虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在鐵路教育培訓(xùn)中的應(yīng)用

孫 煜 上海鐵路局上海動(dòng)車客車段

為適應(yīng)高鐵時(shí)代高素質(zhì)職工隊(duì)伍的要求，必須加快操作技能人才的培養(yǎng)，特別是一線職工的實(shí)際動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以虛擬出真實(shí)環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)的環(huán)境，可以使職工“真刀真槍”地參加生產(chǎn)實(shí)踐，從而在由計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)生成的模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中直接得到技能訓(xùn)練。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的定義

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR技術(shù))是利用計(jì)算機(jī)生成一種具有逼真視、聽、觸、力覺等的綜合可感知的模擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境。學(xué)習(xí)者可以與這一虛擬的現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行直接觀察、操作、觸摸、檢測(cè)周圍環(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生交互，交互作用的結(jié)果與學(xué)習(xí)者在相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中所體驗(yàn)的結(jié)果相同或相似。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)與重要意義

VR是發(fā)展到一定水平上的計(jì)算機(jī)技術(shù)與思維科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)為人類認(rèn)識(shí)世界開辟了一條新途徑。VR的最大特點(diǎn)是：用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互操作，改變了過去人類除了親身經(jīng)歷，就只能間接了解環(huán)境的模式，從而有效地?cái)U(kuò)展了自己的認(rèn)知手段和領(lǐng)域。近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件軟件技術(shù)的發(fā)展以及人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到它的重要作用，VR技術(shù)在各行各業(yè)都得到了不同程度的發(fā)展，并且越來越顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)中的應(yīng)用

VR應(yīng)用于教育培訓(xùn)，既是VR自身的發(fā)展的要求，也是教育培訓(xùn)發(fā)展的需要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，教育培訓(xùn)的趨勢(shì)將發(fā)生質(zhì)的變化，因?yàn)樘摂M教育培訓(xùn)環(huán)境擁有現(xiàn)實(shí)教育培訓(xùn)環(huán)境無可比擬的優(yōu)勢(shì)。教育培訓(xùn)借助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下的創(chuàng)景教育，不僅僅是為教育培訓(xùn)提供了一種全新的、前所未有的模式，而且將對(duì)遠(yuǎn)程教育乃至整個(gè)人類教育在思想觀念上產(chǎn)生根本性革命。

2.1 設(shè)備維修中的應(yīng)用

VR技術(shù)比較適合于機(jī)械專業(yè)的維修訓(xùn)練，由于鐵路的許多系統(tǒng)涉及到機(jī)械設(shè)備，所以虛擬維修訓(xùn)練仿真系統(tǒng)是鐵路的一個(gè)重要應(yīng)用方向，目的是通過采用計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)上真實(shí)展現(xiàn)設(shè)備的維修過程，增強(qiáng)設(shè)備壽命周期各階段關(guān)于維修的各種決策能力，包括維修分析、演示驗(yàn)證、過程核查、訓(xùn)練實(shí)施等；虛擬維修還可以通過仿真操作過程，統(tǒng)計(jì)維修作業(yè)的時(shí)間、維修工種的配置、維修工具的選擇、設(shè)備部件拆卸組裝的順序、維修作業(yè)所需的空間、預(yù)計(jì)維修費(fèi)用等；在設(shè)備維修之前，進(jìn)行維修預(yù)演和仿真，可突破設(shè)備維修在空間和時(shí)間上的限制，可以實(shí)現(xiàn)逼真的設(shè)備拆裝、故障維修等操作，提取生產(chǎn)設(shè)備的已有資料、狀態(tài)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)設(shè)備性能。這種在虛擬環(huán)境下從事設(shè)備維修的優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1.1 抽象理論有形化

利用多媒體技術(shù)，將鐵路各專業(yè)理論知識(shí)文本轉(zhuǎn)化成用三維圖形顯示，利用互動(dòng)式動(dòng)畫、聲音使現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景重現(xiàn)，利用現(xiàn)場(chǎng)攝制的視頻使操作規(guī)程有形化等。例如：在設(shè)備維修培訓(xùn)中運(yùn)用三維仿真技術(shù)，就可以更加形象和直觀地實(shí)現(xiàn)設(shè)備外觀展示、設(shè)備的結(jié)構(gòu)展示以及設(shè)備的原理演示等，從而使培訓(xùn)系統(tǒng)中最令職工難以接受的內(nèi)容變得非常直觀易學(xué)，另外職工還可以對(duì)設(shè)備任意地旋轉(zhuǎn)、放縮或者是平移，實(shí)現(xiàn)了從任何角度和方向觀察模型，從而避免文字的枯燥，提高了學(xué)習(xí)的趣味性、可見性、互動(dòng)性。

