTCM）和編碼分揀機（ES）等設(shè)備。

城市軌道交通AFC系統(tǒng)按照層次化劃分可以分為五層，第一層是主要用于管理各個線路票務(wù)信息的城市軌道交通清算系統(tǒng)，第二層是主要用于統(tǒng)計線路的AFC運營數(shù)據(jù)的中央計算機層，第三層主要是負責管理車站票務(wù)數(shù)據(jù)的車站計算機層，第四層是負責控制車站內(nèi)各種電氣化設(shè)備的車站終端設(shè)備層，第五層是實現(xiàn)乘客車票的管理工作和車票的自動售檢功能的車票層。城市軌道交通AFC系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

理實一體化教學系統(tǒng)將城市軌道交通AFC系統(tǒng)的車站終端設(shè)備進行模塊和組件拆解，采用電纜連接，連接成為完整的系統(tǒng)，實現(xiàn)模塊間的聯(lián)動和現(xiàn)場設(shè)備的功能。

（二）城市軌道交通AFC理實一體化教學系統(tǒng)設(shè)備

城市軌道交通AFC理實一體化教學系統(tǒng)采用教學路由器、多個具有聯(lián)動功能的模塊化實操設(shè)備（包括上位機和下位機）、配套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等搭建智能理實一體化基礎(chǔ)環(huán)境，每套實訓系統(tǒng)的中心控制端包括服務(wù)器、智能實訓教學平臺、課程交互式教學軟件等，模塊化實操設(shè)備包括上位機、無線透傳模塊、下位機、PWM電源模塊和AFC設(shè)備模塊等。城市軌道交通AFC理實一體化教學系統(tǒng)設(shè)備連接如圖2所示。

（三）教學系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

1.模塊化實操設(shè)備上位機軟件技術(shù)

目前的智能實訓系統(tǒng)中，一般設(shè)置電路線路故障采用的方法是松開接線端子排上的螺絲，在接線端子上塞入絕緣膠片或者用繼電器接點斷開線路等手段，導致故障設(shè)置時間長、易被發(fā)現(xiàn)，影響設(shè)備原有配線，用于設(shè)置故障配線復雜，故障系統(tǒng)受外界設(shè)備的干擾，影響故障設(shè)置的突然性、隨機性和不可預(yù)見性，不易于故障系統(tǒng)的維護。

城市軌道交通AFC理實一體化教學系統(tǒng)的模塊化實踐操作設(shè)備由上位機和下位機組成。上位機采用計算機，繪制圖形界面和傳輸信息的編、解碼。利用C#語言編寫人機界面，先設(shè)置理實一體化實訓室模塊化設(shè)備布置一致的設(shè)備圖，并進行設(shè)備編號，點擊其中的設(shè)備，可以進行放大，可以清楚地分辨出設(shè)備的結(jié)構(gòu)，直接使用鼠標右鍵下拉菜單進行選擇，可以直觀和簡單地設(shè)置故障。上位機有多個終端，采用局域網(wǎng)連接，通過無線網(wǎng)絡(luò)和中心控制端的服務(wù)器相連，由服務(wù)器進行故障設(shè)置、學員操作過程記錄、學員評價等數(shù)據(jù)處理，然后與智能實訓教學平臺交換信息。

故障設(shè)置之后，界面上出現(xiàn)故障前的顯示狀態(tài)，隱藏故障點，查找到故障點后，在相應(yīng)的設(shè)備模塊上點擊鼠標右鍵，選擇修復即可。采用三維建模技術(shù)對界面設(shè)備模塊進行繪制，每一個設(shè)備模塊采用控件封裝，方便模塊的自由組合、修改和升級。

2.模塊化實操設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

由于城市軌道交通AFC理實一體化教學系統(tǒng)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的保密程度需求不大，因此系統(tǒng)模塊采用DATA-6123無線透傳模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，該模塊支持多中心、多端口通信，將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進行傳送，所有數(shù)據(jù)可透明地在兩設(shè)備之間雙向傳輸。無線透傳技術(shù)應(yīng)用如圖3所示。

3.模塊化實操設(shè)備下位機技術(shù)

