铁路信号基础设备虚拟仿真实验设计与应用
时间：2023-02-22 23:15:03 来源：千叶帆 本文已影响人
王文润， 党建武，2， 王阳萍，2， 岳 彪， 雍 玖
（1.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，兰州 730070；
2.甘肃省人工智能与图形图像处理工程研究中心，兰州 730070）
在新工科建设背景下，随着信息技术和高等教育的深度融合，虚拟仿真技术在高校实验教学、科学研究等方面发挥的作用越来越重要［1-3］。近年来，随着高校对学生工程实践能力和科技创新能力的要求不断提高，虚拟仿真在实践教学中的应用日益增多。目前，国内外已有很多高校建设有桌面式、沉浸式等多种类型的虚拟仿真实验，并根据实验的特点和要求，建设了对应的虚拟实验室和虚拟仿真实验教学网络共享平台，为学生开展实验教学提供环境和条件［4-6］。
铁路信号基础设备（信号机、转辙机及轨道电路等）是构成铁路信号系统的基础，其质量和可靠性直接影响列车的安全运行，在铁路信号现代化的进程中，它们也在不断更新和改造［7-9］。熟悉和掌握各种类型铁路信号基础设备的结构组成和工作原理是轨道交通相关专业学生必须具备的重要知识。而学校现有的实体信号设备存在种类不全、设备数量极少的问题，在有限的教学计划内难以保证每位学生都能熟练掌握实验内容。因此，以信号机、转辙机、轨道电路等实际设备为原型，设计开发了对应的虚拟仿真实验教学资源，学生在线通过信号机、转辙机及轨道电路等设备三维虚拟仿真课件，对信号基础设备的结构组成、动作原理进行反复练习，达到熟练掌握设备结构组成、故障维护的能力水平。
铁道信号基础设备是保证铁路平稳运行的重要组成部分。近年来，我国铁路运输向高速度、高密度、重载量快速发展，铁道基础设备出现故障的概率增多，并逐渐出现故障的多元化与频发性。而相关专业学生在工程实践能力和创新能力培养过程中存在诸多问题：①学生到实际的铁路现场实习存在风险大、时间紧、任务重等；
②由于铁路信号基础设备种类较多，体型庞大，学校在实验设备购置、实验场地安排等也存在问题；
③由于信号基础设备数量有限、结构复杂、及实验教学时间限制，难以保证每位学生都能上手操作。
为此设计开发了满足学生实践教学要求的信号基础设备虚拟仿真实验，学生通过共享平台在线完成相关的实验教学任务，即不受时间和空间限制，可有效解决实验条件与实验效果之间的矛盾，对于提升学生的工程实践能力和创新能力具有重要意义［10-13］。
2.1 设计框架
铁路信号基础设备虚拟仿真实验资源的设计过程主要包括需求分析、模型设计、功能设计及资源展示4个环节［14-16］。需求分析主要是确定设备型号、功能需求、软硬件平台；
模型设计阶段完成设备、铁路线路及环境三维模型制作；
功能设计主要是完成虚拟仿真资源系统功能设计；
资源展示阶段将完成的虚拟实验资源部署在相应的实验平台，为师生实验教学做好应用准备。虚拟仿真实验资源设计框架如图1所示。
2.2 实验创新
设计开发的虚拟仿真实验教学资源从实验内容、实验手段到实验方法都有所创新：
（1）实验内容创新。不再局限于书本中要求掌握的信号基础设备构成和工作原理，增加了设备日常巡检、集中检修和常见故障处理等工程实践能力的培养。
（2）实验手段创新。由传统的桌面式虚拟仿真实验教学向沉浸式虚拟仿真实验教学方式转变，学生不仅可以通过电脑终端去实现信号设备的拆解、组装，而且部分实验资源学生可戴上虚拟现实头盔，身临其境地对铁路信号设备进行拆装，交互性更强。
（3）实验方法创新。由被动转变为以学生自主学习为主，学生运用学号登录虚拟仿真实验云平台，自主完成老师下发的虚拟仿真实验项目，并上传实验报告，系统会根据老师提前设置的实验时间自动给出实验成绩，极大地减轻了教师的实验教学工作量。
2.3 实验模块
实验主要采用引导式和自主式两种教学方法，每种类型的信号基础设备虚拟仿真课件均开发了学习和练习2个模块。
（1）学习模块。学习模块主要采用引导式教学方法，侧重训练学生对信号机、转辙机及轨道电路等各种类型信号基础设备结构组成、动作原理及电路原理等理论知识的掌握，实验界面设置了语音讲解和文字提示功能，学生在忘记理论知识的情况下，不用翻阅书籍、资料，能够辅助学生更快速有效地掌握实验内容。
（2）练习模块。练习模块主要采用自主式教学方法，该模块要求学生在熟练掌握实验课程要求的实验内容情况下，运用虚拟仿真课件进行自测，没有语音讲解和文字提示功能，主要测验学生对实验内容的掌握情况，起到查漏补缺的作用，加深学生对信号基础设备结构组成、动作原理及常见故障处理等知识的掌握。
3.1 实验环境
中心建设了信号机、转辙机及轨道电路等当前铁路应用较为广泛的信号基础设备虚拟仿真课件资源共11个，于2018年部署在学校轨道交通信息与控制国家级虚拟仿真实验教学平台，学生通过浏览器访问共享平台，运用平台虚拟仿真实验资源完成要求的实验内容。虚拟仿真实验平台及实验内容见图2。
3.2 实验内容
系统中包含多个虚拟仿真实验项目，每个实验项目的操作方法和操作步骤类似，具体教学内容如下：
