梁海泉 张 凯 薛文斌 胡景泰

(同济大学 铁道与城市轨道交通研究院， 上海 201802)

“轨道车辆电气”课程是车辆工程专业本科的专业课程，是培养轨道交通行业电气方向专业人才所需知识的重要组成部分。“轨道车辆电气”课程主要讲解各类型轨道车辆电气装置的组成以及各主要电气装置的工作原理。教学环节通常以课堂理论教学为主，辅以重要电气装置的现场讲解，实践环节的匮乏极大地限制了学生的学习主动性。考核也多以理论考试和总结报告为主，容易使学生重理论而轻视动手能力，不利于工科学生工程思维的培养。教学内容多以车辆的各电气装置为主，很少就整车或各零部件之间的共性问题进行讲解。同时，现有轨道车辆电气教材陈旧，知识内容偏于过时，随着科学技术的迅猛发展，轨道交通行业的新技术、新设备也不断涌现，有必要将这些新的技术、新的方案传授给学生，贯彻“卓越工程师教育培养计划”的思想，让学生在未来竞争激烈的就业中脱颖而出[1-4]。

随着轨道车辆技术的迅猛发展，车辆控制系统的复杂程度呈几何关系增长，这为轨道车辆的安全性和可靠性都带来了极大的挑战。同时，高速列车本身就具有速度快、动能大、制动距离长等特点[5]，这也使得高速铁路的安全保障问题显得尤为突出。可以看到当前高速列车对电气系统的要求已经不再只是功能上的，更高的运行速度对轨道车辆系统正确执行其功能提出了更高的安全要求[6]，在这一工程需求下，国际电工委员会提出了功能安全理念。所谓功能安全，即fail on the safe side, 是指当车辆发生故障时，系统导向安全的一侧，避免危险事故的发生。轨道交通行业从近几年开始越来越重视将功能安全理念融入轨道车辆开发过程中，这使得轨道交通行业对于理解功能安全技术人员的需求也逐年增加。工科培养技术型人才，更应注重学生对新技术、新工程理念的了解，与时俱进增减课程内容、改革教学方法，培养与社会需求对口的专业人才。由于功能安全知识的特殊性，传统的课堂教学方法难以使学生理解其意义，需要设计新的实验教学方案，让学生自己动手，通过实物仿真、风险注入、故障诊断、导向安全等实验环节，让学生真正理解并掌握功能安全的意义和重要性。

1 教学内容选取

“轨道车辆电气”课程改革主要逻辑是，在保留原有理论和现场教学的基础上，加入轨道车辆电气设备的半实物仿真平台，并引入功能安全设计理念。让学生在学好车辆电气基础知识的基础上，学会车辆电气系统的安全设计过程。教学内容方面，除原有的关键设备及系统知识体系，还需引入功能安全相关的理念和教学过程设计。

1.1 功能安全的重要意义

轨道交通行业发展早期，国际上普遍采用安全防护系统来解决故障条件下的故障系统安全问题。虽然安全防护系统使事故发生率和损失都大大降低，但对于高速列车的高安全性要求，防护系统的事故屏蔽能力十分局限，而且安全防护系统本身的故障也给整个系统的安全带来隐患。在此基础上，功能安全的概念被提了出来，相比于防护系统的反应式被动防御，贯穿于产品生命周期的主动式功能安全更具可靠性[7]。功能安全不是悬浮的概念，而是在进行工程设计的过程中具有可操作性的安全设计逻辑。课程首先要让学生充分理解功能安全的重要性和工程意义，才能避免教学过程变成空洞的理论灌输。教学过程中，教师结合实际的应用案例，讲述功能安全的设计理念和实现逻辑，让学生真正理解功能安全在工程中的重要性。

1.2 安全完整性知识要点

安全完整性是评估和衡量功能安全的重要标准体系，教学过程中需要让学生熟练掌握这部分基础概念，学会对工程项目中各类安全需求的准确定位。安全完整性与安全相关系统实现所需安全功能的能力有关：安全完整性等级越高，其成功执行所需安全功能的可能性越高，安全完整性包括两个部分，系统失效完整性和随机失效完整性。

系统失效完整性是安全完整性中不可量化部分，主要包括可能引起危险事故的系统风险，系统故障通常是由系统、子系统或设备生命周期各个阶段的人为错误引起的。系统故障完整性是通过质量管理、安全管理和技术防御来实现的。

