基于模塊化的城市軌道交通AFC理實(shí)一體化教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陶漢卿 李文波

【摘 要】本文分析城市軌道交通自動(dòng)售檢票（AFC）系統(tǒng)教學(xué)存在的問題，根據(jù)模塊化、透明化實(shí)踐教學(xué)的思想，將AFC系統(tǒng)的模塊進(jìn)行拆解、連接，開發(fā)故障診斷系統(tǒng)，設(shè)計(jì)模塊化的理實(shí)一體化教學(xué)系統(tǒng)，并介紹系統(tǒng)的理論教學(xué)模塊和TVM、AGM機(jī)等實(shí)踐教學(xué)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(shí)一體化? 故障樹? 教學(xué)系統(tǒng)

【中圖分類號(hào)】G? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2019）11C-0189-04

城市軌道交通控制自動(dòng)售檢票（AFC）系統(tǒng)在城市軌道交通運(yùn)營管理中起到非常重要的作用，是城市軌道交通運(yùn)營管理、城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)專業(yè)使用和維護(hù)的設(shè)備。AFC設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)于這兩個(gè)專業(yè)的學(xué)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(shí)的同時(shí)，必須認(rèn)知AFC設(shè)備內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)，學(xué)會(huì)AFC設(shè)備拆裝認(rèn)知、檢修流程和故障查找處理，這些需要高標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)踐技能訓(xùn)練。

一、職業(yè)院校城市軌道交通AFC系統(tǒng)教學(xué)問題

第一，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相脫節(jié)。一般采用常規(guī)的先理論后實(shí)踐的教學(xué)模式，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)各自為政，理論教學(xué)關(guān)注的是理論知識(shí)的傳授，實(shí)踐教學(xué)注重的是實(shí)際操作，兩者不能形成良好的相互促進(jìn)關(guān)系，造成部分內(nèi)容重復(fù)教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中理論不能聯(lián)系實(shí)踐，影響了教學(xué)效率。

第二，實(shí)訓(xùn)設(shè)備少，不利于實(shí)踐教學(xué)組織的開展。AFC設(shè)備購置和維護(hù)成本高，高職院校由于場地和經(jīng)費(fèi)的限制，用于AFC系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的設(shè)備少，在班級(jí)人數(shù)多的情況下，進(jìn)行分組分模塊教學(xué)，學(xué)生輪流進(jìn)行操作，動(dòng)手操作機(jī)會(huì)少，教師在指導(dǎo)模塊教學(xué)時(shí)還要維持課堂紀(jì)律，教學(xué)組織和管理困難，不能有針對(duì)性地進(jìn)行指導(dǎo)，不能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

第三，傳統(tǒng)的AFC實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)與城市軌道交通運(yùn)營公司的高度一致，設(shè)計(jì)的集成度較高，沒有考慮教學(xué)的需要，在設(shè)備認(rèn)知教學(xué)時(shí)，學(xué)生只能看到系統(tǒng)組成部分各個(gè)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(xué)時(shí)，學(xué)生的誤操作或者其他原因可能會(huì)導(dǎo)致模塊元件的損壞，增加了設(shè)備的維護(hù)成本和時(shí)間，給實(shí)踐教學(xué)的開展帶來了較大的難度。

為解決這些問題，本文設(shè)計(jì)了模塊化的城市軌道交通AFC理實(shí)一體化教學(xué)系統(tǒng)，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)，設(shè)定教學(xué)任務(wù)和教學(xué)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生“教、學(xué)、做”一體，教學(xué)過程中，以實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目為主線，理論和實(shí)踐教學(xué)交替進(jìn)行，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的技能和職業(yè)能力，從而提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。

二、城市軌道交通AFC理實(shí)一體化教學(xué)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(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）是融合了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信和自動(dòng)控制等3C技術(shù)的全過程自動(dòng)化系統(tǒng)，用于城市軌道交通售票、檢票、計(jì)費(fèi)、收費(fèi)、統(tǒng)計(jì)、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(jì)算機(jī)系統(tǒng)（SC）、維修中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（MMC）、培訓(xùn)中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（TC）、車站終端設(shè)備（SLE）、自動(dòng)檢票機(jī)（AGM）、自動(dòng)售票機(jī)（TVM）、自動(dòng)查詢機(jī)（TCM）、半自動(dòng)售票機(jī)（BOM）、手持式檢票機(jī)（PTCM）和編碼分揀機(jī)（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(gè)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(jì)線路的AFC運(yùn)營數(shù)據(jù)的中央計(jì)算機(jī)層，第三層主要是負(fù)責(zé)管理車站票務(wù)數(shù)據(jù)的車站計(jì)算機(jī)層，第四層是負(fù)責(zé)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(shí)現(xiàn)乘客車票的管理工作和車票的自動(dòng)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(shí)一體化教學(xué)系統(tǒng)將城市軌道交通AFC系統(tǒng)的車站終端設(shè)備進(jìn)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(shí)現(xiàn)模塊間的聯(lián)動(dòng)和現(xiàn)場設(shè)備的功能。

