面向軌道交通信息控制的《信息傳輸原理》教學(xué)改革實(shí)踐

歐冬秀 閆黃 陳麗璇 黃世澤 沈拓

摘要：高速鐵路與城市軌道交通快速發(fā)展過程中高速、高密度、高安全是目標(biāo)，而控制中心與列車、軌旁設(shè)備的安全信息傳輸是實(shí)現(xiàn)列車安全運(yùn)營(yíng)的核心保障技術(shù)之一。本文重點(diǎn)探索軌道交通信息工程與控制專業(yè)人才培養(yǎng)的教學(xué)體系中專業(yè)基礎(chǔ)課“信息傳輸原理”的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法改革，分析新形式下交通信息交叉學(xué)科卓越人才培養(yǎng)中的工程能力培養(yǎng)需求，探索專業(yè)基礎(chǔ)課中基礎(chǔ)原理與工程的結(jié)合方法。實(shí)踐表明，該教學(xué)內(nèi)容和方法的改革，能有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生更好的明確課程學(xué)習(xí)的目的和自主學(xué)習(xí)，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：交通信息工程及控制；軌道交通；信息傳輸原理；工程能力

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）39-0095-04

一、交通工程卓越工程師培養(yǎng)

從上世紀(jì)70年代末恢復(fù)高考到現(xiàn)在，對(duì)于我國高等教育的辦學(xué)條件、辦學(xué)內(nèi)容和辦學(xué)要求這些方面，都發(fā)生了很大的變化，并且創(chuàng)新意識(shí)也已經(jīng)成為了優(yōu)秀人才的必要標(biāo)志。在上世紀(jì)80年代末期，北京大學(xué)通過考察研究，提出了“加強(qiáng)基礎(chǔ)，淡化專業(yè)，因材施教，分流培養(yǎng)”的16字教學(xué)改革方針，即在低年級(jí)進(jìn)行通識(shí)教育，高年級(jí)進(jìn)行寬口徑的專業(yè)教育。據(jù)此，各重點(diǎn)大學(xué)也根據(jù)自己的教學(xué)定位和專業(yè)學(xué)科的特點(diǎn)，先后實(shí)施了按照學(xué)科大類招生和培養(yǎng)的制度。學(xué)生通過大類招生入校后，經(jīng)過1～2年的基礎(chǔ)培養(yǎng)，再根據(jù)興趣和雙向選擇原則進(jìn)行專業(yè)分流。

同濟(jì)大學(xué)同樣也是按學(xué)科大類招生的本科生培養(yǎng)方式，招生門類包括土木類、交通運(yùn)輸類、電氣信息類、機(jī)械類等。交通運(yùn)輸類下的交通工程專業(yè)自1980年開始首批招收交通工程本科專業(yè)學(xué)生，該本科專業(yè)是從傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的土木工程學(xué)科專業(yè)群中延伸出來的新專業(yè)，2000年隨著兩校合并，集中兩校原有的道路與鐵道工程、交通工程與交通運(yùn)輸、交通信息工程等方面的教學(xué)力量，在現(xiàn)在的交通工程本科專業(yè)內(nèi)分別設(shè)置了交通規(guī)劃、道路與機(jī)場(chǎng)工程、交通信息工程和軌道交通工程等四個(gè)專業(yè)方向。交通信息工程專業(yè)方向是電子信息工程與交通運(yùn)輸工程這兩大學(xué)科門類的全新融合，它是將信息科學(xué)技術(shù)完美地結(jié)合到現(xiàn)代交通運(yùn)輸系統(tǒng)中去，充分發(fā)揮信息技術(shù)在交通運(yùn)輸工程中的作用。因此，交通信息工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)該是使前沿的信息技術(shù)更好地在交通運(yùn)輸工程中得到推廣使用，以便更好的發(fā)展和推進(jìn)交通運(yùn)輸事業(yè)的現(xiàn)代化和信息化。

面向“卓越工程師”目標(biāo)的交通工程本科專業(yè)培養(yǎng)方案是為了培養(yǎng)卓越工程師，故需探索多元化教學(xué)方式，積極建設(shè)面向工程能力培養(yǎng)的卓越工程師培養(yǎng)體系，解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)模式，培養(yǎng)能夠勝任交通工程及相關(guān)信息系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理、控制、運(yùn)行、維護(hù)、研究、教育以及投資開發(fā)等工作，并能面向未來，掌握解決現(xiàn)代交通問題的基本技能，掌握終身學(xué)習(xí)能力和國際視野的高級(jí)工程專門人才和拔尖創(chuàng)新人才。