（1）信号机虚拟仿真实验。通过三维虚拟仿真实验资源掌握透镜式和LED色灯信号机机构，各种信号机灯光配列信号日常养护、集中检修及常见故障处理。
（2）转辙机虚拟仿真实验。通过三维虚拟仿真实验资源掌握ZD6系列电动转辙机、S700k型电动转辙机、ZYJ7电液转辙机、ZD（J）9电动转辙机、ZK4电空转辙机、钩式尖轨用道岔外锁闭装置的结构、动作原理及常见故障处理。
（3）轨道电路虚拟仿真实验。通过三维虚拟仿真实验资源掌握25Hz相敏轨道电路、ZPW-2000系列移频轨道电路结构组成动作原理及常见故障处理。
（4）电源系统设备虚拟仿真实验。熟悉铁路智能电源屏的模块组成；
掌握监测系统的使用方法；
掌握正常状态操作步骤；
进行常见故障设置，掌握故障状态操作步骤。
3.3 实验步骤
现以最具代表性的ZD（J）9型电动转辙机虚拟仿真实验为例，介绍其中主要的虚拟仿真实验操作。
3.3.1 学习模块实验
（1）转辙机结构拆装仿真实验。学生通过进入结构组成实验模块，进入转辙机主窗体，可点击不同部位，拆分底壳、盖、电动机、减速器、摩擦连接器、滚珠丝杠、动作杆、左右锁闭杆、接点组、安全开关组、挤脱器、接线端子等，通过切换视角观察各部件组成（见图3）。
（2）转辙机内部动作原理及仿真实验。来自道岔控制电路的电流，经由接点座第1排接点接至电动机，使电动机按逆时针方向旋转。电动机通过齿轮带动减速器旋转。摩擦联接器通过滚珠丝杠上的丝母带动推板套做直线运动。在锁闭铁的作用下，完成机械解锁、转换、锁闭等动作。学生通过视角的切换观察动作过程（见图4）。
（3）转辙机外部动作原理及仿真实验。尖轨VCC锁闭检查器的动作原理；
芯轨VPM锁闭检查器的动作原理；
尖轨钩型外锁闭的动作原理；
芯轨钩型外锁闭的动作原理（见图5）。
（4）转辙机电路原理仿真实验。三相交流道岔启动电路；
三相交流道岔表示电路（见图6）。
3.3.2 练习模块实验
（5）检查VCC锁闭装置和锁闭量调整仿真实验。转辙机拉入一侧的锁闭量小；
转辙机拉入一侧的锁闭量大；
转辙机伸出一侧的锁闭量小；
转辙机伸出一侧的锁闭量大（见图7）。
（6）检查VPM锁闭装置和锁闭量调整仿真实验。转辙机拉入一侧的锁闭量小；
转辙机拉入一侧的锁闭量大；
转辙机伸出一侧的锁闭量小；
转辙机伸出一侧的锁闭量大（见图8）。
（7）钩式外锁闭锁闭量调整仿真实验。转辙机所在的方向一侧尖轨锁闭量小；
转辙机所在的方向一侧尖轨锁闭量大；
未安装转辙机一侧尖轨锁闭量小；
未安装转辙机一侧尖轨锁闭量大（见图9）。
（8）联动表示杆尖轨缺口调整仿真实验。尖轨主板缺口小；
尖轨主板缺口大；
尖轨副板缺口小；
尖轨副板缺口大（见图10）。
（9）联动表示杆芯轨缺口调整仿真实验。芯轨主板缺口小；
芯轨主板缺口大；
芯轨副板缺口小；
芯轨副板缺口大（见图11）。
（10）分动表示杆调整仿真实验。表示杆伸出位置缺口大；
表示杆伸出位置缺口小；
表示杆拉入位置缺口大；
表示杆拉入位置缺口小（见图12）。
（11）锁闭检查器的调整仿真实验。锁闭检查器挡块挡不住转动指；
用6 mm U形量规在锁闭检查器六角螺母与构架之间无法插入；
用7 mm U形量规在锁闭检查器六角螺母与构架之间可以插入；
更换锁闭检查器（见图13）。
3.3.3 沉浸式虚拟仿真实验
部分信号基础设备设计开发了沉浸式虚拟仿真实验资源，学生可戴上虚拟现实头盔，或者运用沉浸式交互大屏等方式身临其境地对铁路信号设备进行拆装，交互性更强（见图14）。
3.4 实验结果
教师根据课程需要，运用自己账号登录实验平台建立课程，并添加本门课程所需的虚拟仿真资源并下发给学生。教师在下发实验时，对每个实验资源都要进行实验合格次数、实验操作时长是否需要提交实验报告等内容进行设定，学生提交实验后，系统会根据实验时长、实验报告等信息，综合给出一个实验成绩。学生提交的实验结果如图15所示。
中心建设的虚拟仿真实验资源已应用于“信号基础设备”“铁道信号远程控制”“区间信号及列车运行控制”等多门课程的实验教学，及相关专业认识实习、生产实习等实践教学环节，学生上线率和实验完成率达到100%，有效解决了实验时间、空间及资源缺乏等受限问题，取得了良好的教学效果。为了评估实验的应用效果，对我校2017级轨道交通信号与控制专业280名学生开展了问卷调查。问卷调查结果见图16。
虚拟仿真实验教学具有实验条件便利、安全性高和实验成本低的优势，在高校实验教学中具有越来越重要的地位。根据理论课程中实验环节的教学要求，紧密结合轨道交通专业特色和行业发展最新成果，探索通过虚拟仿真实验方式开展铁路信号基础设备在真实实验条件不具备或实际运行困难时的实验教学活动。通过构建形式多样、内容丰富的虚拟仿真实验教学资源，为学生提供了灵活自由的在线实验学习环境，借助完善的网络管理平台，实现教学、实验、考核、评价的闭环管理，为培养学生工程实践能力及创新能力提供有力支撑。
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