（二）城市軌道交通AFC理實(shí)一體化教學(xué)系統(tǒng)設(shè)備

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

（三）教學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

1.模塊化實(shí)操設(shè)備上位機(jī)軟件技術(shù)

目前的智能實(shí)訓(xùn)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(diǎn)斷開線路等手段，導(dǎo)致故障設(shè)置時(shí)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(fù)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(jī)性和不可預(yù)見性，不易于故障系統(tǒng)的維護(hù)。

城市軌道交通AFC理實(shí)一體化教學(xué)系統(tǒng)的模塊化實(shí)踐操作設(shè)備由上位機(jī)和下位機(jī)組成。上位機(jī)采用計(jì)算機(jī)，繪制圖形界面和傳輸信息的編、解碼。利用C#語言編寫人機(jī)界面，先設(shè)置理實(shí)一體化實(shí)訓(xùn)室模塊化設(shè)備布置一致的設(shè)備圖，并進(jìn)行設(shè)備編號(hào)，點(diǎn)擊其中的設(shè)備，可以進(jìn)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(biāo)右鍵下拉菜單進(jìn)行選擇，可以直觀和簡單地設(shè)置故障。上位機(jī)有多個(gè)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(jìn)行故障設(shè)置、學(xué)員操作過程記錄、學(xué)員評(píng)價(jià)等數(shù)據(jù)處理，然后與智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)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(diǎn)，查找到故障點(diǎn)后，在相應(yīng)的設(shè)備模塊上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇修復(fù)即可。采用三維建模技術(shù)對(duì)界面設(shè)備模塊進(jìn)行繪制，每一個(gè)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(jí)。

2.模塊化實(shí)操設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

由于城市軌道交通AFC理實(shí)一體化教學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)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(jìn)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(jìn)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(shí)操設(shè)備下位機(jī)技術(shù)

將城市軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)拆解為多個(gè)模塊，且連接成為完整的系統(tǒng)，進(jìn)行模塊化教學(xué)。每個(gè)模塊化實(shí)操設(shè)備下位機(jī)由單片機(jī)系統(tǒng)組成，單片機(jī)將接收下來的編碼信息進(jìn)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(dá)到故障無線遙控設(shè)置的目的。

4.智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)故障樹模型

城市軌道交通AFC教學(xué)系統(tǒng)智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)采用一體機(jī)，交互式教學(xué)軟件運(yùn)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(jìn)行故障分析與處理的硬件結(jié)構(gòu)，故障事件按層次分級(jí)，將導(dǎo)致上級(jí)事件發(fā)生的直接原因作為下級(jí)，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(xué)系統(tǒng)。

三、城市軌道交通AFC理實(shí)一體化教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

城市軌道交通AFC理實(shí)一體化采用互聯(lián)網(wǎng)思維，根據(jù)職業(yè)教育的理實(shí)一體化教育理念、教學(xué)特點(diǎn)，按照城市軌道交通AFC系統(tǒng)的五個(gè)層次，將城市軌道交通AFC系統(tǒng)應(yīng)用無線透傳、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)手段，在滿足常規(guī)的理論教學(xué)功能需求的基礎(chǔ)上，針對(duì)性地解決理論實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的特殊功能需求，形成“互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)”的一體化創(chuàng)新教學(xué)模式。圍繞自動(dòng)售檢票系統(tǒng)典型工作任務(wù)實(shí)現(xiàn)模塊化教學(xué)，包括結(jié)構(gòu)認(rèn)知、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程、故障診斷與處理等方面的訓(xùn)練。

教學(xué)系統(tǒng)將AFC系統(tǒng)模塊的外殼拆卸，裝上采用有機(jī)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(xué)員更好地掌握AFC系統(tǒng)自動(dòng)售票機(jī)模塊的結(jié)構(gòu)、動(dòng)作過程和工作原理。

服務(wù)器和智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)組成中心控制端，教師可以利用交互式教學(xué)軟件的教學(xué)課件進(jìn)行理論教學(xué)，交互式教學(xué)軟件還可以進(jìn)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(dòng)的開放教室，把教師從固定的講臺(tái)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(shí)現(xiàn)教與學(xué)的互動(dòng)。

