王文潤， 黨建武，2， 王陽萍，2， 岳 彪， 雍 玖

（1.蘭州交通大學(xué)軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，蘭州 730070；2.甘肅省人工智能與圖形圖像處理工程研究中心，蘭州 730070）

0 引 言

在新工科建設(shè)背景下，隨著信息技術(shù)和高等教育的深度融合，虛擬仿真技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究等方面發(fā)揮的作用越來越重要［1-3］。近年來，隨著高校對學(xué)生工程實(shí)踐能力和科技創(chuàng)新能力的要求不斷提高，虛擬仿真在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用日益增多。目前，國內(nèi)外已有很多高校建設(shè)有桌面式、沉浸式等多種類型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和要求，建設(shè)了對應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)共享平臺，為學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供環(huán)境和條件［4-6］。

鐵路信號基礎(chǔ)設(shè)備（信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)及軌道電路等）是構(gòu)成鐵路信號系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其質(zhì)量和可靠性直接影響列車的安全運(yùn)行，在鐵路信號現(xiàn)代化的進(jìn)程中，它們也在不斷更新和改造［7-9］。熟悉和掌握各種類型鐵路信號基礎(chǔ)設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成和工作原理是軌道交通相關(guān)專業(yè)學(xué)生必須具備的重要知識。而學(xué)?，F(xiàn)有的實(shí)體信號設(shè)備存在種類不全、設(shè)備數(shù)量極少的問題，在有限的教學(xué)計(jì)劃內(nèi)難以保證每位學(xué)生都能熟練掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。因此，以信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、軌道電路等實(shí)際設(shè)備為原型，設(shè)計(jì)開發(fā)了對應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，學(xué)生在線通過信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)及軌道電路等設(shè)備三維虛擬仿真課件，對信號基礎(chǔ)設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、動作原理進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，達(dá)到熟練掌握設(shè)備結(jié)構(gòu)組成、故障維護(hù)的能力水平。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)的必要性

鐵道信號基礎(chǔ)設(shè)備是保證鐵路平穩(wěn)運(yùn)行的重要組成部分。近年來，我國鐵路運(yùn)輸向高速度、高密度、重載量快速發(fā)展，鐵道基礎(chǔ)設(shè)備出現(xiàn)故障的概率增多，并逐漸出現(xiàn)故障的多元化與頻發(fā)性。而相關(guān)專業(yè)學(xué)生在工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程中存在諸多問題：①學(xué)生到實(shí)際的鐵路現(xiàn)場實(shí)習(xí)存在風(fēng)險(xiǎn)大、時(shí)間緊、任務(wù)重等；②由于鐵路信號基礎(chǔ)設(shè)備種類較多，體型龐大，學(xué)校在實(shí)驗(yàn)設(shè)備購置、實(shí)驗(yàn)場地安排等也存在問題；③由于信號基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)量有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、及實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間限制，難以保證每位學(xué)生都能上手操作。

為此設(shè)計(jì)開發(fā)了滿足學(xué)生實(shí)踐教學(xué)要求的信號基礎(chǔ)設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過共享平臺在線完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，即不受時(shí)間和空間限制，可有效解決實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)效果之間的矛盾，對于提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力具有重要意義［10-13］。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

2.1 設(shè)計(jì)框架

鐵路信號基礎(chǔ)設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源的設(shè)計(jì)過程主要包括需求分析、模型設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)及資源展示4個(gè)環(huán)節(jié)［14-16］。需求分析主要是確定設(shè)備型號、功能需求、軟硬件平臺；模型設(shè)計(jì)階段完成設(shè)備、鐵路線路及環(huán)境三維模型制作；功能設(shè)計(jì)主要是完成虛擬仿真資源系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)；資源展示階段將完成的虛擬實(shí)驗(yàn)資源部署在相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺，為師生實(shí)驗(yàn)教學(xué)做好應(yīng)用準(zhǔn)備。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

設(shè)計(jì)開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)手段到實(shí)驗(yàn)方法都有所創(chuàng)新：

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容創(chuàng)新。不再局限于書本中要求掌握的信號基礎(chǔ)設(shè)備構(gòu)成和工作原理，增加了設(shè)備日常巡檢、集中檢修和常見故障處理等工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

（2）實(shí)驗(yàn)手段創(chuàng)新。由傳統(tǒng)的桌面式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)向沉浸式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式轉(zhuǎn)變，學(xué)生不僅可以通過電腦終端去實(shí)現(xiàn)信號設(shè)備的拆解、組裝，而且部分實(shí)驗(yàn)資源學(xué)生可戴上虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，身臨其境地對鐵路信號設(shè)備進(jìn)行拆裝，交互性更強(qiáng)。

（3）實(shí)驗(yàn)方法創(chuàng)新。由被動轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，學(xué)生運(yùn)用學(xué)號登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)云平臺，自主完成老師下發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告，系統(tǒng)會根據(jù)老師提前設(shè)置的實(shí)驗(yàn)時(shí)間自動給出實(shí)驗(yàn)成績，極大地減輕了教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作量。

