城市电气化交通系统高效用能虚拟仿真实验
课程简介
在国家“双碳”目标与教育部“新工科”建设背景下，北京交通大学电气工程学院许寅教授结合人才培养需求与学校特色学科，建设了《城市电气化交通系统高效用能虚拟仿真实验》课程，获评教育部第二批国家级一流本科课程（虚拟仿真类）。
课程实验内容涉及电气、交通两大学科交叉领域，涵盖了城市配电网中轨道交通和规模化电动汽车有序充电的高效用能问题。实验设计运用前沿的虚拟仿真技术，既真实还原了电气化交通系统的用能场景、又提供了可“积木式”灵活搭建的模块化电气-交通配电网系统，给学生提供了探索与试错空间，保证了实验内容的挑战性、高阶性，培养了学生的创新与思辨能力。在实验项目内容中，通过介绍“双碳”目标和社会可持续发展的理念和内涵使学生了解电气化交通系统在其中的作用和产生的影响。同时结合电气化交通的快速发展，让学生感受和了解祖国日新月异的变化，使学生的爱国热情专业兴趣与努力学习兼收并蓄。
课程建设背景
（1）实验的必要性及实用性
1）必要性
在《交通强国建设纲要》及“新基建”政策的指导下，城市电气化交通得到大力发展，虽然一定程度上缓解了能源危机，但电气化交通负荷产生的能耗却不断增加。为实现我国提出的“碳达峰、碳中和”目标，如何提升电气化交通系统能效，促进能源消费去碳化，成为城市电气化交通系统面临的一大挑战。作为科技创新型人才的培养基地，培养具备高水平专业知识和低碳环保理念的复合型“新工科”人才，高校应及时开展城市电气化交通系统高效用能技术相关教学，为城市电气化交通系统节能增效助力。
然而，城市电气化交通系统具有“高电压、高转速、大规模、高造价”等特点，导致现场教学实施困难，而小规模实物平台参考价值有限，严重制约了城市电气化交通系统高效用能相关教学工作的开展。具体而言：
第一，城市电气化交通系统的供电电压高，车辆运行时速快，开展现场教学存在安全隐患。城市轨道交通系统（地铁、城轨等）和电动汽车充电设施包含较多高压、高温、高速旋转设备，现场教学存在人员触电、烫伤、刮伤等安全隐患。
第二，城市电气化交通系统高效用能实验涉及轨道交通能馈系统投切、电动汽车充电设置等操作，需要电力、交通部门许可，实验安排困难且实验误操作后果严重。轨道交通系统、电动汽车充电系统为城市关键基础设施，开展现场实验需得到电力、交通部门的许可，出于安全管理要求一般不允许学生开展实验，且实验误操作可能危及乘客安全、造成设备损坏。
第三，城市电气化交通系统规模大，建设实物平台周期长、造价高。城市电气化交通系统属于电力、交通融合系统，即使身临现场也难有全局把握。搭建小规模平台难以反映系统实际运行特性，教学支撑价值有限。若搭建大规模实物平台，则占地面积大、施工复杂、建设周期长、成本高，大多数高校难以实现。
为解决上述难题，本实验项目融合电力与交通两大学科，将城市电气化交通系统高效用能工程场景通过虚拟仿真技术搬进课堂，使得虚拟仿真实验与理论课程深度融合，突破了时间与空间限制，打破了课堂与实践壁垒，使学生全方位地理解轨道交通能量回馈利用、电动汽车有序充电等难以开展现场实验的内容，并为学生提供了设计分析与拓展创新的平台。
2）实用性
