淺談機車模擬駕駛實訓(xùn)室智能管控系統(tǒng)

摘 要：2018年6月7日，國家發(fā)布了《智慧校園總體框架》標(biāo)準(zhǔn)。教育部《教育信息化2.0行動計劃》提出：加快建設(shè)在線智能教室、智能實驗室、虛擬工廠（醫(yī)院）等智能學(xué)習(xí)空間，積極探索基于區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的智能學(xué)習(xí)效果記錄、轉(zhuǎn)移、交換、認證等有效方式，形成泛在化、智能化學(xué)習(xí)體系，推進信息技術(shù)和智能技術(shù)深度融入教育教學(xué)全過程，打造教育發(fā)展國際競爭新增長極。

關(guān)鍵詞：機車模擬 駕駛實訓(xùn) 智能管控系統(tǒng)

Abstract：On June 7， 2018， the state released the standard of "General Framework of Smart Campus". The Ministry of Education's "Education Informatization 2.0 Action Plan" proposes to accelerate the construction of intelligent learning spaces such as online intelligent classrooms， intelligent laboratories， and virtual factories （hospitals）， and actively explore intelligent learning effect records based on new technologies such as blockchain and big data to form a ubiquitous and intelligent learning system， promote the deep integration of information technology and intelligent technology into the whole process of education and teaching， and create a new growth pole for international competition in education development.

Key words：locomotive simulation， driving training， intelligent management and control system

1 機車模擬駕駛實訓(xùn)教學(xué)管理的現(xiàn)狀

隨著我院鐵道機車專業(yè)實訓(xùn)教室建設(shè)的投入不斷增大，實訓(xùn)室在教室數(shù)量和設(shè)備質(zhì)量上都得到較大提高，但隨之而來帶了實訓(xùn)室教學(xué)管理方面的問題，管理人數(shù)與實訓(xùn)室數(shù)量不成比例，實訓(xùn)室仍采用傳統(tǒng)的人工管理方式，這顯然不能夠滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，難以激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，導(dǎo)致教學(xué)管理者的工作效率低，運行成本高，缺乏統(tǒng)一且高效的運行管理以及監(jiān)控手段，凸顯出實訓(xùn)室利用率低、管理者工作量大、實訓(xùn)成績評判方式單一且主觀影響因素多、學(xué)生技能訓(xùn)練效果不佳等問題，并且這些問題對于后續(xù)教學(xué)的開展和質(zhì)量的提升都起到了阻礙的作用。

2 機車模擬駕駛實訓(xùn)室智能管控系統(tǒng)的必要性

現(xiàn)有的智慧實訓(xùn)室管理系統(tǒng)大多能解決實訓(xùn)室設(shè)備遠程控制、環(huán)境監(jiān)測與報警、實訓(xùn)開放預(yù)約控制、設(shè)備使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能，但無法解決學(xué)生實訓(xùn)過程評價，涉及到機車模擬駕駛實訓(xùn)過程中設(shè)備操作、動作比劃、口號呼喚等相互關(guān)聯(lián)的技能操作評判，仍需要教師現(xiàn)場評價，對實訓(xùn)后的成績和數(shù)據(jù)的的存儲及使用相當(dāng)不便，對學(xué)情分析及個性化技能指導(dǎo)帶來一定困難。無法將教學(xué)資源庫和線上教學(xué)平臺對接，使實訓(xùn)室成為孤立單元，脫離了線上平臺互動教學(xué)與管理，只提供課堂內(nèi)技能練習(xí)，實訓(xùn)過程未參與至課前導(dǎo)學(xué)和課后回顧等整個教學(xué)環(huán)節(jié)，容易造成學(xué)生實訓(xùn)過程中的盲目性，實訓(xùn)后未有效進行技能鞏固，對學(xué)生高質(zhì)量技能培養(yǎng)的促進意義不大，在無人值守情況下對學(xué)生遇到的問題無法實時解決。如何把實訓(xùn)室管理好、維護好、使用好是一個亟需解決的問題。所以，改變現(xiàn)有實訓(xùn)室管理現(xiàn)狀，建立一套網(wǎng)絡(luò)化、智能化、開放共享、便于擴展的機車模擬駕駛實訓(xùn)室智能管控系統(tǒng)勢在必行。

