CN111311993A - 列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统及方法，包括系统管理员端、教师端和学生端。所述的系统管理员端用于管理用户的登录、储存该教学系统的相关实验材料及用户与系统的交互操作、智能评估学生在线实验操作和题目测评成绩、维护系统；学生端用于进行列车电气牵引传动四象限整流器实验及考核；教师端用于教师辅助系统批阅学生实验报告和系统反馈。本发明借助智能云平台设置了教、学、练、考、管、评等完备的教学功能，通过三维仿真技术，形象地展示四象限脉冲整流器不同的设计参数和不同故障对机车运行产生的影响，增强用户对电力牵引传动系统的认识，培养用户基本的故障排查能力，为日后实车实验增加知识储备。

Description

列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统及方法

技术领域

本发明列车电力牵引传动领域，具体而言，尤其涉及一种列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统及其工作方法。

背景技术

轨道交通作为我国的重要产业，需要培养大量的高素质专业人才。由于轨道交通电传动系统其工作环境复杂，对安全性要求极高，学生不易接触，实验开展难度较大，以往简单的实验无法帮助学生更好的理解列车牵引传动系统。目前对列车电气牵引传动系统相关的实验教学存在以下问题：

1、轨道交通设备的供电方式种类较多，均为高压，能耗较大且不允许进行电传动系统的“试错式”实验，真实环境下的实体实验无法开展；

2、不同车型其牵引变流装置均存在差异，列车电力牵引传动系统需要考虑全范围运行工况(牵引工况、惰性工况、制动工况)，搭建实物仿真平台成本较高，实验室环境下的实物实验难以实现；

3、传统教学无法使学生全面、动态、直观地了解真实的车内环境、电气牵引传统系统各设备的3D结构；

4、现有实验均为教师人工批阅，仅能针对学生记录的实验结果进行打分，无法跟踪记录学生实验过程中的实验操作行为。

发明内容

本发明旨在提供一种解决上述技术问题的列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

本发明的列车电气牵引传动四象限整流器及故障诊断虚拟教学系统包括系统管理员端、学生端和教师端。

所述的系统管理员端由登录管理模块、资源管理模块、系统维护模块构成，系统管理员通过登录管理模块对不同的用户角色设置不同的权限，系统管理员、教师和学生均通过登录单元输入用户名、密码进行系统登录，输入的用户名和密码上传至资源管理模块。资源管理模块用于提供与四象限整流器功能实验及故障实验相关的教学资源和实验材料，储存用户与系统交互数据，以及对学生在线实验的实验操作和测评题目进行智能评估和综合打分。系统维护模块用于系统管理员维护系统；

进一步地，所述的资源管理模块由实验介绍单元、虚拟仿真模型库单元、用户交互数据单元构成。

实验介绍单元包括四象限整流器原理介绍、四象限整流器实验设备介绍、四象限整流器实验场景总览，用于学生了解四象限整流器的功能、实验操作环境及实验内容；

虚拟仿真模型库单元用于储存与实验相关的列车及其牵引系统各部件3D模型，包括列车外观模型库、司机室控制及测试仪器模型、牵引变流柜模型、牵引变流器供电系统部件模型库；

用户交互数据单元包括登录数据单元、实验操作记录单元、实验测评单元、学生及系统评价单元。其中，登录数据单元用于储存用户登录时输入的用户名和密码；实验操作记录单元用于系统自动跟踪并储存学生在线实验模块的操作行为；实验测评单元用于提供学生考核测试模块的测评题目和实验报告；学生及系统评价单元用于保存教师对学生和系统的评价。

进一步地，所述的虚拟仿真模型库单元中的三维模型是依照机车的实际场景按照实际电气参数进行基于3D仿真开发技术的机车及内部模型构建以及动态更新，其中，牵引变流柜模型包括四象限整流器、中间直流回路、逆变器；牵引变流器供电系统部件模型包括受电弓、主断路器、电力机车牵引变压器。

所述的学生端由在线实验模块、考核测试模块构成，学生通过在线实验模块完成四象限整流器功能实验和故障实验，通过考核测试模块完成实验测评题目和实验报告；

进一步地，所述的在线实验模块包括：四象限整流器功能实验模块、四象限整流器故障实验模块。其中，四象限整流器功能实验模块包括单桥实验，双桥实验；四象限整流器故障实验模块包括模块过电压及过电流故障实验、CCU与TCU通讯故障实验、主逆检查到水压故障实验。