随机故障完整性是安全完整性的另一部分，它与系统的随机故障有关，特别是随机硬件故障，是不可避免的风险，这是硬件的有限可靠性决定的。工程上通常使用随机故障分析模型来评估系统的随机故障。为了达到足够的安全完整性，必须同时满足系统和随机失效完整性要求[8-10]。

1.3 基于半实物平台的实践教学

在结合实际设备或工程的理论教学之后，学生对功能安全有了总体上的理解，在此基础上，需要更进一步地加深学生对功能安全在实际工程中的应用。基于本院轨道车辆综合实验线的条件，课程以关键电气设备为单元，划分出多个课程实践项目，包括制动系统、变流设备、逆变装置、受流装置、车门系统、车载蓄电池等。教学中以高性能安全计算机平台为基础，对实际设备的控制逻辑进行抽象提取，在安全计算机平台复现控制逻辑，并引入功能安全设计过程。学生在半实物的安全平台上可以自由发挥安全思维，设计具有功能安全的车载系统控制逻辑。

2 教学过程设计

前期“轨道车辆电气”课程通过对轨道交通车辆主要电气设备的结构、组成、工作原理和应用方法的学习，让学生掌握轨道车辆电气系统基本知识，并不包含任何功能安全相关内容。随着功能安全相关内容的提出以及在轨道交通领域的重要性，有必要通过修订课程教学大纲，增加上述功能安全纲要性知识点的讲解，并采用新的教学方式，让学生具备功能安全相关内容的知识储备。新的课程以设备系统为单元，在讲述理论知识的基础上，组织学生课堂讨论对于该设备的安全问题讨论和解决方法。另一方面将该系统的控制逻辑复现到安全计算平台，构成半实物仿真系统，并在此平台上设计和验证安全方案。本章以制动系统教学为示例，阐述改革教学的具体过程，制动系统教学流程设计如图1所示。

图1 制动系统教学流程设计示意图

2.1 制动系统基础知识

制动系统是轨道车辆重要的电气子系统，主要承担列车减速、停车、紧急制动等任务。国内高速列车多采用电空复合式制动，即电制动和空气制动混合的方式[11]。其中电制动分为再生制动、电阻制动和涡流制动，三种方式特点总结如表1所示。我国高速车辆采用的空气制动主要是盘型制动，由于其黏着特性在高速运行时制动力受到限制，且有制动材料的磨耗，在运行中优先使用电制动。电制动在低速时动能转移能力受限，此时就需要依靠空气制动完成停车。

表1 电制动方式特点总结

学生通过理论教材能够掌握各种制动方式的基本原理，却很难了解多种制动方式的内在联系和相互的控制逻辑。在这一过程中教师根据课程进度穿插现场教学安排，学生可在实物讲解中加深对复杂系统的理解，同时现场教学也方便交流讨论，相互借鉴学习。

2.2 安全问题的探讨

在此阶段，教师采用启发式教学的方式，引导学生举一反三地思考制动系统潜在的安全隐患，并根据系统具体的工作机制，讨论符合功能安全理念的安全设计方案。

1)制动系统安全隐患分析

对制动系统，可能发生多种故障失效，这些失效有安全相关和非安全相关的，本课程只讨论安全相关的失效。根据安全完整性理论，可以将系统失效分类具体到图2所示的情形。失效分析的基础是对系统整体运行原理的把握，在这一环节教师根据学生对安全失效的讨论分析结果，可以了解学生对基础知识的掌握情况。

2)系统安全策略提出

针对制动系统提出的安全失效因素，教师将在功能安全设计规范的基础上，引导学生以小组为单位进行安全策略的设计，要求覆盖到上一阶段所提出的所有安全失效因素。

以制动系统为例，系统失效分为三大类，即人为失效、设计失效和执行失效。分析引起失效的原因，人为失效是人工不当操作引起的，具有系统无关性，功能安全标准对此提出了相应的参与人员安全需求，需要学生对应制动系统的工作环境，评估这一安全需求等级并按照标准制定参与人员的资格要求。

图2 制动系统安全失效分析

设计失效主要是系统核心的控制逻辑设计错误，执行失效是制动系统控制核心的外围执行部分出现故障导致的系统失效。这两大类都是系统相关的失效，其源头可能存在于系统的整个生命周期，如初始设计、软件实现、工程设计、系统验证、系统维护等过程中出现的安全漏洞。对此类隐患，功能安全标准要求建立完善的质量管理和安全管理制度，最大化减少系统风险。