因此，針對機車模擬駕駛這種專業(yè)特點鮮明的實訓(xùn)室，除了實現(xiàn)環(huán)境、設(shè)備的智能控制外，還需對實訓(xùn)過程中設(shè)備操縱、動作比劃、口號呼喚三個技能考核點增加收集、自動評判、實訓(xùn)成績存儲、學(xué)情分析等的智能評價功能，并且將教學(xué)信息、教學(xué)內(nèi)容、實訓(xùn)數(shù)據(jù)、教學(xué)資源庫等實訓(xùn)要素等通過云平臺教學(xué)端有機融合在一起，實現(xiàn)學(xué)生端與教師端線上聯(lián)動。通過以上的改進方法，設(shè)計一套機車模擬駕駛實訓(xùn)室智能管控系統(tǒng)，實現(xiàn)實訓(xùn)室遠程監(jiān)控、集中管理、故障自動報警的智能環(huán)境控制，學(xué)生課程智能預(yù)約、智能導(dǎo)學(xué)、云平臺線上互動、遠程指導(dǎo)，實訓(xùn)過程中語音、圖像、操作全過程監(jiān)控的智能評價，能自動評判學(xué)生技能操作狀態(tài)，并通過云平臺對學(xué)生實訓(xùn)全周期信息智能跟蹤管理，達到學(xué)生自主實訓(xùn)、成績自動評測、設(shè)備智能管理、數(shù)據(jù)智能分析并跟蹤的目的。

3 機車模擬駕駛實訓(xùn)室智能管控系統(tǒng)介紹

機車模擬駕駛室智能管控系統(tǒng)是一個借助新技術(shù)，以智能自助實訓(xùn)、智能自動評測、智能運維管理、云平臺智能管理等四大模塊為核心的系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等技術(shù)，解決了實訓(xùn)室遠程監(jiān)控、集中管理、故障自動報警等的智能環(huán)境控制。借助智能自動評測系統(tǒng)，解決機車模擬駕駛實訓(xùn)過程中設(shè)備操作、動作比劃、呼喚口號等關(guān)鍵技能訓(xùn)練項點的數(shù)據(jù)抓取、能夠?qū)?shù)據(jù)進行智能分析和自動評價，并對學(xué)生實訓(xùn)數(shù)據(jù)進行全周期自動記錄，通過大數(shù)據(jù)分析平臺，自動分析出學(xué)生個人的畫像特征雷達圖，使用云平臺及人工智能技術(shù)，解決學(xué)生課程智能預(yù)約、智能導(dǎo)學(xué)、移動端遠程線上互動、在線問答、實訓(xùn)指導(dǎo)等問題，通過教學(xué)資源庫數(shù)字化管理，做到學(xué)生履歷管理一人一賬戶，完成對學(xué)生全實踐周期信息智能跟蹤管理。通過以上技術(shù)實現(xiàn)了實訓(xùn)室管理智能化、自動化，實訓(xùn)室運行精細化、智慧化，實時掌控實訓(xùn)室運行狀態(tài)，加強實訓(xùn)多維度全方位評價，提升實訓(xùn)室管理能力，保障實訓(xùn)室安全管理需求，提高運維效率和服務(wù)質(zhì)量，有利于實訓(xùn)室管理工作全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，具備可拓展性，并為后續(xù)類似實訓(xùn)室智慧化建設(shè)提供參考樣本和經(jīng)驗。

本項目通過分析既機車模擬駕駛實訓(xùn)室的管理現(xiàn)狀，查找存在的問題，結(jié)合實訓(xùn)評價需求，依托學(xué)院智慧實訓(xùn)室建設(shè)指導(dǎo)意見與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，研究并設(shè)計一套以智能自助實訓(xùn)、智能自動評測、智能運維管理、云平臺智能管理等四大模塊為核心的智能實訓(xùn)室監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)實訓(xùn)室的智能化和信息化管理，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管理模式。建立一個面向教師、學(xué)生、管理部門等用戶終端的集實訓(xùn)室基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、實訓(xùn)室監(jiān)控管理、實訓(xùn)教學(xué)預(yù)約、學(xué)情分析、信息發(fā)布、智能考勤、遠程指導(dǎo)、信息推送、實訓(xùn)自動評價等功能于一體的線上線下相結(jié)合的智能實訓(xùn)室監(jiān)控系統(tǒng)，為實訓(xùn)教學(xué)管理部門提供管理及決策的數(shù)據(jù)服務(wù)，并以此為關(guān)聯(lián)的紐帶，通過整合線上教學(xué)資源庫、線下技能考核數(shù)據(jù)，通過智能分析云平臺，對學(xué)生進行精準(zhǔn)教學(xué)指導(dǎo)、技能評價、全過程實訓(xùn)跟蹤等。完善學(xué)院智慧校園建設(shè)中既有實訓(xùn)室智能化建設(shè)規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，建立一個基于先進技術(shù)的機車模擬駕駛實訓(xùn)室智能管控系統(tǒng)管理工作機制，為學(xué)院智慧校園中實訓(xùn)室建設(shè)提供提供樣本及理論支持，并期望對以后相關(guān)既有實訓(xùn)室智能化改造項目的研究和應(yīng)用能起到借鑒作用。