所述的教师端由学生评价模块和系统评价模块构成，用于教师批阅学生的实验报告并结合系统对实验操作和测评题目智能评估后的结果综合打分，以及对系统进行反馈评价。

所述的一种列车电气牵引传动四象限整流器及故障诊断虚拟教学系统，其特征在于，用户通过键盘鼠标对系统中需要选取、交互的内容进行操控。

所述的一种列车电气牵引传动四象限整流器及故障诊断虚拟教学系统的工作方法，包括以下步骤：

第一步，学生用户登录系统。

第二步，学生用户选择实验总览进行学习。

学生在进行实验前需为实验进行准备工作，在线学习四象限整流器原理知识、实验设备及其参数，拖拽列车及其牵引系统各部件观看其3D模型，了解实验基础知识，熟悉实验环境。

第三步，学生进入实验选择主界面观看实验演示视频或直接进行四象限整流器功能实验和故障实验。

学生在实验选择主界面可以观看实验演示视频，也可以直接进行四象限整流器功能实验或四象限整流器故障实验。在四象限整流器功能实验中，学生选择列车车型、运行场景后，依次进行单桥实验，双桥实验，学生在空白处输入接触网电压有效值，提交参数后观察输入电压、输入电流及输出电压的波形，根据波形重置接触网电压有效值，几次实验后使结果逐渐逼近机车实际运行的接触网电压额定值U，观察不同参数对实验波形的影响，并记录实验波形。系统按顺序记录学生输入的数值。在四象限整流器故障实验中，学生依次进行模块过电压及过电流故障实验、CCU与TCU通讯故障实验、主逆检查到水压故障实验，学生根据屏幕上显示的故障现象，在提供的选项中选出故障原因，故障原因选择正确后选出故障对机车运行产生的影响。

第四步，实验结束，学生保存实验操作数据并提交。

所述实验操作数据为四象限整流器功能实验单桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值数值U_1i(1≤i≤M₁)、学生实际输入的接触网电压有效值次数为m₁次，及双桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值数值U_2j(1≤j≤M₂)、学生实际输入的接触网电压有效值次数为m₂次，系统按学生输入的顺序依次记录U_1i和U_2j；四象限整流器故障实验模块过电压及过电流故障实验、CCU与TCU通讯故障实验、主逆检查到水压故障实验中学生两道题都选择正确的次数N_S1、N_S2、N_S3，学生提交后自动保存至用户交互数据单元等待系统智能评估。

第五步，学生进行实验测评题目考核并提交。

所述实验测评题目为有关四象限整流器原理和实验相关知识的选择题，由系统管理员上传题库至资源管理模块的用户交互数据单元供学生使用。学生提交后自动保存至用户交互数据单元等待系统对学生实验测评题目中回答正确的题目数P_S的智能评估。

第六步，学生撰写实验报告并提交。

所述实验报告为列车电气牵引传动四象限整流器虚拟仿真实验报告，学生需依次填写实验目的及要求、实验原理、实验步骤及结果、实验结论、实验心得，提交后自动保存至用户交互数据单元等待老师批阅。学生退出系统，若需再次进行实验，则重新登录系统，循环第一步操作。

第七步，教师用户登录系统，批阅学生的实验报告，并结合系统对实验操作和测评题目智能评估后的结果综合打分。

教师通过教师端登录系统后，调取资源管理模块的用户交互数据单元中学生的实验报告进行批阅，并结合系统对实验操作和测评题目智能评估后的结果，算出学生总成绩并提交，自动保存到资源管理模块中。

第八步，教师进行系统评价。

教师针对系统提出意见或建议，提交到系统管理员端，系统管理员可参考该意见通过系统维护模块对系统进行维护。教师退出系统，若需再次评分，则重新登录系统，循环第七步操作。

本发明还给出了列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统的工作方法，其系统智能评估方法为：学生的实验总分T由实验操作评分T_A、测评题目得分T_B和实验报告成绩T_C组成，其中，实验操作评分T_A与测评题目得分T_B由系统智能评估得到，实验报告成绩T_C由教师批阅得到。其关系式为：

T＝W_A·T_A+W_B·T_B+W_C·T_C

其中，W_A、W_B、W_C分别为实验操作评分T_A、测评题目得分T_B和实验报告成绩T_C的权重，W_A+W_B+W_C＝1，由于实验操作评分T_A最能考察学生对知识的理解程度，因此W_A＞W_B＝W_C。

实验操作评分T_A包括系统对四象限整流器功能实验单桥实验及双桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值数值U_1i(1≤i≤M₁)、U_2j(1≤j≤M₂)和四象限整流器故障实验模块过电压及过电流故障实验、CCU与TCU通讯故障实验、主逆检查到水压故障实验中学生两道题都选择正确的次数N_S1、N_S2、N_S3的智能评估后的得分。具体评分算法如下：

