复杂环境下铁道工程案例库建设与实践

［摘 要］ 现阶段铁道工程建设面临各种复杂环境，其引发的工程问题是领域内研究重难点所在，而当前研究生教学方式较为落后，不利于创新型专业人才的培养。为解决上述问题，将铁道工程和案例库联系起来，明确了案例库教学的重要意义，分析了现存案例库的问题；针对这些问题，提出了复杂环境下铁道工程案例库的建设思路，以中南大学铁道工程专业为例进行案例库建设并分析了其中的案例内容，所建库中内容弥补了早期案例库的短板，具有高度综合性；最后给出了后续教学设计流程，为全国铁道工程专业教学提供教学参考。

［关键词］ 铁道工程；复杂环境；案例库；创新

［基金项目］ 2017年度国家自然科学基金“往复荷载下考虑桩-土界面损伤特性的桩基累积沉降变形研究”（51778633）；2013年度国家自然科学基金“循环动载下软土地区高速铁路桥梁桩基承载机理及承载力研究”（51308552）；2021年度中南大学研究生教学案例库建设项目“复杂环境铁道工程建设与评估案例库”；2023年度中南大学研究生课程思政建设（综合研究类）项目“前沿类课程学科交叉与思政元素融合研究与实践——以‘轨道交通线路工程’为例”

［作者简介］ 汪 优（1978—），女，湖南湘潭人，博士，中南大学土木工程学院副教授，主要从事道路与铁道工程研究。

［中图分类号］ U415.13 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）23-0013-04 ［收稿日期］ 2023-07-19

一、建设背景

21世纪铁道工程持续向前发展，铁路运营里程日益新增，逐步打通了与国内外一些偏远地区的联系［1］。但随之而来的是工程环境的复杂化，险恶的地质条件、极端的自然条件等使得工程相关问题的研究必须迈上新台阶［2-3］。因此，在培养铁道工程专业硕士研究生过程中，学校要致力于采用新型的教学方式，培养新时代下铁道工程专业紧缺的创新型人才［4］。

二、案例库教学

案例库作为一种特别的教学方式，因为具有目的明确、综合性强以及实践性突出等特点被国内外高校广泛采用［5-7］。通过对库中案例的多方位学习和研究，学生对于实际问题有更清楚的认知，有利于后续专业问题的解决。

当前关于铁道工程专业的教学大多是基于理论层面的［8-9］，特别是针对复杂环境引发的工程问题研究，必须结合真实复杂环境铁道工程案例进行分析讲解。因此，针对现阶段相关复杂环境铁道工程案例库的评估建设对于研究生教学具有重要意义。

三、存在不足与发展要求

（一）缺乏时效性

随着国家经济实力的提升，铁路选线和轨道设计的理念已经转变，这使得工程环境更加复杂，而当前一些案例库采用的案例对于了解并解决诸多复杂环境引发的工程问题无较多参考价值［10-11］。

（二）实用性不高

当下教学培养过程中，针对复杂环境下的相关问题，既有的教学案例没有具体的实例分析和相关细节、方案的讨论安排，造成铁道工程专业研究生理论知识较深，但实践能力不足。

（三）表现形式单一

传统教学通常采用文字和图片来进行讲解，难以表达铁路线路结构与复杂环境之间的相互作用关系。案例库的建设能够有效帮助学生理解专业知识、激发创新思维进而有助于解决复杂问题。

四、案例库建设——以中南大学铁道工程专业为例

（一）建设背景与条件保障

铁道工程专业一直以来都是中南大学土木工程学院研究生培养的传统优势方向［12］。自1956年开始，中南大学在铁路专业领域取得了令人瞩目的成绩，研发技术也在各铁路项目得到了推广应用，为复杂环境铁道工程案例库的建设奠定了良好的基础。