除此之外，功能安全标准对安全系统提出了容错能力的需求，要求系统能够在特定的故障状态下依然保持正常工作。对信号控制系统，冗余是行之有效的容错措施，本课程为学生提供的安全计算平台具有多核计算的能力，可构建多种冗余机制。制动系统关乎生命安全，具有最高的安全需求，构建二乘二取二的冗余计算是必要的安全策略。确定符合标准规范的冗余机制后，学生将以小组为单位在安全计算平台上搭建半实物仿真系统。

2.3 仿真平台搭建和安全策略实现

1)系统控制逻辑抽象

电气系统的控制逻辑是本课程的重点，对系统控制逻辑进行抽象化，能够帮助学生建立整个系统的运行原理模型。学生将抽象化的系统控制逻辑复现到安全计算平台，就得到了半实物仿真平台。

制动系统是在制动控制单元(BCU)的控制下工作的，包含再生制动和电阻制动，当列车高速刹车时，由电制动提供100%的制动力，BCU单元需要根据牵引网电压水平分配制动力给再生制动和电阻制动，如图3是某电制动系统再生制动和电阻制动的转换关系，网压标准值为1500 V。

为教学方便，考虑简化情形下的制动控制单元的功能安全，结合网压、车速、电阻箱温度等控制因素，模拟电制动控制系统。使用微控制器搭建简易的BCU控制电路，以I/O口信号输出模拟制动控制信号的输入输出，基本架构如图4所示。学生要能够在软硬件设计中考虑潜在故障的实时检测，并设计应对故障的安全策略，并在实践考核答辩中演示半实物仿真结果。

图3 再生制动与电阻制动转换关系示例

图4 制动系统实物仿真架构示例

2)仿真平台搭建

学生利用安全计算平台，搭建具有二乘二取二冗余的制动系统仿真平台。二乘二取二冗余平台的架构如图5所示，系统包含两个完全相同的二取二子系统，每个子系统包含两个逻辑单元。处理相同的任务并实时进行比较，若比较结果一致则正常输出，否则视为此子系统出现故障，切换逻辑判断另一子系统可用，则切换至另一个子系统运行。在这种冗余条件下，每个二取二子系统提高了单个故障的检出概率，大大提升了系统的安全性，而两个二取二子系统的热备则保证了系统在一定的故障状况下，仍然能够正常发挥作用。

3)安全验证

学生在教师的指导下完成半实物仿真平台搭建后，仿真系统既具有制动系统的抽象控制逻辑，也具有安全标准既定的冗余工作机制。同时为了提升系统的安全性和可靠性，将必要的诊断逻辑也一并实现。在此教学阶段，需要学生小组合作完成功能安全的验证，针对自己设计的安全策略和故障导向机制，完成风险注入、系统诊断、安全输出等仿真过程。

图5 二乘二取二冗余制动系统仿真平台

2.4 演示与交流

各小组制作PPT展示自己开展课程实验的过程，阐述自己对功能安全理念的理解和应用，并将小组实验验证的结果在讨论课上演示。教师带动小组之间充分交流，取长补短，帮助学生矫正错误认知，进一步巩固学习成果。

3 教学考核设计

3.1 课程考核现状

以往的“轨道车辆电气”课程注重学生理论知识的掌握，总评考核中理论考试占比极大，计入总评成绩的课程总结报告也是偏向于理论知识的拓展，以讲解为主的现场教学也难以评判学生的工程实践能力。所以，现有的考核方式能够检测学生的理论掌握情况，但却忽视了实践能力的重要性，不利于培养工科学生的工程思维和动手能力[12]。

1)考核方式弊端

现有课程总评虽然包含了出勤、课程报告 、期末考试等多个部分的考核，但很明显实践环节没有纳入其中。以考试为主的课程考核容易让学生处于应试教育模式的学习状态，忽视学习过程的积累和个人能力的锻炼，将考试成绩当成最终目的。这种考核方式下，学生容易在平时的学习中懈怠乃至毫无学习兴趣，导致课堂效率低下。部分学生甚至可能只凭借考前突击在期末考试中拿高分，这对于平时认真对待课堂学习的学生是不公平的。综上，此种考核方式不能反映学生的学习主动性和学习态度，更不能促进学生的动手能力、创新思维、团队协作能力、学术交流能力的培养[13-14]。