(1)四象限整流器功能实验的单桥实验中，系统判定学生输入的数值平均值U_1i得到的成绩T_A11以及判定学生输入的数值距机车实际运行的接触网电压额定值U的变化趋势△_1i得到的成绩T_A12共同作为学生单桥实验的总成绩，计算公式为：

T_A1＝q₁T_A11+q₂T_A12

其中，q₁，q₂为这两项的权重，由于平均值更能反应学生对知识的掌握程度，因此q₁+q₂＝1且q₁＞q₂。

①T_A11成绩算法：系统设置机车实际运行的接触网电压额定值为U，将学生实际输入的接触网电压有效值数值U_1i(1≤i≤M₁)取平均值

根据

所在的机车实际运行的接触网电压额定值U的不同区间给出不同的分数，公式如下：

其中，T_A11’为该项评定的总分，k₁，k₂为系数且k₂＜k₁＜1。

②T_A12成绩算法：系统将学生每一次输入的接触网电压有效值U_1i与U作差后取平方得到一组S_1i，再依次比较相邻两个S_1i的差值，公式如下：

S_1i＝(U_1i-U)²

Δ_1i＝S_1i-S_1(i-1)

△_1i反应了学生输入的数值距机车实际运行的接触网电压额定值U的趋势，若△_1i＜0，说明学生第i次输入的接触网电压有效值比第i-1次更趋近U值；若△_1i＞0，说明学生第i次输入的接触网电压有效值比第i-1次更远离U值。系统通过记录△_1i＜0的次数m₁’得到学生该项成绩：

式中，T_A12’为该项评定的总分。m₁-1为△_1i的个数。若出现△_1i都为0的情况，则评分公式如下：

得到T_A11、T_A12后通过加权得到学生四象限整流器功能实验的单桥实验的总成绩T_A1。

(2)四象限整流器功能实验的双桥实验得分T_A2的评分方法与单桥实验相同。

计算方法如下：

T_A2＝q₁T_A21+q₂T_A22

其中，q₁，q₂为系统判定学生输入的数值平均值U_2j得到的成绩T_A21以及判定学生输入的数值距机车实际运行的接触网电压额定值U的变化趋势△_2j得到的成绩T_A22权重，由于平均值更能反应学生对知识的掌握程度，因此q₁+q₂＝1且q₁＞q₂；

其中，U为机车实际运行的接触网电压额定值25kV；

为双桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值数值U_2j(1≤j≤M₂)的平均值，T_A21’为双桥实验中平均值U_2j判定的总分，k₁，k₂为系数且k₂＜k₁＜1；

S_2j＝(U_2j-U)²

Δ_2i＝S_2j-S_2(j-1)

其中，m₂’为双桥实验中系统记录的△_2j＜0的次数，△_2j反应了学生输入的数值距机车实际运行的接触网电压额定值U的趋势，T_A22’为双桥实验中变化趋势△_2j判定的总分，若实验中出现△_2j都为0的情况(如果该学生一开始就知道最优值，且每一次都输入这个，则这项是满分；如果输入了几个相同的，但都与最优值相差很远，则为0分)，则得分为

(3)四象限整流器故障实验中，模块过电压及过电流故障实验以学生两次答对两道选择题为满分标准，实际学生该实验的得分为：

其中，T_A31’为模块过电压及过电流故障实验的满分。同理，CCU与TCU通讯故障实验、主逆检查到水压故障实验的评分为：

故四象限整流器故障实验的得分为：

综上，实验操作评分T_A的计算式为：

T＝T_A1+T_A2+T_A3

测评题目得分T_B是系统对学生实验测评题目中回答正确的题目数P_S的智能评估后的得分。具体评分算法如下：

其中，T_B’为测评题目满分，P为系统在用户交互数据单元随机抽取的，需学生作答的题目总数。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1、通过采用Unity3d、3DMax等虚拟仿真软件，构建常见机车的三维模型及电力牵引传动系统三维模型，便于了解电力机车的内部结构。

2、在在线实验模块中，通过数据驱动型的自主探究实验，便于直观地体验四象限整流器不同设计参数对机车运行的影响，通过故障诊断实验，让操作者体验因参数设计不当导致超温、爆炸等严重故障现象，加深对电力机车安全性、可靠性设计重要性的认识。

3、本发明以列车电力牵引传动系统为对象，采用虚拟仿真教学手段，突破时空限制，规避现实中列车高电压供电、高时速、高能耗、不可试错的运行条件，解决了传统教学实验无法开展的高危、高设备成本及故障试错等难题。