（二）复杂环境铁道工程案例库建设思路与目标

为弥补现有铁道工程专业短板，提高专业教育效率，最大限度调动学生积极性，激发学生创新思维，提出如图1所示的复杂环境案例库建设思路。

1.确定案例内容。通过阅读文献、与行业内专家沟通交流等了解研究重难点，和相关企业交流沟通，对推荐的经典案例实地查看，多方联合确定可以纳入案例库的工程实例。

2.案例分解。教学老师根据各自研究领域确定案例重点教学内容，编制相应的案例正文和使用说明书。为确保教学效果，根据案例内容分解设计案例教学目标和进度，明确每一阶段要掌握的知识和要实现的教学目标。

3.投入使用。组织教学经验丰富的教师团队审查每个案例教学设计，重点针对工程资料的利用率、教学设计可操作性和教学目标实现程度展开审查，通过后方可投入使用。

（三）案例库内容

通过专家建议和校企沟通等方式最终确定复杂环境铁道工程专业案例库中主要包含十个研究方向的典型案例。

1.采取多元化的表现形式。城市轨道交通枢纽智能化建设理念及应用案例，以长沙南站智能化应用为例，提出将基于信息服务平台的智能化手段应用于城市轨道交通枢纽（见图2），引导学生理解互联网、数据挖掘等技术支撑的新型交通规划建设问题。

山区铁路数字智能选线技术案例（见图2），依托川藏铁路选线设计及方案比选，引出山区铁路选线的难点和对策解析，结合三维可视化的形式让学生形象直观地认知铁路选线设计的地理环境、空间线位、结构物布设及线路方案等。

上述两个案例可以采用视频操作及三维可视化等多种学习形式进行教学，通过多元化的表现方式加强学生对于智能化枢纽与数字选线的认识，大大丰富了案例库教学的表现形式。

2.普及实用性。如图3所示，绿色选线与减振降噪控制案例依托赣深高速铁路项目，结合声屏障等实际噪声处理手段让学生直观地认知绿色铁路设计的线路选择、噪声预测及噪声处理等内容；轨道不平顺特征、评估及控制案例依托京沪高速铁路，利用时域统计、频域功率谱和时频分析等方法对高速铁路无砟轨道平顺性状态进行分析，评判不良区段，识别超限病害；高速铁路基础设施智能监测案例，依托多条已运营高速铁路项目，提出图像识别和机器学习算法应用于轨道结构检测，引导学生深入理解高速铁路智能监测和信息提取的关键问题。上述三个案例主要针对现有案例库实用性不强的特点，通过对当前铁道工程面临的实际问题，可以鼓励学生采用简单的算法编程等手段进行实际学习，并与实际工程做对比，引导学生深入了解原理和分析原因。

3.贴合热点问题。车线桥耦合动力分析案例，依托川藏铁路轨道桥梁结构设计中的问题，针对山区铁路车辆—轨道—桥梁动力相互作用问题，应用数值模拟的方法来研究山区铁路行车条件下轨道及桥梁结构的动力特性，引导学生理解车线桥耦合动力学的基本理论和研究方法。

极端条件轨道结构防灾减灾案例，依托赣州赣江特大桥，针对大跨度桥上铺设无砟轨道可能出现的曲率过大、轨道维修困难等问题，开展无砟轨道耐久性分析。引导学生理解无砟轨道结构原理与设计、运维方法，结合工程实例，锻炼学生的实践与数值分析能力。

寒区无砟轨道结构典型病害及其影响评价案例，依托哈大铁路，通过介绍寒区运营铁路出现的病害问题，引出寒区铁路运营的难点，结合现场调研结果、试验测试与数值分析，引导学生理解轨道结构耐久性的基础理论，掌握影响寒区轨道结构耐久性的关键问题。

路基变形条件下轨道结构安全性评估案例，依托武广、京沪等高速铁路路基段，研究路基任意变形条件下，高速板式无砟轨道结构的静态协同几何映射问题。基于车辆—轨道—路基耦合技术，开展轨道结构变形分析，引导学生深入理解轨道几何形位等基本概念。

高速铁路无砟轨道形变及稳定性评估案例，依托京沪高铁高温季节发生大范围轨道板上拱病害，采用挠曲变形方程，建立长钢轨失稳分析模型和轨道板上拱变形力学模型，使学生明晰轨道板上拱和钢轨碎弯形成与发展机理，从而掌握相关参数的合理取值及影响规律。