2.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)K

實(shí)驗(yàn)主要采用引導(dǎo)式和自主式兩種教學(xué)方法，每種類型的信號基礎(chǔ)設(shè)備虛擬仿真課件均開發(fā)了學(xué)習(xí)和練習(xí)2個(gè)模塊。

（1）學(xué)習(xí)模塊。學(xué)習(xí)模塊主要采用引導(dǎo)式教學(xué)方法，側(cè)重訓(xùn)練學(xué)生對信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)及軌道電路等各種類型信號基礎(chǔ)設(shè)備結(jié)構(gòu)組成、動作原理及電路原理等理論知識的掌握，實(shí)驗(yàn)界面設(shè)置了語音講解和文字提示功能，學(xué)生在忘記理論知識的情況下，不用翻閱書籍、資料，能夠輔助學(xué)生更快速有效地掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（2）練習(xí)模塊。練習(xí)模塊主要采用自主式教學(xué)方法，該模塊要求學(xué)生在熟練掌握實(shí)驗(yàn)課程要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容情況下，運(yùn)用虛擬仿真課件進(jìn)行自測，沒有語音講解和文字提示功能，主要測驗(yàn)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握情況，起到查漏補(bǔ)缺的作用，加深學(xué)生對信號基礎(chǔ)設(shè)備結(jié)構(gòu)組成、動作原理及常見故障處理等知識的掌握。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

中心建設(shè)了信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)及軌道電路等當(dāng)前鐵路應(yīng)用較為廣泛的信號基礎(chǔ)設(shè)備虛擬仿真課件資源共11個(gè)，于2018年部署在學(xué)校軌道交通信息與控制國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，學(xué)生通過瀏覽器訪問共享平臺，運(yùn)用平臺虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源完成要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見圖2。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

系統(tǒng)中包含多個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的操作方法和操作步驟類似，具體教學(xué)內(nèi)容如下：

（1）信號機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源掌握透鏡式和LED色燈信號機(jī)機(jī)構(gòu)，各種信號機(jī)燈光配列信號日常養(yǎng)護(hù)、集中檢修及常見故障處理。

（2）轉(zhuǎn)轍機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源掌握ZD6系列電動轉(zhuǎn)轍機(jī)、S700k型電動轉(zhuǎn)轍機(jī)、ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)、ZD（J）9電動轉(zhuǎn)轍機(jī)、ZK4電空轉(zhuǎn)轍機(jī)、鉤式尖軌用道岔外鎖閉裝置的結(jié)構(gòu)、動作原理及常見故障處理。

（3）軌道電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源掌握25Hz相敏軌道電路、ZPW-2000系列移頻軌道電路結(jié)構(gòu)組成動作原理及常見故障處理。

（4）電源系統(tǒng)設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。熟悉鐵路智能電源屏的模塊組成；掌握監(jiān)測系統(tǒng)的使用方法；掌握正常狀態(tài)操作步驟；進(jìn)行常見故障設(shè)置，掌握故障狀態(tài)操作步驟。

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

現(xiàn)以最具代表性的ZD（J）9型電動轉(zhuǎn)轍機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，介紹其中主要的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作。

3.3.1 學(xué)習(xí)模塊實(shí)驗(yàn)

（1）轉(zhuǎn)轍機(jī)結(jié)構(gòu)拆裝仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過進(jìn)入結(jié)構(gòu)組成實(shí)驗(yàn)?zāi)K，進(jìn)入轉(zhuǎn)轍機(jī)主窗體，可點(diǎn)擊不同部位，拆分底殼、蓋、電動機(jī)、減速器、摩擦連接器、滾珠絲杠、動作桿、左右鎖閉桿、接點(diǎn)組、安全開關(guān)組、擠脫器、接線端子等，通過切換視角觀察各部件組成（見圖3）。

（2）轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部動作原理及仿真實(shí)驗(yàn)。來自道岔控制電路的電流，經(jīng)由接點(diǎn)座第1排接點(diǎn)接至電動機(jī)，使電動機(jī)按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。電動機(jī)通過齒輪帶動減速器旋轉(zhuǎn)。摩擦聯(lián)接器通過滾珠絲杠上的絲母帶動推板套做直線運(yùn)動。在鎖閉鐵的作用下，完成機(jī)械解鎖、轉(zhuǎn)換、鎖閉等動作。學(xué)生通過視角的切換觀察動作過程（見圖4）。

（3）轉(zhuǎn)轍機(jī)外部動作原理及仿真實(shí)驗(yàn)。尖軌VCC鎖閉檢查器的動作原理；芯軌VPM鎖閉檢查器的動作原理；尖軌鉤型外鎖閉的動作原理；芯軌鉤型外鎖閉的動作原理（見圖5）。