4 機車實訓(xùn)室信息化建設(shè)的主要因素分析

同傳統(tǒng)理論教學(xué)有所不同，借助實訓(xùn)教學(xué)，不僅能夠提升機車駕駛學(xué)習(xí)者的綜合實踐能力與創(chuàng)新意識，使其將所學(xué)的理論知識運用于實踐工作中來。同時，學(xué)習(xí)者還能夠?qū)崿F(xiàn)個人職業(yè)技能與素養(yǎng)的綜合發(fā)展，這是一個長期的過程。機車實訓(xùn)教學(xué)的主要目的在于讓所有的機車駕駛學(xué)習(xí)群體能夠在短時間內(nèi)掌握基本的實操技能、提升專業(yè)水平。但是由于機車駕駛在學(xué)習(xí)的內(nèi)容方面比較龐雜且缺乏系統(tǒng)性，所涉及到的理論知識也是比較多的，因此常規(guī)的填鴨式教學(xué)是無法讓學(xué)習(xí)者真正理解并掌握知識的。

由此，借助機車駕駛實訓(xùn)室教學(xué)的模式，學(xué)習(xí)者能夠在實操演練中運用理論知識，加深理解與運用的能力，從而能夠更好地內(nèi)化知識與技能，切實提升自身技術(shù)水準(zhǔn)與綜合實戰(zhàn)能力。此外，還能夠培養(yǎng)學(xué)習(xí)者認真對待工作的基本態(tài)度以及堅持實事求是的工作作風(fēng)。近些年來，伴隨著信息時代的深入發(fā)展，信息技術(shù)被廣泛運用于各行各業(yè)中來，機車駕駛實訓(xùn)室的信息化建設(shè)也是大勢所趨的。所謂的實訓(xùn)室信息化就是指以現(xiàn)代信息化的設(shè)備作為教學(xué)的前提，借助便捷的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及現(xiàn)有的實訓(xùn)場地來共同完成既定的教學(xué)任務(wù)。相較于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，實訓(xùn)室信息化的教學(xué)優(yōu)勢顯著，如內(nèi)容表現(xiàn)上更豐富多彩，具有教學(xué)吸引力和感染力，教學(xué)資源上更為多元化和共享化，能夠極大程度上提升教學(xué)效率。

作為實訓(xùn)室教學(xué)的重要組成部分，實訓(xùn)室在信息化平臺建設(shè)工作上需具備如下三個要素，第一個就是信息化的設(shè)備與環(huán)境。這是開展實訓(xùn)室信息化教學(xué)的重要物質(zhì)前提，為了能夠?qū)崿F(xiàn)更好的教學(xué)效果，信息化的設(shè)備是不可或缺的，營造信息化的環(huán)境，更具代入感，從而更大程度上激發(fā)學(xué)生的參與性;第二是完善的教學(xué)設(shè)計。主要是由教學(xué)經(jīng)驗豐富的教師或是機車專家等對于當(dāng)下的實訓(xùn)室信息化建設(shè)工作進行討論，結(jié)合實際情況制定相對完善的教學(xué)方案以及組織結(jié)構(gòu)，并且將該教學(xué)方式融入到技能實訓(xùn)以及教學(xué)評價制度中來;第三是透明且完備的教學(xué)評價制度。機車駕駛實訓(xùn)課程更為注重實訓(xùn)的過程表現(xiàn)，而非單一的結(jié)果，由此需要教學(xué)管理者能夠構(gòu)建出較為完備的新型教學(xué)評價制度，主要的評價標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了學(xué)習(xí)者的技能實操能力、創(chuàng)新能力以及應(yīng)變能力等，對于表現(xiàn)出色的可予以評價獎勵，這樣學(xué)習(xí)者對于駕駛實訓(xùn)課程的掌握度有更為客觀全面的認知。