將城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)拆解為多個模塊，且連接成為完整的系統(tǒng)，進行模塊化教學。每個模塊化實操設(shè)備下位機由單片機系統(tǒng)組成，單片機將接收下來的編碼信息進行解碼，利用脈寬寬度調(diào)制式（PWM）開關(guān)型穩(wěn)壓電源模塊調(diào)整供電電壓，從而達到故障無線遙控設(shè)置的目的。

4.智能實訓教學平臺故障樹模型

城市軌道交通AFC教學系統(tǒng)智能實訓教學平臺采用一體機，交互式教學軟件運用故障樹分析（fault tree analysis）方法，構(gòu)建出系統(tǒng)的故障樹模型。具體方法是：分析系統(tǒng)的功能，拆分系統(tǒng)需要進行故障分析與處理的硬件結(jié)構(gòu)，故障事件按層次分級，將導致上級事件發(fā)生的直接原因作為下級，用一定的邏輯關(guān)系聯(lián)系起來，形成有序邏輯圖，開發(fā)故障設(shè)置與分析處理的模塊化教學系統(tǒng)。

三、城市軌道交通AFC理實一體化教學系統(tǒng)設(shè)計

城市軌道交通AFC理實一體化采用互聯(lián)網(wǎng)思維，根據(jù)職業(yè)教育的理實一體化教育理念、教學特點，按照城市軌道交通AFC系統(tǒng)的五個層次，將城市軌道交通AFC系統(tǒng)應(yīng)用無線透傳、云計算、大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)手段，在滿足常規(guī)的理論教學功能需求的基礎(chǔ)上，針對性地解決理論實訓教學中的特殊功能需求，形成“互聯(lián)網(wǎng)+教學”的一體化創(chuàng)新教學模式。圍繞自動售檢票系統(tǒng)典型工作任務(wù)實現(xiàn)模塊化教學，包括結(jié)構(gòu)認知、標準作業(yè)流程、故障診斷與處理等方面的訓練。

教學系統(tǒng)將AFC系統(tǒng)模塊的外殼拆卸，裝上采用有機玻璃制成的透明外罩，便于直觀、透徹地觀察設(shè)備的內(nèi)部，使學員更好地掌握AFC系統(tǒng)自動售票機模塊的結(jié)構(gòu)、動作過程和工作原理。

服務(wù)器和智能實訓教學平臺組成中心控制端，教師可以利用交互式教學軟件的教學課件進行理論教學，交互式教學軟件還可以進行故障設(shè)置，故障診斷和處理演示，把傳統(tǒng)教室解放為移動的開放教室，把教師從固定的講臺位置和從傳統(tǒng)的“粉筆+黑板”或者是“PPT+幕布”的形態(tài)中解放出來，充分實現(xiàn)教與學的互動。

模塊化實操設(shè)備的上位機通過網(wǎng)絡(luò)從中心控制端獲取課件和交互式教學軟件的故障診斷和處理演示，學生可以在課堂上進行學習，模塊化實操設(shè)備將接收到的故障設(shè)置信息通過無線透傳模塊傳輸給下位機，下位機控制和調(diào)節(jié)模塊的PWM電源設(shè)置故障，學生可以進行故障診斷和處理，加強動手實踐能力。模塊化實操設(shè)備還可以將故障設(shè)置信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行目刂贫说姆?wù)器處理，在智能實訓教學平臺上進行顯示。

在互動教學中，學生利用配備的移動終端來和組員或教師互動、交流、學習，為學生提供更強的參與感，同時激發(fā)學生獨立思考的能力，實現(xiàn)學習的各個環(huán)節(jié)互通。

（一）模塊化設(shè)計

本文以自動售票機系統(tǒng)、自動檢票機系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)為例進行城市軌道交通AFC理實一體化教學系統(tǒng)的模塊化處理，將這些模塊和組件進行拆解，采用電纜連接，連接成為完整的系統(tǒng)，電源模塊有多路路PWM開關(guān)型穩(wěn)壓電源，為其他模塊供電，實現(xiàn)模塊間的聯(lián)動和系統(tǒng)功能，組成模塊化實操設(shè)備，通過調(diào)整電源模塊的各路電壓，可設(shè)置故障。