二、面向交通信息的《信息傳輸原理》基礎(chǔ)課建設(shè)

（一）課程與其他課程的銜接關(guān)系

信息傳輸原理這門課程是交通與信息交叉中的一門屬于電子信息類的專業(yè)基礎(chǔ)課，它建立在電路分析基礎(chǔ)、信號(hào)與系統(tǒng)、電子技術(shù)基礎(chǔ)這些基礎(chǔ)課之上，除了需要交通運(yùn)輸類常規(guī)的高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)的數(shù)學(xué)知識(shí)外，還需要電子類的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課復(fù)變函數(shù)與積分變換。

由于軌道交通信息控制以及智能交通系統(tǒng)中的管理與控制平臺(tái)、車路協(xié)同控制等都需要通信技術(shù)的支持，而信息傳輸原理是通信系統(tǒng)和技術(shù)的基礎(chǔ)，因此該門專業(yè)基礎(chǔ)課將支撐后續(xù)的軌道交通信號(hào)基礎(chǔ)、車站與區(qū)間控制、軌道交通運(yùn)行控制與管理、交通信息網(wǎng)網(wǎng)與通信技術(shù)、智能交通系統(tǒng)等。

（二）面向交通信息的特色教材建設(shè)

面向交通信息交叉學(xué)科的信息傳輸原理課程的后續(xù)課程都是交通信息方向的專業(yè)課，因此信息傳輸原理的教學(xué)內(nèi)容較為廣泛，不僅包括電子信息方面的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，還包括通信控制和信號(hào)處理方面的專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，這是與電子通信工程專業(yè)的教學(xué)方案的不同之處。由此可見，信息傳輸原理教材不能簡(jiǎn)單地與通信原理等同視之，因?yàn)橥ㄐ旁淼暮罄m(xù)課程還有各種分門別類的通信專業(yè)課。

信息傳輸是一切應(yīng)用信息系統(tǒng)的核心，它不僅承擔(dān)著將大量信息既要高效精準(zhǔn)，又要安全可靠地有序流通和傳播的任務(wù)，而且在一定程度上決定了信息系統(tǒng)的服務(wù)性能和使用價(jià)值。此外，信息傳輸技術(shù)也是在信息技術(shù)中發(fā)展得最快和使用得最廣泛的熱門課題之一，特別是在交通運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)入智能化時(shí)代之后，更是離不開信息傳輸技術(shù)的研究和開發(fā)應(yīng)用。為此，特編寫了《信息傳輸原理》教材，該教材包括2004年的第一版和2011年的第二版，其中第二版為普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材。教材去除了現(xiàn)今已經(jīng)逐步淘汰的模擬信息傳輸廣泛，增加了應(yīng)用廣泛的光纖信息傳輸內(nèi)容，并且補(bǔ)充了在現(xiàn)代數(shù)字信息傳輸中的新技術(shù)，使得教材內(nèi)容更加充分全面，更加切合交通信息工程專業(yè)的實(shí)際需求。全書共有6章組成，具體內(nèi)容包括第1章——信息與信息系統(tǒng)，第2章——信息編碼技術(shù)原理，第3章——數(shù)字調(diào)制技術(shù)原理，第4章——移動(dòng)信息傳輸原理，第5章——光纖信息傳輸原理，第6章——信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。

三、課程教學(xué)內(nèi)容改革

課程的核心教學(xué)內(nèi)容包括信息與信息系統(tǒng)、信息編碼、數(shù)字調(diào)制、移動(dòng)信息傳輸、光信息傳輸?shù)?，該課程內(nèi)容多，原理復(fù)雜，涉及的知識(shí)面也很廣泛，學(xué)生不易理解和掌握，很難做到融會(huì)貫通。如果不將理論與工程實(shí)踐相結(jié)合，在單純的理論講解下，學(xué)生接受知識(shí)比較困難，因而對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革，結(jié)合每章節(jié)的核心理論知識(shí)模塊，將交通領(lǐng)域的典型應(yīng)用中的理論知識(shí)進(jìn)行貫穿講解（見表1），一方面便于理論知識(shí)的理解，另一方面便于與后續(xù)的專業(yè)課程有效銜接。