5 機車模擬駕駛室智能管控系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)與實現(xiàn)流程

5.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

通過機車模擬駕駛實訓(xùn)室智能管控系統(tǒng)的建設(shè)主要實現(xiàn)以下目標(biāo)：

1.建設(shè)智能自助實訓(xùn)模塊，通過移動端APP程序，實現(xiàn)實訓(xùn)室空閑時段課程自助預(yù)約，預(yù)約查詢、審核審批、課前訓(xùn)練計劃推送，成績報告自主推送;

2.完善智能自動評測模塊，加裝圖像采集器、語音采集器，通過圖像識別、語音識別、結(jié)合現(xiàn)有的專家?guī)熳詣釉u判系統(tǒng)對學(xué)生的操作技能和操作狀態(tài)進行自動評判，數(shù)據(jù)記錄及學(xué)員信息自動跟蹤更新;

3.建設(shè)智能運維管理模塊，依托互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過智能門禁、智能管理網(wǎng)關(guān)、智能環(huán)境監(jiān)控等手段，實現(xiàn)教師通過管理平臺或移動到APP程序，遠程控制設(shè)備開關(guān)機，實訓(xùn)設(shè)備具備開機自檢、實時檢測、一旦檢測到設(shè)備故障、異常行為（故意遮擋、破壞）、環(huán)境異常自動上報到管理平臺，向相關(guān)管理負責(zé)人進行報警提醒。通過智能大數(shù)據(jù)看板，能夠?qū)崟r顯示各個實訓(xùn)室的環(huán)境狀態(tài)、運用狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài);

4.搭建云平臺智能管理，實現(xiàn)教學(xué)資源庫數(shù)字化管理，移動端遠程互動教學(xué)、在線問答、實訓(xùn)指導(dǎo)，學(xué)生履歷管理做到一人一賬戶，對學(xué)生全實踐周期信息智能跟蹤管理。依托人工智能打通教育數(shù)據(jù)孤島，分析學(xué)生實訓(xùn)情況、實訓(xùn)課程，合理配置教學(xué)資源，提供智能化推送和個性化教學(xué)。

5.2 系統(tǒng)建設(shè)布局

結(jié)合學(xué)院數(shù)字化校園建設(shè)實際綜合考慮校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、軟硬件環(huán)境，智能實訓(xùn)室管控系統(tǒng)在技術(shù)上擬實現(xiàn)四個層面的布局，即：實現(xiàn)從實訓(xùn)數(shù)據(jù)到應(yīng)用的全覆蓋;實現(xiàn)物理本體與數(shù)字本體孿生并存、精準(zhǔn)映射;實訓(xùn)設(shè)備操作過程多維度與自動評測;實現(xiàn)以現(xiàn)實需求驅(qū)動虛擬服務(wù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動決策;促進實訓(xùn)室管控智能化、服務(wù)一站式、前后端打通的實訓(xùn)室系統(tǒng)。重點從以下四方面進行：

1.感知層：主要包含傳感器網(wǎng)關(guān)、傳感器、攝像頭、電源控制終端設(shè)備。傳感器主要由溫度、濕度、煙霧、紅外等環(huán)境傳感器和電壓、電流、位置等設(shè)備狀態(tài)檢測傳感器組成，用于采集實訓(xùn)室使用、維護、環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等關(guān)鍵實時數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)信息傳給傳感器網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)發(fā)送出去。

2.網(wǎng)絡(luò)層：主要包含無線局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對各個實訓(xùn)室主要設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)鏈接。一方面，將實訓(xùn)室組建物聯(lián)網(wǎng)，通過互聯(lián)網(wǎng)將各個局域網(wǎng)鏈接，將感知獲取的信息傳送至應(yīng)用層的后臺數(shù)據(jù)庫。另一方面，根據(jù)服務(wù)器發(fā)出的控制命令，傳送給感知層的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)硬件的控制。

3.評測層：主要包圖像采集器、語音采集器，通過圖像識別、設(shè)備操作端，通過圖像和語音分析計算、結(jié)合現(xiàn)有的專家?guī)熳詣釉u判系統(tǒng)對學(xué)生的操作技能和操作狀態(tài)進行自動評判，數(shù)據(jù)記錄及傳輸至云平臺數(shù)據(jù)庫;

4.應(yīng)用層：主要包含實訓(xùn)室智能管控系統(tǒng)應(yīng)用、云平臺和底層服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫、中間件組成，用于實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時存儲及調(diào)用，主要數(shù)據(jù)分析及智能分析，在線資源庫信息共享，移動端操作及線上互動。