上述案例库包含的十个案例并非仅针对一个薄弱点进行提高，以山区铁路数字智能选线为例，其明显的特征是学生可以利用三维可视化的手段充分感受选线所经过的复杂地段特征，同时聚焦于当前选线设计技术智能化水平不高的特点，旨在推动复杂山区智能化选线，最后，学生在老师引导下实现部分地段选线设计，提高了案例的可操作性。因此，案例内容综合性强，对比之前案例库设计进行了综合性设计。

综上，所设计的案例内容依托工程实例，针对复杂环境下铁道工程专业细分方向的重难点问题开展教学，通过由浅入深的设计让学生对相应的概念有基本的了解，对相应的机理有更加专业的认识，对于培养新时代铁道工程研究生具有指导意义。

（四）案例库教学设计

针对上述案例库建设，进行相应的教学设计。教学过程中秉持基本宗旨，注重学生创新能力的提升。前期阶段按照硕士研究生阶段适用的学习方式进行引入，启发学生主动思考，并鼓励有能力、有兴趣的同学进一步针对案例内容进行更深层次的学习研究，培养有创新思维和实践能力的新时代铁道工程建设人才。

后续通过教学反馈及时发现问题并修正，并确保案例库时效性，做到定时更新。其次针对案例库适用对象，要拓宽案例适用范围，可考虑纳入本科生教学。最后针对案例库推广，与国内外相关专业学校进行交流，打造可供相关领域学生学习的重要基础素材库。

结语

本文依据铁道工程专业性质，分析当前阶段实际工程中面临的复杂环境下的各种工程问题与教学存在脱钩问题，亟须开展复杂环境铁道工程案例库建设。以中南大学铁道工程硕士研究生案例库建设为例，提出了复杂环境铁道工程专业案例库建设思路，展示了库中10个案例内容，弥补了之前案例库的不足，最后进行了相应案例的教学设计流程分析，以期为全国铁道工程专业乃至土木工程、交通运输工程学生提供学习素材。

参考文献

［1］周彤.基于我国铁道工程的标准化人才培养模式研究［C］//中国标准化协会.第十八届中国标准化论坛论文集.中国学术期刊，2021：12.

［2］赵虎.高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道高温变形及损伤机理研究［J］.铁道标准设计，2017，61（9）：46-50.

［3］韩铠屹，罗承平，刘源.寒冷地区铁路客运专线路基温度场数值模拟［J］.武汉大学学报（工学版），2015，48（2）：207-211.

［4］汪优，贾茹雪.铁道工程专业研究生教育分类培养研究［J］.长沙大学学报，2021，35（2）：95-99.

［5］周君华，宫照玮.案例、案例库、案例教学再认识［J］.中国成人教育，2021（2）：37-40.

［6］陶海军，张国澎，郑征，等.专业学位研究生课程教学案例库建设探讨［J］.教育教学论坛，2020（18）：324-325.

［7］李建龙，卢亚宾，邵友培，等.案例库建设在研究生教学中的应用［J］.教育教学论坛，2019（50）：190.

［8］时瑾，白雁，王英杰，等.铁道工程专业铁路线路毕业设计的实践与探索［J］.高等建筑教育，2016，25（4）：158-161.

［9］傅梅珍，梁玉雄，冯青松，等.铁道工程专业本科层次职业教育教学机制探讨［J］.教育教学论坛，2022（2）：25-28.

［10］黄华平.国民政府铁道部研究［D］.苏州：苏州大学，2010.

［11］鲁可.近（跨）断层环境铁路桥梁—土—桩基系统地震响应分析［D］.扬州：扬州大学，2020.

［12］王卫东，谢友均，娄平，等.轨道交通行业工程类人才培养探索与实践［J］.高等建筑教育，2018（6）：36-43.

Construction and Practice of Railway Engineering Case Base in Complex Environment： Case Library Construction for Master’s Degree in Railway Engineering

WANG You， MA Yue

（School of Civil Engineering， Central South University， Changsha， Hunan 410075， China）