模塊化實(shí)操設(shè)備的上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)從中心控制端獲取課件和交互式教學(xué)軟件的故障診斷和處理演示，學(xué)生可以在課堂上進(jìn)行學(xué)習(xí)，模塊化實(shí)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(jī)，下位機(jī)控制和調(diào)節(jié)模塊的PWM電源設(shè)置故障，學(xué)生可以進(jìn)行故障診斷和處理，加強(qiáng)動(dòng)手實(shí)踐能力。模塊化實(shí)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(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行顯示。

在互動(dòng)教學(xué)中，學(xué)生利用配備的移動(dòng)終端來和組員或教師互動(dòng)、交流、學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供更強(qiáng)的參與感，同時(shí)激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考的能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的各個(gè)環(huán)節(jié)互通。

（一）模塊化設(shè)計(jì)

本文以自動(dòng)售票機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)檢票機(jī)系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)為例進(jìn)行城市軌道交通AFC理實(shí)一體化教學(xué)系統(tǒng)的模塊化處理，將這些模塊和組件進(jìn)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(shí)現(xiàn)模塊間的聯(lián)動(dòng)和系統(tǒng)功能，組成模塊化實(shí)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(dòng)售票機(jī)系統(tǒng)模塊

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

（三）自動(dòng)檢票機(jī)系統(tǒng)模塊

自動(dòng)檢票機(jī)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(jī)械外殼等模塊和組件構(gòu)成。將這些模塊和組件進(jìn)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(shí)現(xiàn)模塊間的聯(lián)動(dòng)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(shí)，機(jī)柜內(nèi)部還預(yù)留了網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的安裝空間。

自動(dòng)檢票機(jī)采用專門的讀卡區(qū)設(shè)計(jì)，不但符合右手持票通過的用戶需求，還能夠有效防止相鄰?fù)ǖ赖某丝驼`用左手一側(cè)的讀卡區(qū)。自動(dòng)檢票機(jī)系統(tǒng)模塊化實(shí)操設(shè)備設(shè)計(jì)如圖5所示。

（四）課程交互式教學(xué)系統(tǒng)

城市軌道交通AFC理實(shí)一體化教學(xué)系統(tǒng)智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)采用嵌入式課程軟件，組成課程交互式教學(xué)系統(tǒng)，安裝在中心控制端和模塊化實(shí)操設(shè)備的上位機(jī)，主要用于基本結(jié)構(gòu)認(rèn)知、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程等方面的教學(xué)，面向自動(dòng)售檢票檢修工進(jìn)行故障診斷與處理等方面的實(shí)訓(xùn)。

課程管理包括六個(gè)交互式教學(xué)系統(tǒng)：自動(dòng)檢票機(jī)扇門模塊交互式教學(xué)系統(tǒng)、自動(dòng)檢票機(jī)票卡回收模塊交互式教學(xué)系統(tǒng)、自動(dòng)檢票機(jī)總成交互式教學(xué)系統(tǒng)、自動(dòng)售票機(jī)硬幣模塊交互式教學(xué)系統(tǒng)、自動(dòng)售票機(jī)票卡發(fā)售模塊交互式教學(xué)系統(tǒng)、自動(dòng)售票機(jī)總成交互式教學(xué)系統(tǒng)。每個(gè)交互式教學(xué)系統(tǒng)引入德國先進(jìn)的職業(yè)教育教學(xué)理念，采用任務(wù)導(dǎo)向型教學(xué)模式，分別從理論教學(xué)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)、考試管理、知識(shí)拓展等方面設(shè)置多個(gè)工作任務(wù)，以便學(xué)員能夠通過完成不同類型的任務(wù)，掌握各個(gè)實(shí)訓(xùn)模塊的工作原理及故障分析處理。城市軌道交通AFC理實(shí)一體化課程交互式教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

本文設(shè)計(jì)的城市軌道交通AFC理實(shí)一體化教學(xué)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(xué)存在問題出發(fā)，以提高教學(xué)質(zhì)量和效率為目的，融入模塊化的教學(xué)理念，“互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)”的理實(shí)一體化創(chuàng)新教學(xué)模式，加強(qiáng)課堂互動(dòng)，活躍課堂氣氛，讓知識(shí)易于理解，加強(qiáng)學(xué)生的技能訓(xùn)練，提高教學(xué)效果，符合城市軌道交通AFC的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)要求，設(shè)備還具有擴(kuò)展性能，適用自動(dòng)查詢機(jī)、半自動(dòng)人工售票系統(tǒng)、票房、手持式驗(yàn)票機(jī)、票卡、驗(yàn)鈔機(jī)、硬幣清點(diǎn)機(jī)、乘客導(dǎo)向系統(tǒng)、車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等設(shè)備，使城市軌道交通AFC理實(shí)一體化教學(xué)系統(tǒng)能夠推廣應(yīng)用。

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（責(zé)編 盧 雯）