堕 塾 Ｎｏ．１ ＴＩＭＥ ＥＤＵＣＡＴ１０Ｎ Ｊａｎ 浅谈计算机虚拟仿真技７ｆ 在铁路机车模拟驾驶教学中的应用 谢健 摘要：随着铁路六次大提速和电力机车的迅速普及以及动车组的开通运营，传统模拟教学设备无法满足新时代铁路发展的要求， 基于计算机虚拟仿真和传感技术的新型机车模拟驾驶系统给我们的教学培训开辟了新的思路。 关键词：计算机虚拟仿真铁路机车模拟驾驶教学 中图分类号：Ｇ６４２．０ 文献标识码：Ａ 近年来，随着计算机的快速普及和多媒体技术特别是虚拟仿 柜，由它将信号输出至综合工控箱中的逻辑控制单元（ＬＣＵ）进行 真技术的快速发展给各领域的专业应用带来了福音。虚拟仿真 分析运算后再将各系统状态反馈至乘务员控制台，乘务员通过观 （ＶＲ）实际上是一种可创建和体验虚拟世界（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｗｏｒｌｄ）的计 察实时运行视景对机车的操作也必须经由ＬＣＵ完成控制各设备 算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再 的运作。通过ＳＳ４Ｇ驾驶机车时首先应升起受电弓，此时受电弓 现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种 状态传感器将受电弓已经升起的信号传输给控制单元，控制单元 传感通道与虚拟世界进行自然的交互。从核反应、天气运动到医 将接触网网压通过仪表反馈给乘务员，接着将主断路器拨至“合” 学领域的器官手术，甚至目前流行的计算机三维游戏软件等等， 的位置，接通整车电源，后续操作如启动劈相机、空气压缩机、通 无不乘着仿真技术快速发展的春风前行。仿真技术在教育领域 风机、鸣笛直至机车启动以及运行过程中的制动、缓解等均与真 的应用也日益丰富，下面简介它在铁路职业教育机车驾驶教学方 车无异。通过教学应用，师生普遍反映良好，真实感较强，并得到 面的应用。 机务段专业乘务员的肯定。 一直以来，铁路机车的造价非常高，其运行时受到铁路运行 凡事利弊参半，这类系统实现了对真实机车的高度仿真，但 图的严格，而机车乘务员的操作能力直接影响列车的安全， 其教学应用也有相当的局限性，主要包括几点。其一，系统成本 正点以及高效运行，因此机车乘务员的培训受到设备场所等诸多 高，上述ＳＳ４Ｇ全套报价高达两百多万人民币，出于经济考虑学校 条件，最初的培训教学主要围绕驾驶模拟器开展，而这类模 往往仅能配备一套，同一时间仅一个学员进行操作，如此一来，其 拟设备功能相对单一，仅以事先录制好机车驾驶室运行视频为 他大部分学员只能“干等着”，教学效率较低；其二，设备体积庞 主，通过对视频播放速度的控制达到模拟机车驾驶的简单教学。 大，整套系统占据了近两个教室的空间；其三，对安装配套要求也 随着铁路六次大提速和电力机车的迅速普及以及动车组的开通 高，如需要较高的工作电压，较大功率的空气压缩机以及较高层 运营，此类模拟教学设备无法满足新时代铁路发展的要求，因此 高的房间用于安装受电弓等等；其四，系统结构复杂，设备的状态 基于计算机虚拟仿真和传感技术的新型机车模拟驾驶系统应运 信号采集传感器较多，而且各设备与状态信号采集柜之间的线路 而生。简单而言，这类仿真系统即去掉机车走行部分，通过原始 四通八达，这还不包括其中走向复杂的空气管路，对日常的维护 机车与线路参数生成模型，并应用计算机三维图形实时生成机车 要求较高。还有一点，此类系统虽配置灵活但出于商业成本原因 运行线路视景，及通过传感器和控制单元将空气管路、高低压电 仿真车型和线路单一。上述ＳＳ４Ｇ报价中仅含一种车型和两条线 路等车载设备的运行状况和乘务员控制台的操作状态联系起来， 路即韶山４改进型机车及沈大线上下行沈阳南至辽阳段、南昆线 真实模拟机车的运行。这类系统的特点突出。首先，高仿真度。 上下行兴义至冗百段。以上局限性直接影响此类仿真系统在教 各类操作、设备运转与真车相同，如机车受电弓升降、主断路器合 学培训中的普及应用，导致教学效率较低。为利用现有资源提高 断、空压机运转等。