第一，实验高度还原城市电气化交通系统用能场景，采用人机交互技术为学生提供系统拓扑与参数自主设计空间，后台集成的在线实时仿真算法满足学生反复试错调试需求，有助于提升教学效果。本实验对难以接触的城市电气化交通系统实际现场进行了高度还原仿真，将陌生抽象的城市轨道交通系统用能场景以动图及仿真结果的形式直观呈现，解决了“现场教学实施困难、小规模实物平台教学参考价值有限”的难题；在实验过程中为学生营造多边互动的教学环境，学生可自主设计城市轨道交通系统拓扑及设备参数，并通过平台反馈对错误及时修正，还可通过在线的生生、师生互动，解答疑问；后台集成的城市电气化交通系统在线实时仿真算法为学生提供多参数调试、反复实验的条件，完成实体实验难以开展的自主创新性学习，为城市电气化交通系统高效用能技术研究培养拔尖创新人才。
第二，实验设计过程注重还原真实场景，具有极强的“代入感”，有利于帮助学生树立能源交通领域主人翁的意识。轨道交通系统能量回馈实验中，学生通过设置不同客流情况下列车的运行方式与时段以及投切能馈系统，观察其能源利用率。电动汽车有序充电实验中，学生通过设计电动汽车有序充电策略，分析其对系统安全及运行能效的影响，引导学生树立严谨求实的工程设计理念。
第三，实验融合电力系统、轨道交通、电动汽车等多行业专业基础知识，可开拓学生视野，提升学生综合素质。本实验研究对象涵盖城市配电网、轨道交通系统和电动汽车充电系统，涉及配电网组网原则、轨道交通系统及能馈系统工作原理、电动汽车充电模式及有序充电策略等技术，为学生提供包含电力系统、轨道交通、电动汽车等多行业的专业基础知识，有助于学生毕业后快速适应工作环境，尽快开展专业工作。
（2）教学设计的合理性
1）实验项目选题呼应国家“碳达峰、碳中和”战略需求，与国家“能源转型”政策紧密贴合，从提高城市电气化交通系统用能效率方面支撑我国能源消费去碳化，具有重要现实意义。本项目针对当前城市电气化交通系统存在的轨道交通制动能量利用不足、电动汽车无序充电损耗高等问题，结合当前先进的轨道交通能量回馈技术与电动汽车有序充电管理技术，设计研发了集配电网系统、轨道交通系统、电动汽车充电系统于一体的城市电气化交通系统高效用能技术虚拟仿真学习探索实验。此选题与国家“能源转型”政策紧密贴合，符合当今“交通电气化”、“电气-交通两网融合”的发展趋势。
2）实验内容与《电力系统分析》专业核心课及《智能电网》专业前沿课深度匹配，实验流程按照“实验系统模型搭建→轨道交通系统能量回馈实验→电动汽车有序充电实验”合理设计，将前沿成果引入课堂，实验考核全面覆盖知识点答题、实验操作、思考题简答及实验报告等方面，增加挑战度。本项目包括实验系统模型搭建、轨道交通系统能量回馈实验和电动汽车有序充电实验3个实验环节，设置知识点答题、实验操作、思考题简答及实验报告4方面考核。其中，实验系统模型搭建环节与《电力系统分析》课程内容匹配，轨道交通系统和电动汽车有序充电实验内容与《智能电网》课程内容融合，实现了理论与实践的有机统一。实验流程遵循“由浅入深，逐层递进”的原则，设备认知环节使学生了解系统的基本组成设备及运行原理；实验系统模型搭建环节帮助学生掌握系统的组网原则，对系统整体运行形成认知；轨道交通系统和电动汽车有序充电实验，深入探讨影响用能效率的关键环节及措施，帮助学生掌握高效用能前沿技术，教学内容具备前沿性与时代性。实验考核兼顾过程、结果与思维能力的考察，注重学生实践能力培养的同时，兼顾创新、探索能力的提升，使学生获得成就感。
3）实验系统参数和运行数据源自北京市和上海市的典型配电系统、轨道交通系统及电动汽车充电系统，可保证实验系统的真实性与高度还原性。本实验涉及的配电系统参照上海市典型35kV配电系统设计，包括变电站、负荷等；电动汽车充电站原型为北京交通大学电动汽车充电示范中心，该实验模块加载的电动汽车类型、充电桩充电模式均根据实际参数设计；轨道交通系统能量回馈实验原型为北京地铁13号线，列车速度及不同时段参数同样来源于实际数据，保证虚拟仿真系统的真实性、合理性。