（4）轉(zhuǎn)轍機(jī)電路原理仿真實(shí)驗(yàn)。三相交流道岔啟動電路；三相交流道岔表示電路（見圖6）。

3.3.2 練習(xí)模塊實(shí)驗(yàn)

（5）檢查VCC鎖閉裝置和鎖閉量調(diào)整仿真實(shí)驗(yàn)。轉(zhuǎn)轍機(jī)拉入一側(cè)的鎖閉量??；轉(zhuǎn)轍機(jī)拉入一側(cè)的鎖閉量大；轉(zhuǎn)轍機(jī)伸出一側(cè)的鎖閉量?。晦D(zhuǎn)轍機(jī)伸出一側(cè)的鎖閉量大（見圖7）。

（6）檢查VPM鎖閉裝置和鎖閉量調(diào)整仿真實(shí)驗(yàn)。轉(zhuǎn)轍機(jī)拉入一側(cè)的鎖閉量??；轉(zhuǎn)轍機(jī)拉入一側(cè)的鎖閉量大；轉(zhuǎn)轍機(jī)伸出一側(cè)的鎖閉量?。晦D(zhuǎn)轍機(jī)伸出一側(cè)的鎖閉量大（見圖8）。

（7）鉤式外鎖閉鎖閉量調(diào)整仿真實(shí)驗(yàn)。轉(zhuǎn)轍機(jī)所在的方向一側(cè)尖軌鎖閉量??；轉(zhuǎn)轍機(jī)所在的方向一側(cè)尖軌鎖閉量大；未安裝轉(zhuǎn)轍機(jī)一側(cè)尖軌鎖閉量?。晃窗惭b轉(zhuǎn)轍機(jī)一側(cè)尖軌鎖閉量大（見圖9）。

（8）聯(lián)動表示桿尖軌缺口調(diào)整仿真實(shí)驗(yàn)。尖軌主板缺口??；尖軌主板缺口大；尖軌副板缺口?。患廛壐卑迦笨诖螅ㄒ妶D10）。

（9）聯(lián)動表示桿芯軌缺口調(diào)整仿真實(shí)驗(yàn)。芯軌主板缺口??；芯軌主板缺口大；芯軌副板缺口小；芯軌副板缺口大（見圖11）。

（10）分動表示桿調(diào)整仿真實(shí)驗(yàn)。表示桿伸出位置缺口大；表示桿伸出位置缺口小；表示桿拉入位置缺口大；表示桿拉入位置缺口?。ㄒ妶D12）。

（11）鎖閉檢查器的調(diào)整仿真實(shí)驗(yàn)。鎖閉檢查器擋塊擋不住轉(zhuǎn)動指；用6 mm U形量規(guī)在鎖閉檢查器六角螺母與構(gòu)架之間無法插入；用7 mm U形量規(guī)在鎖閉檢查器六角螺母與構(gòu)架之間可以插入；更換鎖閉檢查器（見圖13）。

3.3.3 沉浸式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

部分信號基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)了沉浸式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，學(xué)生可戴上虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，或者運(yùn)用沉浸式交互大屏等方式身臨其境地對鐵路信號設(shè)備進(jìn)行拆裝，交互性更強(qiáng)（見圖14）。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

教師根據(jù)課程需要，運(yùn)用自己賬號登錄實(shí)驗(yàn)平臺建立課程，并添加本門課程所需的虛擬仿真資源并下發(fā)給學(xué)生。教師在下發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)，對每個(gè)實(shí)驗(yàn)資源都要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)合格次數(shù)、實(shí)驗(yàn)操作時(shí)長是否需要提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)定，學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)后，系統(tǒng)會根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)長、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等信息，綜合給出一個(gè)實(shí)驗(yàn)成績。學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)效果評價(jià)

中心建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源已應(yīng)用于“信號基礎(chǔ)設(shè)備”“鐵道信號遠(yuǎn)程控制”“區(qū)間信號及列車運(yùn)行控制”等多門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，及相關(guān)專業(yè)認(rèn)識實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生上線率和實(shí)驗(yàn)完成率達(dá)到100%，有效解決了實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間及資源缺乏等受限問題，取得了良好的教學(xué)效果。為了評估實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用效果，對我校2017級軌道交通信號與控制專業(yè)280名學(xué)生開展了問卷調(diào)查。問卷調(diào)查結(jié)果見圖16。

5 結(jié) 語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有實(shí)驗(yàn)條件便利、安全性高和實(shí)驗(yàn)成本低的優(yōu)勢，在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有越來越重要的地位。根據(jù)理論課程中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)要求，緊密結(jié)合軌道交通專業(yè)特色和行業(yè)發(fā)展最新成果，探索通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方式開展鐵路信號基礎(chǔ)設(shè)備在真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)行困難時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動。通過構(gòu)建形式多樣、內(nèi)容豐富的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，為學(xué)生提供了靈活自由的在線實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，借助完善的網(wǎng)絡(luò)管理平臺，實(shí)現(xiàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、考核、評價(jià)的閉環(huán)管理，為培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力提供有力支撐。