机车运行视景与现实相仿，车站、信号灯、桥 机车模拟驾驶教学的效率，经过摸索，发现可通过普通计算机采 梁、各类标志一应俱全，而且可任意设置天气状况和各类事故状 用模拟火车游戏软件仿真的方式与虚拟仿真系统相辅相成从而 况。乘务员操作台与真车为１：ｌ比例仿真，各仪表如车速、网压、 提高教学效率。 电流、制动缸压力等都随着机车运行状态变化。其次，设置灵 众所周知，寓教于乐是教学活动的最高境界。得益于高速发 活。机车运行线路可根据教学安排添加和修改，线路内各参数如 展的计算机科技，近年来出现了许多以火车为题材采用虚拟仿真 限速、信号灯、机车编组等也可根据教学需要设置。再者，人机交 技术的游戏软件，与前述仿真系统的区别仅是缺少相对应的操作 互界面友好，教师与学员都易于操作，方便管理。现以韶山４改 控制台，电器柜，空气管路，状态采集等设备，完全依赖计算机实 进型电力机车模拟驾驶仿真系统为例（以下简称ＳＳ４Ｇ）简单说明 时运算仿真，对机车的操作都在键盘上完成，而各类设备状态和 其工作过程。ＳＳ４Ｇ由乘务员控制台，机车运行视景实时投影系 线路视景同时显示在计算机屏幕上，除此之外与价格昂贵的系统 统、空气管路控制系统、受电弓升降装置、高低压模拟控制柜、状 差别较小，除具仿真程度高、设置灵活的特点外，独具成本低、占 态信号采集柜、综合工控箱等组成，且每个设备有的状态信 用空间小等优势，以教学机房为例可满足近５Ｏ个学员同时使用， 号采集传感器，各设备之间通过控制总线联接至状态信号采集 并与现有仿真系统配合将大大提高教学效率。在此简介目前普 （下转第１３３页） 一１ ３１ — 壑塞 Ｎｏ．１ ＴＩＭＥ ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ Ｊａｎ 备维修专业的教学改革研究中，我们通过以机务工作过程为导 向，对机务岗位能力与知识结构进行分析，以学生技能培养为中 心，系统化的构建课程体系。在新的课程体系中，将教学内容分 为知识学习与技能训练两大模块，在教学过程中以机械及构造类 课程为切人点开展“教、学、做”一体化教学模式的研究实践。 ３．１建设一体化教室，实践一体化教学 根据机务维修岗位技能训练要求，我们建立了“基本技能 （Ｂａｓｉｃ ｓｋｉｌ１）”一“操作技能（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｋｉｌ１）”一“综合技能 （Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｋｉｌ１）”一“维修技能（Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ）”四个层次递进式的 业人才培养中的地位、要求及特点，采用多种灵活考核方式，例 如：在以认知、辨识为主要目标的课程中，我们采用了笔试＋口试 的考核方式，笔试与口试各占成绩的一半，在口试中要求学生就 着实物或模型进行相关问题的回答，这样可以使学生能够迅速并 主动地去掌握相关的知识、理论的认知和辨识能力；在以操作技 能学习为主要目标的课程中，我们主要采用了操作考核＋口试的 方式，这样可以使学生在实践学习中获得的感性认识进一步主动 转化为理性认识。 专业技能培养体系，结合各层次对应的知识理论教学要求，建设 相应的“教、学、做”一体化教室，营造机务岗位一线工作氛围，在 体化教学中培养学生的机务维修技能和养成严谨守纪的机务 一作风。 ３．２运用多种教学方法，加强学生的学习效果 在“教、学、做”一体化教学过程中，教学法需要复合型的教学 方法，教师引导学生掌握专业知识和操作技能，教学中除了运用 讲授法外，还应结合运用直观教学和模拟教学方法，如演示法、参 观法、练习法、巡回指导法、提问法及多媒体电化教学法，例如：在 《航空机械基础》课程中，我们运用实物模型讲解机构及其原理， 先让学生建立一种直观性的认识，然后在指导学生进行机构拆装 练习；在工具识别及使用的教学中，我们也是结合常用航空维修 工具实物进行讲解及示范，然后再指导学生进行工具的使用练 习；而在《飞机构造及机械系统》课程的教学中，一体化教学的场 所就是飞机机体一体化教室和实训基地停机坪，利用实物进行讲 解演示，这些教学方法 的改进，使学生的学习兴趣有了很大提 高，而教学效果也得到了明显的加强。 ３．３改变单一的考核方式 总之，通过对机械及构造类课程“教、学、做”一体化教学模式 的研究与实践，是航空机电设备维修专业在探索人才培养模式及 教学模式改革的一种思路。“教、学、做”一体化的教学模式改变了 传统的理论教学和实践相分离的教学形式，突破了实践是理论的 延伸和应用，是理论线性演绎的结果，是理论知识的附属品的传 统教育观念，突出了教学内容和教学方法的应用性、综合性、实践 性，它集理论知识传授、现场观摩、实践操作技能学习、训练为一 体，集教师与学生双向交流、指导，小组讨论协作为一体，增强了 学习的兴趣，促进了对知识、技能的理解，提高了学生实训的兴趣 和实际动手能力，为今后走向工作岗位增强了适应能力。 参考文献： ［１】姜大源．世界职教课程改革的基本走势及启示． 『２］Ｂｒｕｃｅ Ｉｏｙｃｅ，Ｍａｒｓｈａ Ｗｅｌ１．教学模式． 【３】姜大源．工作过程系统化的课程开发中若干重要问题解读． 【４】高士明．“教学做”一体化教学模式探析． 【５】曹玉婵．浅议“教学做一体化”教学模式在高职学院中的应用 作者简介：郭仁兴（１９８３一），男，汉族，海南万宁人，工作单位：海 航集团三亚航空旅游职业学院，助教，工学学士，海南三亚 ５７２０００ 我们以专业的技能培养为中心进一步明确了课程教学目标 及评价标准，改变了单一的闭卷考核方式。根据一体化课程在专 （上接第１３１页） 及度最高的ＭＳＴＳ模拟火车软件在教学上的应用。ＭＳＴＳ是微软 公司出品的一款模拟火车游戏软件，它以其高仿真、开放式结构 获得世界各国使用者的好评。除了高度仿真的视景与操作，开放 认，如此寓教于乐的不足也较突出，软件将所有仿真功能都集中 于计算机中，缺少相应仿真实体设备模块的联动，与现有仿真系 统相比处于劣势，再者计算机屏幕尺寸较小，可显示的视景信息 也较少，与高价仿真系统动辄１００英寸的投影显示效果差距明 显。因此上述通过仿真游戏软件进行机车模拟驾驶教学的方案 仅适用作为大型仿真系统的辅助教学，无法取代其地位。 存在即合理，两种仿真教学方案各有优缺点，优势互补，在日 常教学中做到灵活互用，可以收到事半功倍的效果。计算机虚拟 仿真系统的出现给我们传统的机车驾驶教学开辟了新的思路，随 着我国铁路现代化事业的不断推进，特别是高速动车组的开行对 式结构设计更是其突出特点，这意味着任何人使用提供的工具都 可制作出专业的用于仿真的机车和线路等。使用者制作完成的 各类机车与线路资源都通过互联网络免费共享。ＭＳＴＳ传人我国 后出现了大量的中国机车和线路，从老式的前进型蒸汽机车、东 风型内燃机车韶山电力机车到目前国内最先进的ＣＲＨ和谐号动 车组，线路从京哈线、京广线到贵昆线等等应有尽有。这些由使 用者制作的机车和线路，都具有专业水平，制作这些同样需要提 供真实机车和线路的原始数据，如机车外形尺寸、线路长度、各信 号灯、车站位置、线路视景内容等等，使用者还可以根据需要设置 不同的行车调度任务，不同的机车编组等。由于这类软件仅使用 我们铁路专业的教学培训提出了新的挑战，只有与时俱进不断改 进教学方式与方法才能跟上时代的步伐。 计算机仿真，所以成本非常低，仅一台计算机。应用于教学前首 先安装ＭＳＴＳ，并升级成可使用中国机车和线路模块，然后将教学 参考文献： 【１】王炜，包卫东等．虚拟仿真系统导论［Ｍ】．长沙：国防科技大学出 版社．２００７． 所需机车和线路拷入计算机，使用时直接调用即可。操作机车时 通过键盘控制机车的受电弓升降，制动缓解动作，运行速度等，计 ［２】张有松，朱龙驹等．韶山４型电力机车【Ｍ】．北京：中国铁道出版 社．２００１． 算机屏幕显示内容包括机车控制台，线路视景，信号灯状态，天气 状况，前方道岔状态以及各仪表数值等，运行过程各设备同步发 出声响，与真车无异。通过将游戏软件应用于教学，学员的学习 作者简介：谢健（１９８０一），男，广西南宁人，柳州铁道职业技术学 院机电工程系ＣＡＤ综合实训室实验员，助理工程师，广西柳州 ５４５００７ 兴趣自然得到提升，使枯燥的课堂教学生动丰富起来。不可否 —１ ３３—