4）实验后台算法参照国家标准、导则及电力系统教材设计，保证实验结果的合理性、可靠性。本实验后台集成了配电网组网校验、潮流计算等算法，在对整个系统进行潮流计算前会校验所搭建系统是否满足配电网组网原则，该算法设计参考了《城市配电网技术导则》《城市电力网规划设计导则》等标准；潮流计算采用牛顿-拉夫逊法，该算法设计参考了《电力系统分析》教材及厂商提供的技术手册，以保证计算结果的合理性。
5）实验教学方法秉承“成果导向教育（OBE）”理念，虚拟用能场景，助力情境式教学；电气化交通在线实时仿真算法集成，支撑交互式教学；允许学生反复试错调试，促进自主探索式教学；内含电力-交通领域前沿技术，打造科研反哺式教学。本实验以使学生掌握城市电气化交通系统高效用能技术为学习目标，以为城市电气化交通系统提供科技人才为导向，通过三维动画情境式教学激发学生学习兴趣、系统实时仿真交互式教学激发学生独立思考能力、多参数设计试错自主探索式教学提高学生创新能力、前沿科研技术反哺式教学开阔学生思维，最终使学生全面掌握轨道交通能馈系统设计及工作原理、电动汽车有序充电策略制定及优化方法等高效用能技术。
（3）实验系统的先进性
1）本实验融合电气工程与交通运输工程两大学科，针对电力-交通融合系统能效提升技术展开教学，在学科交叉融合中促进传统工科向新工科改造升级。随着能源生产和消费革命的推进，交通电气化得到大力发展，电力-交通系统深度融合成为未来城市发展的一大特色。本实验项目基于学科交叉融合理念，从轨道交通能量回馈和电动汽车有序充电角度出发，让学生切实探索电力-交通融合系统中能效提升问题的解决途径，能够有效促进传统工科向新工科改造升级。
2）本实验项目依托教学团队在电力和交通领域的科研优势，基于团队的最新科研成果设计开发后台计算引擎，结合直观形象的前端界面，帮助学生理解前沿技术，实现科教融合。本实验项目教学团队与电力、交通部门合作紧密，曾主持多项电力-交通领域的国家级重大项目，具有深厚的科研积淀，可通过不断更新城市电气化交通系统高效用能技术研究成果保持教学的前瞻性，真正实现科研-教学的深度融合。
3）本实验突破传统虚拟仿真实验中仿真场景相对固定、流程单一的局限性，研发了系统模型自由搭建功能，为学生提供了充足的试错、探索和创新空间。本实验将城市轨道交通实际设备与仿真元件一一映射，通过连接线可模拟不同设备间的物理连接，真正做到了实际运行场景的高度还原；同时，实验平台具备高度容错性，学生可自主设计系统拓扑、更改设备参数，并根据实时仿真结果进行修正，给予学生足够的试错空间和自主探索空间，能够有效提升学生的自主创新能力。
4）本实验采用先进的前端、后端开发技术，在保证城市电气化交通系统高度还原性的同时，提升实验平台的易操作性、流畅性、可靠性和可拓展性。本项目采用虚拟仿真技术手段，高度还原了轨道交通系统能量回馈系统投切及电动汽车有序无序充电等城市电气化交通系统实际用能场景，使实验对象及实验现象更加形象直观；采用人机交互技术，使学生通过键盘和鼠标自由设计仿真模型的规模和参数，并可根据实时的实验反馈结果快速掌握系统运行状况；实验系统前端通过VUE技术采用前后端分离架构，充分利用HTML5优势，构建实时动态化UI体验；内置Spring Cloud微服务架构，功能模块可插拔，核心模块多副本容错，不仅提高实验系统稳定性，还利于实验平台的后期维护和扩展。
（4）与思想政治课深度融合