與教材中的核心理論知識(shí)模塊相比較，每個(gè)知識(shí)模塊要與交通領(lǐng)域的詳細(xì)用例相結(jié)合教學(xué)將更好地理解。以比較難于理解的數(shù)字調(diào)制技術(shù)原理為例，針對(duì)基帶傳輸計(jì)算機(jī)串口傳輸、軌旁電子單元與可變應(yīng)答器接口基帶碼型；而對(duì)于頻帶傳輸，即頻率調(diào)制，則結(jié)合高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)中的兩種車地信息傳輸方式：應(yīng)答器與軌旁控制單元基帶傳輸、音頻軌道電路調(diào)制進(jìn)行了調(diào)制方式講解和綜合性實(shí)驗(yàn)安排。

四、面向工程能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及方式改革

1.多層次的實(shí)驗(yàn)類型設(shè)置。（1）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在硬件設(shè)備缺乏的情況下，可以采用Matlab仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法。主要是選擇不同的輸入信號(hào)，觀察中間及輸出的信號(hào)波形。在模擬現(xiàn)實(shí)情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)理論知識(shí)的驗(yàn)證。（2）設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。對(duì)“信息傳輸原理”課程的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，可以結(jié)合學(xué)時(shí)的數(shù)量并充分利用學(xué)生的課外時(shí)間和開放性實(shí)驗(yàn)室，主要是對(duì)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。譬如對(duì)線性分組碼BC及循環(huán)冗余編碼CRC模塊的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，通過使用MATLAB編程方法對(duì)BC及CRC編碼器進(jìn)行模擬仿真，如果仿真結(jié)果和理論分析保持一致，即說明設(shè)計(jì)方法有效。通過這種方法，可以使學(xué)習(xí)者具備實(shí)際項(xiàng)目的研究手段，能更好地為今后的研究和實(shí)踐做準(zhǔn)備。（3）綜合性實(shí)驗(yàn)。綜合性實(shí)驗(yàn)是給定一個(gè)通信系統(tǒng)，通過分析系統(tǒng)各方面的性能指標(biāo)，綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，如編碼、調(diào)制、編程等要求學(xué)生從理論上對(duì)系統(tǒng)建模，在Matlab平臺(tái)仿真對(duì)實(shí)際的軌道交通車地通信系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方式改革。（1）理論與工程應(yīng)用相結(jié)合。本課程針對(duì)理論知識(shí)模塊共安排了8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和1個(gè)綜合設(shè)計(jì)，即大作業(yè)（如表2所示），實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目含基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和與軌道交通信息與控制信息傳輸密切結(jié)合的實(shí)驗(yàn)，如應(yīng)答器和軌道電路音頻信息傳輸。（2）發(fā)揮學(xué)生主導(dǎo)地位，完成雙主體教學(xué)的體系。在課堂上，教師只需充當(dāng)輔導(dǎo)學(xué)生的角色，當(dāng)學(xué)生遇到困難時(shí)，對(duì)其進(jìn)行引導(dǎo)性的解答，增強(qiáng)學(xué)生解決問題的能力。在實(shí)驗(yàn)操作過程中，教師應(yīng)及時(shí)指出學(xué)生的錯(cuò)誤做法，并在實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果與掌握情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。（3）發(fā)掘課內(nèi)外資源，構(gòu)造綜合型與設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)體系。依托同濟(jì)大學(xué)道路與交通教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的開放性實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)，對(duì)于課外實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過平臺(tái)預(yù)約，在相對(duì)寬松的課外時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)，開展由學(xué)生自主設(shè)計(jì)、自主實(shí)驗(yàn)、自主分析結(jié)果的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，制定以學(xué)生為中心的體驗(yàn)式、啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，構(gòu)建如表2所示的實(shí)驗(yàn)課程體系。

（二）軌道交通信息控制特色的綜合性實(shí)驗(yàn)案例

1.理論知識(shí)的工程應(yīng)用場(chǎng)景。應(yīng)答器是鐵路信號(hào)車地信息傳輸?shù)闹饕O(shè)備之一，如圖2。應(yīng)答器可向CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)車載設(shè)備提供等級(jí)轉(zhuǎn)換、建立無線通信、位置等信息，同時(shí)對(duì)CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)車載設(shè)備提供線路坡度、軌道電路、線路速度、臨時(shí)限速等線路參數(shù)信息。應(yīng)答器報(bào)文信息格式采用了統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，應(yīng)答器設(shè)置滿足CTCS-3系統(tǒng)、兼容CTCS-2系統(tǒng)的要求。應(yīng)答器工作原理功能模塊圖如圖3所示。