2)理论考核内容片面

期末考试受卷面篇幅限制，不可能全面地考察学生对车辆电气系统基础知识的掌握情况，教师只能择其重点出题，这会导致部分学生根据往年考题总结教师出题偏好，投机取巧。专业课程应该对学生理论学习、实践、思维、交流、团队协作多种能力全面培养，依靠一份试卷很难综合评价学生的学习情况。

3.2 改革总评考核

作为一门工科专业课程，“轨道车辆电气”课程的总评考核应当是对学生全方面的学习考核，除理论知识掌握情况外，还应该综合评价学生的实践动手能力、讨论交流能力、团队合作能力以及创新思维能力等。教师需要关注的学生综合能力主要表现在：①掌握电气系统基础知识；②清楚电气系统控制逻辑，能够设计简易的系统控制电路；③理解功能安全理念和其工程意义，能结合具体实例设计功能安全策略。教师将教学中的每个环节均纳入总评考核，占比总分情况如图6所示。

图6 总评考核占比

课程绩点是激发学生学习热情的一个重要因素，教师需要根据施教特点，制定合理的考核机制，让学生全程投入到每一个教学环节。掌握理论知识的同时，提高实践能力、表达交流能力，培养工程思维和创新意识。

1)增加过程考核权重

摒弃以往“一考定终生”的结果导向考核方法，课程更加重视过程考核，增加实践环节总评占比的同时，实践评分也更多地向过程分数倾斜。实践中对动手能力突出的学生予以好评，激励学生投入到小组实验中去，锻炼工程能力。对实验小组内的学生按照贡献度和实际表现实行等级评分，以奖励在实践环节活跃的学生。此外，实验预习、提问发言、答辩交流等环节均在过程考核的考量范畴之内，教师根据学生表现情况酌情予以加分奖励。相比结果，学习过程更加重要，它是学生工程思维和创新能力养成的重要环节，重视过程考核能够极大地促进学生参与教学过程，达到事半功倍的效果[15]。

2)设置加分项目

教学内容和考核机制是面向所有学生的，教师制定教学计划时会考虑学生个体能力差异而采取折中方案。对于能力突出且兴趣浓厚的学生，教师应该引导其更深入地探究实验，激发这类学生的科研热情。电制动系统是一个控制逻辑极为复杂的系统，其涉及的安全相关功能也十分多，功能安全也是一系列完整且庞杂的安全研发准则。学有余力的学生可以更进一步探究实际的工程研发是怎样的，体会理论与应用的差距，为以后的工程研究做准备。

4 教改成果及问题

“轨道车辆电气”课程改革效果评估方式如下：首先，由于实践不仅能培养学生动手能力，还能加深对理论知识的掌握，可以通过对比课程改革前后学生的理论成绩、知识点掌握率等反馈教改效果；其次，考核方式不局限于理论知识考核，还通过实践操作、课堂互动、答辩等方式综合评价学生的实践动手能力、讨论交流能力、团队合作能力以及创新思维能力等，可以通过非理论成绩及其占总成绩的比重评估教改效果；此外，学生的反馈能真实反映教改的效果，在课程中期和后期会通过两轮匿名问卷调查了解学生对教改的意见。目前，“轨道车辆电气”功能安全理论课堂教学与实验教学正在实施阶段中，尚未得到具体效果评估数据。然而，改革效果显而易见，学生在扎实理论的同时锻炼了工程实践能力，也培养出一定的团队合作意识和学术交流能力。改革后的考核机制也得到了学生的正面反馈，学生一致认为新的考核机制提供了更大的表现平台，也更能反映学习效果。

5 结语

“新工科”背景下的教育改革，要求教师在传统知识的讲授过程中，引入新的理论和新的技术，培养出符合国家发展战略所需要的新型人才。基于此，需要不断尝试新的教学方法，采用理论知识与动手实验相结合的方式，使学生通过课堂学习和实验动手，熟练掌握基本理论知识和实践的基本技能，并且具备紧跟科学发展，自主学习创新的能力。从工科课程教育改革开始，转变学生工程能力的局限性，为社会培养具有深厚理论知识功底，同时具备实践应用能力的高端人才。