4、本发明借助智能云平台设置了教、学、练、考、管、评等完备的教学功能，学生可通过云平台进行在线完成实验探究、完成实验题目测试、提交实验报告等过程。同时，平台将自动记录、跟踪、评价学生在线实验的过程与结果，自动给出实验操作成绩。教师可通过平台对学生提交的实验报告进行批改。

5、本发明的智能评估方法将学生输入数据平均值的评估和学生依次输入数据变化趋势的评估结合起来，前者可以看出学生对四象限整流器相关知识的掌握程度，后者可以看出学生在每一次输入数据之后是否认真观察了输出波形，是否根据输出波形认真思考了下一次的输入值，以达到逐渐逼近U的效果。

6、本发明可在高校相关专业和相关行业中推广，实现教育资源共享。

附图说明

图1是本发明的列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统构成图。

图2是本发明的系统管理员端1构成图。

图3是本发明的学生端2构成图。

图4是本发明的列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统工作方法流程图。

图5为本发明的四象限整流器功能实验模块操作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

如图1～3所示，本发明的列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统包括系统管理员端1、学生端2和教师端3。

所述的系统管理员端1由登录管理模块11、资源管理模块12、系统维护模块13构成，系统管理员通过登录管理模块11对不同的用户角色设置不同的权限，系统管理员、教师和学生均通过登录单元输入用户名、密码进行系统登录，输入的用户名和密码上传至资源管理模块12。资源管理模块12用于提供与四象限整流器功能实验及故障实验相关的教学资源和实验材料，储存用户与系统交互数据，以及对学生在线实验的实验操作和测评题目进行智能评估和综合打分。系统维护模块13用于系统管理员维护系统；

所述的资源管理模块12由实验介绍单元121、虚拟仿真模型库单元122、用户交互数据单元123构成。实验介绍单元121包括四象限整流器原理介绍1211、四象限整流器实验设备介绍1212、四象限整流器实验场景总览1213，用于学生了解四象限整流器的功能、实验操作环境及实验内容；虚拟仿真模型库单元122包括列车外观模型库1221、司机室控制及测试仪器模型1222、牵引变流柜模型1223、牵引变流器供电系统部件模型库1224；用户交互数据单元123包括登录数据单元1231、实验操作记录单元1232、实验测评单元1233、学生及系统评价单元1234。其中，登录数据单元1231用于储存用户登录时输入的用户名和密码；实验操作记录单元1232用于系统自动跟踪并储存学生在线实验模块21的操作行为；实验测评单元1233用于提供学生考核测试模块22的测评题目和实验报告；学生及系统评价单元1234用于保存教师对学生和系统的评价。

所述的学生端2由在线实验模块21、考核测试模块22构成，学生通过在线实验模块21完成四象限整流器功能实验和故障实验，通过考核测试模块22完成实验测评题目和实验报告。所述的在线实验模块21包括：四象限整流器功能实验模块211、四象限整流器故障实验模块212。其中，四象限整流器功能实验模块211包括单桥实验2111，双桥实验2112；四象限整流器故障实验模块212包括模块过电压及过电流故障实验2121、CCU与TCU通讯故障实验2122、主逆检查到水压故障实验2123。

所述的教师端3由学生评价模块31和系统评价模块32构成，用于教师批阅学生的实验报告并结合系统对实验操作和测评题目智能评估后的结果综合打分，以及对系统进行反馈评价。

系统管理员、教师和学生通过键盘鼠标对系统中需要选取、交互的内容进行操控。

如图4所示，一种列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统的工作方法，包括以下步骤：

第一步，学生用户登录系统。

第二步，学生用户选择实验总览进行学习。

学生在进行实验前需为实验进行准备工作，在线学习四象限整流器原理知识、实验设备及其参数，拖拽列车及其牵引系统各部件观看其3D模型，了解实验基础知识，熟悉实验环境。

第三步，学生进入实验选择主界面观看实验演示视频或直接进行四象限整流器功能实验和故障实验。

学生在实验选择主界面可以观看实验演示视频，也可以直接进行四象限整流器功能实验或四象限整流器故障实验。在四象限整流器功能实验中，学生选择列车车型、运行场景后，依次进行单桥实验，双桥实验，学生在空白处输入接触网电压有效值，提交参数后观察输入电压、输入电流及输出电压的波形，根据波形重置接触网电压有效值，几次实验后使结果逐渐逼近机车实际运行的接触网电压额定值U，观察不同参数对实验波形的影响，并记录实验波形。系统按顺序记录学生输入的数值。在四象限整流器故障实验中，学生依次进行模块过电压及过电流故障实验、CCU与TCU通讯故障实验、主逆检查到水压故障实验，学生根据屏幕上显示的故障现象，在提供的选项中选出故障原因，故障原因选择正确后选出故障对机车运行产生的影响。