2.1.2 多種專業(yè)設(shè)備維修技能實(shí)戰(zhàn)化

設(shè)備維修3D虛擬仿真技術(shù)，能夠360°展示設(shè)備等事物的每個(gè)方向，以及隨意縮放視距方便展示事物的每個(gè)細(xì)節(jié)。除了能夠完美地展示事物的外觀、內(nèi)在，還可以演示工作原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)展示、設(shè)備安裝指導(dǎo)、設(shè)備檢修作業(yè)指導(dǎo)、操作注意事項(xiàng)、操作說明書，可反復(fù)練習(xí)設(shè)備各部件的拆卸及組裝等功能而不影響行車安全甚至造成事故。

2.1.3 設(shè)備內(nèi)部構(gòu)成剖面化

由于鐵路設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，受訓(xùn)人員無法通過肉眼直觀地觀察到設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其運(yùn)行過程、運(yùn)行情況及運(yùn)行狀態(tài)無法了解。而通過虛擬仿真技術(shù)，可以把各種設(shè)備內(nèi)部各種構(gòu)件直觀、逼真、形象地表現(xiàn)出來。虛擬仿真技術(shù)把內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)行情況通過互動(dòng)式動(dòng)畫形象地表達(dá)出來，達(dá)到內(nèi)部構(gòu)成剖面化，從而解決了傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難向?qū)W員展示機(jī)械裝置的運(yùn)行過程、狀態(tài)和內(nèi)部原理的難題。為學(xué)員提供全面的考察、操縱乃至維修的模擬訓(xùn)練機(jī)會(huì)，使培訓(xùn)得到事半功倍的效果。通過設(shè)備內(nèi)部構(gòu)成剖面化，支持維修訓(xùn)練與維修的實(shí)施，有效降低維修訓(xùn)練費(fèi)用，提高維修的準(zhǔn)確性與效率。

2.1.4隱性部件可視化

由于設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造的復(fù)雜性，很多零部件無法在剖面圖中展示。利用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，可以制作單元三維素材。當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊設(shè)備外殼時(shí)，設(shè)備外部逐漸透明，與此同時(shí)，內(nèi)部構(gòu)件逐漸清晰。點(diǎn)擊局部隱性部件，還可以使隱性部件放大，使該隱性部件的結(jié)構(gòu)、在工作過程中的運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行原理得到充分的展示，從而使受訓(xùn)人員在學(xué)習(xí)過程中，一些無法展示的小部件通過單元三維素材可以得到充分的展示，真正達(dá)到了可視化。

2.1.5工藝流程系統(tǒng)化

工藝流程簡(jiǎn)介主要是以文字以及三維結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖的形式向?qū)W員介紹有關(guān)的基礎(chǔ)性知識(shí)；如：轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧檢修作業(yè)包括工藝流程、施工工藝、環(huán)保安全要求、設(shè)備和工藝裝備、軸箱彈簧檢修工藝危害等內(nèi)容。通過工藝流程系統(tǒng)化的描述VR化，使受訓(xùn)人員在學(xué)習(xí)時(shí)，不但能夠系統(tǒng)地學(xué)習(xí)軸箱彈簧檢修作業(yè)路徑，還能學(xué)習(xí)各種設(shè)備操作以及安全注意事項(xiàng)等。

以上提到的應(yīng)用，僅是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在鐵路上能夠運(yùn)用的極小一部分應(yīng)用。事實(shí)上虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是模擬客觀世界已知的客觀規(guī)律，并利用這些客觀規(guī)律進(jìn)行現(xiàn)實(shí)運(yùn)輸生產(chǎn)中可以進(jìn)行或無法進(jìn)行的試驗(yàn)，從而獲得更好的應(yīng)用方案，節(jié)約資金和時(shí)間，并規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)進(jìn)行虛擬仿真培訓(xùn)，能夠使決策更加具有數(shù)據(jù)支持，從而具有更強(qiáng)的科學(xué)性，將會(huì)對(duì)鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)起到極大的促進(jìn)作用。

關(guān)于模塊化教學(xué)課題，目前鐵路局現(xiàn)在進(jìn)行的模塊化教學(xué)和運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于我們鐵路教育培訓(xùn)并不矛盾，模塊化教學(xué)的某些系統(tǒng)也運(yùn)用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，如：高鐵動(dòng)車組模擬駕駛和仿真故障處理系統(tǒng)、動(dòng)車組機(jī)械師模擬檢修系統(tǒng)和模塊化教學(xué)培訓(xùn)考試系統(tǒng)、CRH2轉(zhuǎn)向架3級(jí)修模擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)等。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)按交互程度和沉浸程度的不同可分為桌面式、沉浸式、增強(qiáng)式和分布式等四類。其中桌面式的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)非常簡(jiǎn)單，需要投入的成本也不高，而且在教育領(lǐng)域內(nèi)可應(yīng)用的范圍很廣，而沉浸式VR系統(tǒng)具有高度的實(shí)時(shí)性能和沉浸感，但它的成本較高。而我們的模塊化教學(xué)的某些系統(tǒng)正是運(yùn)用了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

3 結(jié)論

為確保高鐵運(yùn)營(yíng)持續(xù)安全穩(wěn)定，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)備的維修、動(dòng)車檢修質(zhì)量、有效的安全管理和安全教育培訓(xùn)、職工操作技能培訓(xùn)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。