（二）自動售票機系統(tǒng)模塊

自動售票機將主控單元、單程票發(fā)售模塊、讀卡器、乘客顯示器、紙幣識別處理模塊、紙幣找零模塊、硬幣處理模塊、運行狀態(tài)顯示器、維修面板、電源模塊以及機械外殼等模塊和組件進行模塊化處理，同時模塊化實操設(shè)備內(nèi)部還預(yù)留了網(wǎng)絡(luò)交換機的安裝空間。自動售票機系統(tǒng)模塊化實操設(shè)備設(shè)計如圖4所示。

（三）自動檢票機系統(tǒng)模塊

自動檢票機主要由主控單元、單程票回收模塊、讀卡器、乘客顯示器、扇門單元、乘客傳感器、方向指示器、警示燈、蜂鳴器、維修面板、電源模塊以及機械外殼等模塊和組件構(gòu)成。將這些模塊和組件進行拆解，采用電纜連接，連接成為完整的系統(tǒng)，電源模塊有7路PWM開關(guān)型穩(wěn)壓電源，為其他模塊供電，實現(xiàn)模塊間的聯(lián)動和系統(tǒng)功能，通過調(diào)整電源模塊的各路電壓，可設(shè)置故障。同時，機柜內(nèi)部還預(yù)留了網(wǎng)絡(luò)交換機的安裝空間。

自動檢票機采用專門的讀卡區(qū)設(shè)計，不但符合右手持票通過的用戶需求，還能夠有效防止相鄰通道的乘客誤用左手一側(cè)的讀卡區(qū)。自動檢票機系統(tǒng)模塊化實操設(shè)備設(shè)計如圖5所示。

（四）課程交互式教學系統(tǒng)

城市軌道交通AFC理實一體化教學系統(tǒng)智能實訓教學平臺采用嵌入式課程軟件，組成課程交互式教學系統(tǒng)，安裝在中心控制端和模塊化實操設(shè)備的上位機，主要用于基本結(jié)構(gòu)認知、標準作業(yè)流程等方面的教學，面向自動售檢票檢修工進行故障診斷與處理等方面的實訓。

課程管理包括六個交互式教學系統(tǒng)：自動檢票機扇門模塊交互式教學系統(tǒng)、自動檢票機票卡回收模塊交互式教學系統(tǒng)、自動檢票機總成交互式教學系統(tǒng)、自動售票機硬幣模塊交互式教學系統(tǒng)、自動售票機票卡發(fā)售模塊交互式教學系統(tǒng)、自動售票機總成交互式教學系統(tǒng)。每個交互式教學系統(tǒng)引入德國先進的職業(yè)教育教學理念，采用任務(wù)導向型教學模式，分別從理論教學、實訓教學、標準作業(yè)、考試管理、知識拓展等方面設(shè)置多個工作任務(wù)，以便學員能夠通過完成不同類型的任務(wù)，掌握各個實訓模塊的工作原理及故障分析處理。城市軌道交通AFC理實一體化課程交互式教學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

本文設(shè)計的城市軌道交通AFC理實一體化教學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系和關(guān)鍵技術(shù)，從我國職業(yè)院校城市軌道交通AFC系統(tǒng)的教學存在問題出發(fā)，以提高教學質(zhì)量和效率為目的，融入模塊化的教學理念，“互聯(lián)網(wǎng)+教學”的理實一體化創(chuàng)新教學模式，加強課堂互動，活躍課堂氣氛，讓知識易于理解，加強學生的技能訓練，提高教學效果，符合城市軌道交通AFC的教學標準和教學要求，設(shè)備還具有擴展性能，適用自動查詢機、半自動人工售票系統(tǒng)、票房、手持式驗票機、票卡、驗鈔機、硬幣清點機、乘客導向系統(tǒng)、車站計算機系統(tǒng)等設(shè)備，使城市軌道交通AFC理實一體化教學系統(tǒng)能夠推廣應(yīng)用。

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（責編 盧 雯）