第四步，实验结束，学生保存实验操作数据并提交。

所述实验操作数据为四象限整流器功能实验单桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值数值U_1i(1≤i≤M₁)、学生实际输入的接触网电压有效值次数为m₁次，及双桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值数值U_2j(1≤j≤M₂)、学生实际输入的接触网电压有效值次数为m₂次，系统按学生输入的顺序依次记录U_1i和U_2j；四象限整流器故障实验模块过电压及过电流故障实验、CCU与TCU通讯故障实验、主逆检查到水压故障实验中学生两道题都选择正确的次数N_S1、N_S2、N_S3，学生提交后自动保存至用户交互数据单元等待系统智能评估。

第五步，学生进行实验测评题目考核并提交。

所述实验测评题目为有关四象限整流器原理和实验相关知识的选择题，由系统管理员上传题库至资源管理模块的用户交互数据单元供学生使用。学生提交后自动保存至用户交互数据单元等待系统对学生实验测评题目中回答正确的题目数P_S的智能评估。

第六步，学生撰写实验报告并提交。

所述实验报告为列车电气牵引传动四象限整流器虚拟仿真实验报告，学生需依次填写实验目的及要求、实验原理、实验步骤及结果、实验结论、实验心得，提交后自动保存至用户交互数据单元等待老师批阅。学生退出系统，若需再次进行实验，则重新登录系统，循环第一步操作。

第七步，教师用户登录系统，批阅学生的实验报告，并结合系统对实验操作和测评题目智能评估后的结果综合打分。

教师通过教师端登录系统后，调取资源管理模块的用户交互数据单元中学生的实验报告进行批阅，并结合系统对实验操作和测评题目智能评估后的结果，算出学生总成绩并提交，自动保存到资源管理模块中。

第八步，教师进行系统评价。

教师针对系统提出意见或建议，提交到系统管理员端，系统管理员可参考该意见通过系统维护模块对系统进行维护。教师退出系统，若需再次评分，则重新登录系统，循环第七步操作。

本实施例还给出了列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统的工作方法，其系统智能评估方法为：学生的实验总分T由实验操作评分T_A、测评题目得分T_B和实验报告成绩T_C组成，其中，实验操作评分T_A与测评题目得分T_B由系统智能评估得到，实验报告成绩T_C由教师批阅得到。其关系式为：

T＝W_A·T_A+W_B·T_B+W_C·T_C

其中，W_A、W_B、W_C分别为实验操作评分T_A、测评题目得分T_B和实验报告成绩T_C的权重，W_A+W_B+W_C＝1，由于实验操作评分T_A最能考察学生对知识的理解程度，因此W_A＞W_B＝W_C。

实验操作评分T_A包括系统对四象限整流器功能实验单桥实验及双桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值数值U_1i(1≤i≤M₁)、U_2j(1≤j≤M₂)和四象限整流器故障实验模块过电压及过电流故障实验、CCU与TCU通讯故障实验、主逆检查到水压故障实验中学生两道题都选择正确的次数N_S1、N_S2、N_S3的智能评估后的得分。具体评分算法如下：

(1)四象限整流器功能实验的单桥实验中，系统判定学生输入的数值平均值U_1i得到的成绩T_A11以及判定学生输入的数值距机车实际运行的接触网电压额定值U的变化趋势△_1i得到的成绩T_A12共同作为学生单桥实验的总成绩，计算公式为：

T_A1＝q₁T_A11+q₂T_A12

其中，q₁，q₂为这两项的权重，由于平均值更能反应学生对知识的掌握程度，因此q₁+q₂＝1且q₁＞q₂。

①T_A11成绩算法：系统设置机车实际运行的接触网电压额定值为U，将学生实际输入的接触网电压有效值数值U_1i(1≤i≤M₁)取平均值

根据

所在的机车实际运行的接触网电压额定值U的不同区间给出不同的分数，公式如下：

其中，T_A11’为该项评定的总分，k₁，k₂为系数且k₂＜k₁＜1。

②T_A12成绩算法：系统将学生每一次输入的接触网电压有效值U_1i与U作差后取平方得到一组S_1i，再依次比较相邻两个S_1i的差值，公式如下：

S_1i＝(U_1i-U)²

Δ_1i＝S_1i-S_1(i-1)