5.3 系統(tǒng)主要功能

機車模擬駕駛實訓(xùn)室智能管控系統(tǒng)能夠讓實訓(xùn)室無人值守的情況下，實現(xiàn)學(xué)生智能自主實訓(xùn)、成績智能自動評測、設(shè)備智能運維管理、線上資源及互動等云平臺智能管理的功能

（1）智能自助實訓(xùn)功能：通過移動端APP程序，實現(xiàn)學(xué)生實訓(xùn)室空閑時段課程自助預(yù)約，預(yù)約查詢、審核審批、課前訓(xùn)練計劃推送，成績報告自主推送;

（2）智能自動評測功能：通過圖像識別、語音識別、結(jié)合現(xiàn)有的專家?guī)熳詣釉u判系統(tǒng)對學(xué)生的操作技能和操作狀態(tài)進行自動評判，數(shù)據(jù)記錄及自動跟蹤更新;

（3）智能能運維管理功能：實現(xiàn)教師通過管理平臺或移動到APP程序，遠程控制設(shè)備開關(guān)機，實訓(xùn)設(shè)備具備開機自檢、實時檢測、一旦檢測到設(shè)備故障、異常行為（故意遮擋、破壞）、環(huán)境異常自動上報到管理平臺，向相關(guān)管理負責(zé)人進行報警提醒。通過智能大數(shù)據(jù)看板，能夠?qū)崟r顯示各個實訓(xùn)室的環(huán)境狀態(tài)、運用狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài);

（4）云平臺智能管理功能：實現(xiàn)教學(xué)資源庫數(shù)字化管理，移動端遠程互動教學(xué)、在線問答、實訓(xùn)指導(dǎo)，學(xué)生履歷管理做到一人一賬戶，對學(xué)生全實踐周期信息智能跟蹤管理，分析學(xué)生實訓(xùn)情況、實訓(xùn)課程，合理配置教學(xué)資源，提供智能化推送和個性化教學(xué)。

（四）系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)與開發(fā)要求

（1）技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)產(chǎn)品采用當(dāng)前主流的J2EE技術(shù)路線，技術(shù)適用性強，產(chǎn)品技術(shù)成熟。總體架構(gòu)采用B/S多層體系架構(gòu)，支持各種主流操作系統(tǒng)平臺。

（2）開發(fā)平臺要求：平臺的設(shè)計支持純本地部署;支持Mysql、Oracle、SQLServer三種數(shù)據(jù)庫，支持Windows Server、Linux Server等多種操作系統(tǒng)。

（3）APP端：采用HTML5，它具有跨平臺性、產(chǎn)品迭代速度快等優(yōu)點。

架構(gòu)體系：HTML5+CSS+JS+JAVA2.

（4）性能要求：總體設(shè)計要求遵循以用戶為中心的原則，支持主流瀏覽器IE、Edge、Firefox、Chrome、Safari、360瀏覽器，不需要另行安裝插件。

（5）系統(tǒng)服務(wù)：實現(xiàn)智能實訓(xùn)系統(tǒng)的全方位、全時段監(jiān)控與管理就要保證服務(wù)器端軟件提供7*24小時不間斷服務(wù)，一個實訓(xùn)周期內(nèi)（60分鐘），可滿足12名學(xué)生的使用需求。

6 結(jié)束語

綜上分析，本項目依托現(xiàn)有機車模擬駕駛臺操作考評系統(tǒng)，研究設(shè)計一套機車模擬駕駛實訓(xùn)室智能管控系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，人工智能技術(shù)，實現(xiàn)實訓(xùn)室遠程監(jiān)控、集中管理、故障自動報警的智能環(huán)境控制，實現(xiàn)學(xué)生課程智能預(yù)約、智能導(dǎo)學(xué)、云平臺線上互動、遠程指導(dǎo)，重點是建設(shè)集語音、圖像、操作全過程監(jiān)控的智能自動評測系統(tǒng)，能自動評判學(xué)生技能操作狀態(tài)，并通過云平臺對學(xué)生實訓(xùn)全周期信息智能跟蹤管理，達到學(xué)生自主實訓(xùn)、成績自動評測、設(shè)備智能管理、數(shù)據(jù)智能分析并跟蹤的效果，以提升實訓(xùn)管理者的工作效率，方便師生線上線下多方位聯(lián)動實訓(xùn)。

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作者簡介

吉久正：（1991.01—），男，青海西寧人，研究生，講師。研究方向：鐵道機車運用與維護。