2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康募捌渑c理論知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)。本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括應(yīng)答器通信系統(tǒng)的搭建和仿真實(shí)現(xiàn)，其主要目的是：首先，通過鐵路應(yīng)答器車地信息傳輸案例，讓學(xué)生熟悉信源編碼、信道編碼的方法和作用；其次，學(xué)生熟悉二元數(shù)字頻率調(diào)制2FSK工作原理及鐵路應(yīng)答器A口FSK信息傳輸方式，并對(duì)該數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，運(yùn)用MATLAB的Simulink工具箱搭建完整信號(hào)調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)；通過對(duì)比信號(hào)基帶波形與解調(diào)后的波形差異，了解FSK信號(hào)調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)劣。本次實(shí)驗(yàn)可以與信息傳輸原理中的多個(gè)理論知識(shí)模塊（見圖4）對(duì)應(yīng)，包括：（1）應(yīng)答器信源報(bào)文編碼。了解應(yīng)答器報(bào)文信息格式的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示，其為信源編碼的常規(guī)編碼方式。（2）應(yīng)答器信道CRC信道編碼。應(yīng)答器傳輸包圍的數(shù)據(jù)格式如圖5所示，包括加擾的數(shù)據(jù)報(bào)文、控制位、擾亂位、修正位和校驗(yàn)位。重點(diǎn)運(yùn)用信息傳輸原理中關(guān)于信道編碼的循環(huán)冗余編碼方法，實(shí)現(xiàn)應(yīng)答器傳輸報(bào)文檢驗(yàn)位編碼。（3）空中A口調(diào)制與解調(diào)。應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)是安全點(diǎn)式傳輸系統(tǒng)，通過應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備與車載設(shè)備之間的安全信息傳輸。地面應(yīng)答器與車載天線之間的接口為A接口，采用電磁感應(yīng)發(fā)送，接口為A1和A4。其中，A1為應(yīng)答器向天線單元傳輸上行鏈路應(yīng)答器報(bào)文的接口，A4為天線單元向應(yīng)答器傳輸應(yīng)答器所需電源的接口（遠(yuǎn)程供電信號(hào)）。

應(yīng)答器向天線單元傳輸上行鏈路信號(hào)要求采用連續(xù)相位FSK調(diào)制方式。發(fā)送邏輯“0”（fL）頻率為3.951MHz，發(fā)送邏輯“1”（fH）頻率為4.516MHz，中心頻率為（fL+fH）/2=4.234MHz±200kHz。

2FSK信號(hào)的包絡(luò)檢波法解調(diào)方框圖，經(jīng)包絡(luò)檢測(cè)后取出包絡(luò)，通過抽樣判決器進(jìn)行比較，把兩路包絡(luò)信號(hào)送到抽樣判決器進(jìn)行對(duì)比，從而判決輸出基帶數(shù)字信號(hào)。

3.實(shí)際線路應(yīng)答器信息傳輸實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。（1）根據(jù)實(shí)際線路區(qū)段信息，編寫應(yīng)答器地對(duì)車信息傳輸報(bào)文。線路區(qū)段示例如圖6，其在區(qū)段L1、L2、L3、L4各段的線路限速信息分別對(duì)應(yīng)v1、v2、v3、v4，通過應(yīng)答器報(bào)文傳輸給車載控制器。（2）運(yùn)用MATLAB讀取文件中已編寫的應(yīng)答器數(shù)據(jù)報(bào)文。（3）運(yùn)用MATLAB的Simulink工具箱搭建完整的2FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，模擬鐵路應(yīng)答器地對(duì)車A口FSK傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)輸入為應(yīng)答器的數(shù)據(jù)報(bào)文，由基帶M-FSK調(diào)制與解調(diào)器模擬2FSK調(diào)制解調(diào)，采用加性高斯白噪聲信道，最后配上速率轉(zhuǎn)換器及顯示器顯示應(yīng)答器的數(shù)據(jù)報(bào)文的調(diào)制與解調(diào)結(jié)果。

五、結(jié)語

交通工程卓越工程師的培養(yǎng)需要寬專業(yè)、厚基礎(chǔ)，然后基礎(chǔ)課教學(xué)存在公式偏多、難于理解、與實(shí)際工程問題脫節(jié)的現(xiàn)實(shí)問題，本文以交通工程專業(yè)信息方向的專業(yè)基礎(chǔ)課《信息傳輸原理》為例，面向軌道交通信息控制行業(yè)為對(duì)象，分析了課程的基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的支撐作用，結(jié)合后續(xù)工程應(yīng)用，對(duì)原理課程的知識(shí)模塊進(jìn)行分解，每個(gè)核心內(nèi)容配備相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方式進(jìn)行了改進(jìn)，增加了學(xué)生對(duì)課程的理解，同時(shí)也提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

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