△_1i反应了学生输入的数值距机车实际运行的接触网电压额定值U的趋势，若△_1i＜0，说明学生第i次输入的接触网电压有效值比第i-1次更趋近U值；若△_1i＞0，说明学生第i次输入的接触网电压有效值比第i-1次更远离U值。系统通过记录△_1i＜0的次数m₁’得到学生该项成绩：

式中，T_A12’为该项评定的总分。m₁-1为△_1i的个数。若出现△_1i都为0的情况，则评分公式如下：

得到T_A11、T_A12后通过加权得到学生四象限整流器功能实验的单桥实验的总成绩T_A1。

(2)四象限整流器功能实验的双桥实验得分T_A2的评分方法与单桥实验相同。

计算方法如下：

T_A2＝q₁T_A21+q₂T_A22

其中，q₁，q₂为系统判定学生输入的数值平均值U_2j得到的成绩T_A21以及判定学生输入的数值距机车实际运行的接触网电压额定值U的变化趋势△_2j得到的成绩T_A22权重，由于平均值更能反应学生对知识的掌握程度，因此q₁+q₂＝1且q₁＞q₂；

其中，U为机车实际运行的接触网电压额定值25kV；

为双桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值数值U_2j(1≤j≤M₂)的平均值，T_A21’为双桥实验中平均值U_2j判定的总分，k₁，k₂为系数且k₂＜k₁＜1；

S_2j＝(U_2j-U)²

Δ_2i＝S_2j-S_2(j-1)

其中，m₂’为双桥实验中系统记录的△_2j＜0的次数，△_2j反应了学生输入的数值距机车实际运行的接触网电压额定值U的趋势，T_A22’为双桥实验中变化趋势△_2j判定的总分，若实验中出现△_2j都为0的情况，则得分为

(3)四象限整流器故障实验中，模块过电压及过电流故障实验以学生两次答对两道选择题为满分标准，实际学生该实验的得分为：

其中，T_A31’为模块过电压及过电流故障实验的满分。同理，CCU与TCU通讯故障实验、主逆检查到水压故障实验的评分为：

故四象限整流器故障实验的得分为：

综上，实验操作评分T_A的计算式为：

T＝T_A1+T_A2+T_A3

测评题目得分T_B是系统对学生实验测评题目中回答正确的题目数P_S的智能评估后的得分。具体评分算法如下：

其中，T_B’为测评题目满分，P为系统在用户交互数据单元随机抽取的，需学生作答的题目总数。

如图4～5所示，本发明的实施例如下：

以四象限整流器功能实验为例介绍本发明的工作流程，步骤如下：

1、学生打开虚拟仿真实验教学管理平台登录界面，选择学生端登录，输入用户名和密码登录系统；

2、学生用户点击“实验总览”进行在线学习。学习内容包括四象限整流器原理知识、实验设备及其参数，拖拽列车及其牵引系统各部件观看其3D模型；

3、点击“实验开始”，进入实验主界面；

4、在实验主界面，点击“实验演示视频”学习相关实验操作流程；

5、点击“四象限整流器功能实验模块”进入实验操作界面，

6、点击“车型选择”，选取和谐HXD1电力机车、和谐HXD2电力机车或和谐HXD3电力机车；

7、点击“运行场景选择”，选取平直线路运行或坡道或曲线线路运行；

8、点击“实验类型”，选择“单桥实验”，输入不同接触网电压值，记录输入电压电流、输出电压波形记录，点击“保存”，保存实验参数及结果，通过对比不同接触网压参数对于实验的波形的影响，得出实验结论；

9、返回实验类型选择界面，选择“双桥实验”，重复第8步的实验操作；

10、完成实验后点击“保存”，提交实验操作；若需重新选择车型和运行场景，返回第5步或第6步循环操作；

11、返回实验主界面，点击“四象限整流器故障实验模块”，完成实验并提交；

11、点击“实验测评题目”，完成测试后提交；

12、点击“实验报告”，完成实验报告的各项内容并提交；

13、待全部数据上传后点击“退出实验”返回主界面，实验结束；

14、教师登录系统，对学生的实验报告批阅，并结合系统对实验操作和测评题目智能评估后的结果综合打分。对系统提出意见或建议，提交到系统管理员端。

Claims (10)

1.一种列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统，其特征在于，包括：

系统管理员端、学生端和教师端；其中：

所述系统管理员端提供与四象限整流器功能实验及故障实验相关的教学资源和实验材料，储存用户与系统交互数据，以及对学生在线实验的实验操作和测评题目进行智能评估；

所述学生端用于供学生完成四象限整流器功能实验和故障实验；

所述教师端用于根据所述智能评估后的结果综合打分，并对系统进行反馈评价。

2.根据权利要求1所述的列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统，其特征在于，所述系统管理员端包括：