1）实验课程跳出传统专业课程的教学思维，在专业授课的同时融入思想教育课程相关知识，实现思想政治教育贯穿人才培养体系，全面推进高校课程思政建设。本项目采用虚拟仿真技术手段，通过虚拟世界的沉浸式体验，提升学生学习热情，也可以让思政课程的知识点直观化。沉浸性可以使思想政治教育的教学手段生动形象和多样化。交互性特点可以实现学生与设备的 1:1 交互，在这种模式下，虚拟的技术可以转变教师教学观念和学生学习观念，实现教学相长，并能达成预期的教学效果。不论从教学目标、教学手段、教学方法、教学效果追求方面来说，为思想政治教育课程的线上教学模式提供一种全新视角。有意识地将社会主义核心价值观渗透到教学内容的各个部分中，使学生能够获得满满的正能量，激发学生们的爱国主义热情。
2）实验课程结合中国电气、交通领域的发展史，树立国家能源交通发展的主人翁意识，增强大学生民族自信心和历史责任感。在实验指导书绪论部分，介绍课程主要研究对象和内容、本课程在教学中的地位及学科前沿发展，介绍我国电气和交通发展史，通过中国将电气和交通先进师范工程、大国重器、名科学家和前沿科技的引入，提升大学生的民族自豪感，培养学生具备家国情怀的信念，引导学生对本专业的热爱，意识到祖国发展关键技术是要不来、买不来、讨不来的，只有通过自己的坚持不懈努力才能得到，我国取得的每一项国际先进技术都是有一群爱岗敬业和为国奉献的专业技术人员多年努力奋斗的结果，激励学生刻苦学习，促使学生能够主动地了解祖国的历史，感叹祖国的强大，并为之感到自豪。在潜移默化中引导学生提高自身的思想道德修养，做一名符合新工科建设要求的专业复合型人才，并做好投身到关键技术专业研究的准备。
3）实验案例秉承经济效益、社会效益与生态效益相结合，同时把国家‘创新、协调、绿色、开放、共享’五大发展理念‘揉’进实验平台里，注重寻找专业教育与思政教育的“触点”。本实验通过搭建城市电气化交通系统高效用能系统，进而轨道交通系统能量回馈实验、电动汽车有序充电实验，引导学生将学习专业知识和服务国家政策相融合，使学生体会到工程师对于双碳目标所要承担的责任。讲授轨道交通系统能量回馈实验时，可引用我国现代高速发展的高铁为例，中国的电气、交通专业技术人员在经历无数次失败之后终于实现高铁牵引供电高效用能，形成以“四纵四横”高铁为主骨架的快速铁路网。通过案例让学生体会大国工匠的精神实质，领会“核心技术要掌握在自己手里”的深刻内涵，锻炼学生的实践创新能力和解决实际问题的能力，从而培养出专业能力和专业素养过硬的电气专业新型创新人才，为我国电气领域的发展贡献一份力量。
课程教学目标
本实验教学项目遵循“以虚补实、以虚扩实、以虚验实”的设计原则，包含实验系统模型搭建、轨道交通系统能量回馈实验和电动汽车有序充电实验三个模块，支撑《电力系统分析》、《智能电网》等理论课程，服务电力系统课程设计等实践专业课程，最终实现知识传授、能力培养和价值塑造的“三位一体”教学目标，具体如下：
1.了解城市电气化交通系统关键组成设备的基本工作原理。
2.了解配电网系统组网及系统模型搭建原则。
3.掌握潮流计算原理，具备分析电力系统潮流结果的能力。
4.掌握轨道交通能馈系统工作原理和电动汽车有序充电策略设计方法。
5.通过设备认知环节，培养学生自主学习能力和感知能力；引导学生通过自主搭建仿真系统发现问题、解决问题，进而培养其知识应用能力、思维判断与分析能力；鼓励学生自主设置轨道交通系统能量回馈实验和电动汽车有序充电实验参数，培养其创新探索能力及综合实践能力；将团队的高效用能相关科研成果融入平台中，寓科研于教学，培养学生对新技术的学习能力；