登录管理模块，用于对不同的用户角色设置不同的权限，系统管理员、教师和学生均通过登录单元输入用户名、密码进行系统登录，输入的用户名和密码上传至资源管理模块；

资源管理模块，用于提供与四象限整流器功能实验及故障实验相关的教学资源和实验材料，储存用户与系统交互数据，以及对学生在线实验的实验操作和测评题目进行智能评估；

系统维护模块，用于系统管理员维护系统。

3.根据权利要求2所述的列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统，其特征在于，所述资源管理模块包括：

实验介绍单元，用于记载四象限整流器的功能、实验操作环境及实验内容；

虚拟仿真模型库单元，用于储存与实验相关的列车及其牵引系统各部件3D模型；

用户交互数据单元，用于储存用户登录数据，记录学生的实验操作行为，储存实验测评题目，对学生在线实验的实验操作和测评题目进行智能评估以及储存教师对学生和系统的评价。

4.根据权利要求1所述的列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统，其特征在于，所述的学生端包括：

在线实验模块，用于供学生完成四象限整流器功能实验和故障实验；

考核测试模块，用于完成实验测评题目和实验报告。

5.根据权利要求1所述的列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统，其特征在于，所述教师端包括：

学生评价模块，用于教师批阅学生的实验报告并结合系统对实验操作和测评题目智能评估后的结果综合打分；

系统评价模块，用于对系统进行反馈评价。

6.一种列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统的工作方法，其特征在于，所述的四象限整流器功能实验分为单桥实验和双桥实验，学生在空白处输入接触网电压有效值，提交参数后观察输入电压、输入电流及输出电压的波形，根据波形重置接触网电压有效值，几次实验后使结果逐渐逼近机车实际运行的接触网电压额定值，观察不同参数对实验波形的影响，并记录实验波形。系统按顺序记录学生输入的数值。其中，单桥实验学生可以输入接触网电压有效值的最大次数为M₁次，学生实际输入的接触网电压有效值次数为m₁次，学生实际输入的接触网电压有效值数值为U_1i，1≤i≤M₁，双桥实验学生输入接触网电压有效值的最大次数为M₂次，学生实际输入的接触网电压有效值次数为m₂次，学生实际输入的接触网电压有效值数值为U_2j，1≤j≤M₂，其中，M₁、M₂均为大于3的确定正整数；所述的四象限整流器故障实验包括模块过电压及过电流故障实验、CCU与TCU通讯故障实验、主逆检查到水压故障实验，学生根据屏幕上显示的故障现象，在提供的选项中选出故障原因，故障原因选择正确后在提供的选项中选出故障对机车运行产生的影响，其中，模块过电压及过电流故障实验故障原因选项个数为N₁个，故障影响选项个数为N₂个，直到学生全部选择正确后系统记录两道题被选择的总次数为N_S1次，CCU与TCU通讯故障实验故障原因选项个数为N₃个，故障影响选项个数为N₄个，直到学生全部选择正确后系统记录两道题被选择的总次数为N_S2次，主逆检查到水压故障实验故障原因选项个数为N₅个，故障影响选项个数为N₆个，直到学生全部选择正确后系统记录两道题被选择的总次数为N_S3次；其中N₁、N₂、N₃、N₄、N₅、N₆为大于1的正整数，2≤N_S1≤N₁+N₂，2≤N_S2≤N₃+N₄，2≤N_S3≤N₅+N₆。

7.根据权利要求1～6之一所述的列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统，其特征在于，所述教师端根据所述智能评估后的结果综合打分后，学生的实验总分T的计算公式为：T＝W_A·T_A+W_B·T_B+W_C·T_C；其中，W_A、W_B、W_C分别为实验操作评分T_A、测评题目得分T_B和实验报告成绩T_C的权重，其中，W_A、W_B、W_C分别为实验操作评分T_A、测评题目得分T_B和实验报告成绩T_C的权重，W_A+W_B+W_C＝1，W_A＞W_B＝W_C。

8.根据权利要求7所述的列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统，其特征在于，T_A＝T_A1+T_A2+T_A3；其中，

T_A2＝q₁T_A21+q₂T_A22，

其中，q₁，q₂为系统判定学生输入的数值平均值U_1i得到的成绩T_A11以及判定学生输入的数值距机车实际运行的接触网电压额定值U的变化趋势△_1i得到的成绩T_A12权重，由于平均值更能反应学生对知识的掌握程度，因此q₁+q₂＝1且q₁＞q₂；

其中，U为机车实际运行的接触网电压额定值25kV；

为单桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值数值U_1i(1≤i≤M₁)的平均值，

m₁为单桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值次数；

为双桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值数值U_2j(1≤j≤M₂)的平均值，

m₂为双桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值次数；T_A11’为单桥实验中平均值U_1i判定的总分，T_A21’为双桥实验中平均值U_2j判定的总分，k₁，k₂为系数且k₂＜k₁＜1；

其中，m₁’为单桥实验中系统记录的△_1i＜0的次数，△_1i反应了学生输入的数值距机车实际运行的接触网电压额定值U的趋势，S_1i＝(U_1i-U)²，Δ_1i＝S_1i-S_1(i-1)；m₂’为双桥实验中系统记录的△_2j＜0的次数，△_2j反应了学生输入的数值距机车实际运行的接触网电压额定值U的趋势，S_2j＝(U_2j-U)²，Δ_2j＝S_2j-S_2(j-1)；T_A12’为单桥实验中变化趋势△_1i判定的总分，T_A22’为双桥实验中变化趋势△_2j判定的总分，若实验中出现△_1i或△_2j都为0的情况，则得分为

T_A31’、T_A32’、T_A33’分别为四象限整流器的IGBT模块过电压及过电流故障实验、CCU与TCU通讯故障实验、主逆检查到水压故障实验的的满分；N_S1、N_S2、N_S3为分别为模块过电压及过电流故障实验、CCU与TCU通讯故障实验、主逆检查到水压故障实验中学生全部选择正确后系统记录两道题被选择的总次数。

9.根据权利要求7所述的列车电气牵引传动四象限整流器虚拟教学系统，其特征在于，

T_B’为测评题目满分；P_S为学生实验测评题目中回答正确的题目数，P为系统在用户交互数据单元随机抽取的，需学生作答的题目总数。

10.一种利用权利要求1～9之一所述系统评估学生实验总分的方法，其特征在于，利用下式计算学生的实验总分T：T＝W_A·T_A+W_B·T_B+W_C·T_C；其中，W_A、W_B、W_C分别为实验操作评分T_A、测评题目得分T_B和实验报告成绩T_C的权重；T_A＝T_A1+T_A2+T_A3；其中，T_A1＝q₁T_A11+q₂T_A12；T_A2＝q₁T_A21+q₂T_A22，

其中，q₁，q₂为系统判定学生输入的数值平均值U_1i得到的成绩T_A11以及判定学生输入的数值距机车实际运行的接触网电压额定值U的变化趋势△_1i得到的成绩T_A12权重，由于平均值更能反应学生对知识的掌握程度，因此q₁+q₂＝1且q₁＞q₂；

其中，U为机车实际运行的接触网电压额定值25kV；

为单桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值数值U_1i(1≤i≤M₁)的平均值，

m₁为单桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值次数；

为双桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值数值U_2j(1≤j≤M₂)的平均值，

m₂为双桥实验中学生实际输入的接触网电压有效值次数；T_A11’为单桥实验中平均值U_1i判定的总分，T_A21’为双桥实验中平均值U_2j判定的总分，k₁，k₂为系数且k₂＜k₁＜1；

其中，m₁’为单桥实验中系统记录的△_1i＜0的次数，△_1i反应了学生输入的数值距机车实际运行的接触网电压额定值U的趋势，S_1i＝(U_1i-U)²，Δ_1i＝S_1i-S_1(i-1)；m₂’为双桥实验中系统记录的△_2j＜0的次数，△_2j反应了学生输入的数值距机车实际运行的接触网电压额定值U的趋势，S_2j＝(U_2j-U)²，Δ_2j＝S_2j-S_2(j-1)；T_A12’为单桥实验中变化趋势△_1i判定的总分，T_A22’为双桥实验中变化趋势△_2j判定的总分，若实验中出现△_1i或△_2j都为0的情况，则得分为

T_A31’、T_A32’、T_A33’分别为四象限整流器的IGBT模块过电压及过电流故障实验、CCU与TCU通讯故障实验、主逆检查到水压故障实验的的满分；N_S1、N_S2、N_S3为分别为模块过电压及过电流故障实验、CCU与TCU通讯故障实验、主逆检查到水压故障实验中学生全部选择正确后系统记录两道题被选择的总次数；

T_B’为测评题目满分；P_S为学生实验测评题目中回答正确的题目数，P为系统在用户交互数据单元随机抽取的，需学生作答的题目总数。

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