6.通过多途径实现专业技能的“硬教学”与思想政治（或道德素质）的“软引导”，引导学生将专业工程问题与国家政策、社会效益相结合，达到知识传授与价值引领的有机统一，从而实现高校教育的育人使命、文明使命和发展使命。
7.培养学生节能增效的社会责任感和主人翁意识，鼓励学生勇于担当、积极作为，自觉肩负起推动能源转型和绿色发展的历史使命，成为培养创新能力与家国情怀并重的工程师，为推动构建清洁低碳、安全高效的新一代能源系统做出贡献。
上述实验教学目标的达成有助于学生毕业后快速适应电力、交通领域的工作，并提前培养“主人翁意识”，为毕业生成长为高层次复合型“新工科”人才奠定重要的基础。为达成以上实验教学目标的达成，本实验设置4个模块实验内容：
模块一：实验系统模型搭建。针对系统的整体设计，搭建城市电气化交通系统高效用能系统。
模块二：轨道交通系统高效用能。验证轨道交通制动能量回馈系统的经济节能作用。
模块三：电动汽车充电站高效用能。设计电动汽车有序充电策略，分析有序无序充电对系统安全及运行能效的影响。
课程教学创新
在教学创新上，本课程在近年来“新工科”建设及国家“双碳”战略发展背景下，开展了如下教学创新与方法改革主要有以下三方面：
1.紧密围绕人才培养需求的科教融合。改革课程教学大纲结构，加大探索性学习与研究性学习比例，将科研项目中“电动汽车与和与电网互动”，“电力系统如何提升韧性以应对极端天气”等开放性问题与相应最新科研成果引入课堂，与教学知识点相结合，为培养服务电力能源领域的创新型人才提供支撑。
2.以学生为中心的数字化课程建设。运用最新信息技术建设《智能电网》数字化教材和“城市电气化交通系统高效用能”虚拟仿真实验，开展线上线下结合教学，给学生提供立体化知识学习空间，丰富教学全流程的师生互动形式，有实效的强化学生的理论知识掌握与综合运行能力。
3.新时代背景下的专业课程特色思政。在思政教学上结合工科课程知识结构特点，树立学生辩证唯物主义和历史唯物主义世界观，培养学生用系统性、辩证性的思维方式。通过展现我国在电气工程领域特高压、电气化轨道交通、新能源发电、电动汽车等领域发展历程，坚定学生对中国特色社会主义的道路自信、理论自信、制度自信和文化自信。
在思政创新方面，在与内涵上，坚持以学生为中心，教学和育人并重的核心设计思路。将教学的目标与课程思政的育人的目标相结合，遵循“知行合一，寓无形于有形”的原则，避免生硬灌输。以各部分知识内容的特点为基础，融入多种类型的课程思政内容，既包括家国与爱国主义方面的内容，也融入包括辩证唯物主义等马克思主义的理论与思想。抓住问题的主要矛盾，提前规划好每次课的专业知识与思政元素的融合点，以润物细无声的效果，通过多次课堂教学逐渐“渗透”，有机结合专业知识传授与思政育人。
在教学中通过深入挖掘思政元素、选取合适思政素材，使专业知识与思政元素有机融合。本课程从以下四个方面来塑造价值观、实现素质目标。一是通过讲授智能电网的发展历史，介绍各种技术从早期出现，到在各种技术讨论与争鸣中不断迭代，再到普及、成熟应用甚至没落的过程，让学生理解哲学思辨中用发展的眼光看待事物的思想；二是通过介绍我国的大国工匠与爱国科学家、工程师等发现新原理、提出新技术、攻克新难关的艰辛过程，让学生学习到不怕困难、持之以恒的努力才是取得成功所需具备的最重要的素质；三是通过介绍我国近年来在电气工程领域取得的发展成就，让学生感受到祖国日新月异的变化，培养学生的爱国热情，树立学好电气，报效祖国、建设祖国的价值观；四是通过传授电气工程学科学习的方法，培养学生勤于思考、勇于探索精神，认识到理论与实践并重的学习方法，树立持续学习与终身学习的意识。
