虛擬現實技術及其在鐵路教育培訓中的應用

孫 煜 上海鐵路局上海動車客車段

為適應高鐵時代高素質職工隊伍的要求，必須加快操作技能人才的培養，特別是一線職工的實際動手能力和解決實際問題的能力培養。虛擬現實技術可以虛擬出真實環境中難以實現的環境，可以使職工“真刀真槍”地參加生產實踐，從而在由計算機與網絡生成的模擬現實環境中直接得到技能訓練。

1 虛擬現實技術的基本概念

1.1 虛擬現實的定義

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR技術)是利用計算機生成一種具有逼真視、聽、觸、力覺等的綜合可感知的模擬現實的環境。學習者可以與這一虛擬的現實環境進行直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環境及事物的內在變化，并能與之發生交互，交互作用的結果與學習者在相應的真實環境中所體驗的結果相同或相似。

1.2 虛擬現實的特點與重要意義

VR是發展到一定水平上的計算機技術與思維科學相結合的產物，它的出現為人類認識世界開辟了一條新途徑。VR的最大特點是：用戶可以用自然方式與虛擬環境進行交互操作，改變了過去人類除了親身經歷，就只能間接了解環境的模式，從而有效地擴展了自己的認知手段和領域。近年來，隨著計算機硬件軟件技術的發展以及人們越來越認識到它的重要作用，VR技術在各行各業都得到了不同程度的發展，并且越來越顯示出廣闊的應用前景。

2 虛擬現實技術在教育培訓中的應用

VR應用于教育培訓，既是VR自身的發展的要求，也是教育培訓發展的需要。隨著計算機技術的發展，教育培訓的趨勢將發生質的變化，因為虛擬教育培訓環境擁有現實教育培訓環境無可比擬的優勢。教育培訓借助于虛擬現實技術支持下的創景教育，不僅僅是為教育培訓提供了一種全新的、前所未有的模式，而且將對遠程教育乃至整個人類教育在思想觀念上產生根本性革命。

2.1 設備維修中的應用

VR技術比較適合于機械專業的維修訓練，由于鐵路的許多系統涉及到機械設備，所以虛擬維修訓練仿真系統是鐵路的一個重要應用方向，目的是通過采用計算機仿真和虛擬現實技術在計算機上真實展現設備的維修過程，增強設備壽命周期各階段關于維修的各種決策能力，包括維修分析、演示驗證、過程核查、訓練實施等；虛擬維修還可以通過仿真操作過程，統計維修作業的時間、維修工種的配置、維修工具的選擇、設備部件拆卸組裝的順序、維修作業所需的空間、預計維修費用等；在設備維修之前，進行維修預演和仿真，可突破設備維修在空間和時間上的限制，可以實現逼真的設備拆裝、故障維修等操作，提取生產設備的已有資料、狀態數據，檢驗設備性能。這種在虛擬環境下從事設備維修的優勢具體體現在以下幾個方面。

2.1.1 抽象理論有形化

利用多媒體技術，將鐵路各專業理論知識文本轉化成用三維圖形顯示，利用互動式動畫、聲音使現場場景重現，利用現場攝制的視頻使操作規程有形化等。例如：在設備維修培訓中運用三維仿真技術，就可以更加形象和直觀地實現設備外觀展示、設備的結構展示以及設備的原理演示等，從而使培訓系統中最令職工難以接受的內容變得非常直觀易學，另外職工還可以對設備任意地旋轉、放縮或者是平移，實現了從任何角度和方向觀察模型，從而避免文字的枯燥，提高了學習的趣味性、可見性、互動性。

2.1.2 多種專業設備維修技能實戰化

設備維修3D虛擬仿真技術，能夠360°展示設備等事物的每個方向，以及隨意縮放視距方便展示事物的每個細節。除了能夠完美地展示事物的外觀、內在，還可以演示工作原理、設備結構展示、設備安裝指導、設備檢修作業指導、操作注意事項、操作說明書，可反復練習設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 設備內部構成剖面化

由于鐵路設備內部結構較復雜，受訓人員無法通過肉眼直觀地觀察到設備內部結構，尤其運行過程、運行情況及運行狀態無法了解。而通過虛擬仿真技術，可以把各種設備內部各種構件直觀、逼真、形象地表現出來。虛擬仿真技術把內部結構、運行情況通過互動式動畫形象地表達出來，達到內部構成剖面化，從而解決了傳統的教學方法很難向學員展示機械裝置的運行過程、狀態和內部原理的難題。為學員提供全面的考察、操縱乃至維修的模擬訓練機會，使培訓得到事半功倍的效果。通過設備內部構成剖面化，支持維修訓練與維修的實施，有效降低維修訓練費用，提高維修的準確性與效率。

2.1.4隱性部件可視化

由于設備內部構造的復雜性，很多零部件無法在剖面圖中展示。利用虛擬現實仿真技術，可以制作單元三維素材。當鼠標點擊設備外殼時，設備外部逐漸透明，與此同時，內部構件逐漸清晰。點擊局部隱性部件，還可以使隱性部件放大，使該隱性部件的結構、在工作過程中的運行狀態以及運行原理得到充分的展示，從而使受訓人員在學習過程中，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，真正達到了可視化。

2.1.5工藝流程系統化

工藝流程簡介主要是以文字以及三維結構示意簡圖的形式向學員介紹有關的基礎性知識；如：轉向架軸箱彈簧檢修作業包括工藝流程、施工工藝、環保安全要求、設備和工藝裝備、軸箱彈簧檢修工藝危害等內容。通過工藝流程系統化的描述VR化，使受訓人員在學習時，不但能夠系統地學習軸箱彈簧檢修作業路徑，還能學習各種設備操作以及安全注意事項等。

以上提到的應用，僅是虛擬現實技術在鐵路上能夠運用的極小一部分應用。事實上虛擬現實技術是模擬客觀世界已知的客觀規律，并利用這些客觀規律進行現實運輸生產中可以進行或無法進行的試驗，從而獲得更好的應用方案，節約資金和時間，并規避風險。利用虛擬現實技術對鐵路運輸生產進行虛擬仿真培訓，能夠使決策更加具有數據支持，從而具有更強的科學性，將會對鐵路運輸生產起到極大的促進作用。

關于模塊化教學課題，目前鐵路局現在進行的模塊化教學和運用虛擬現實技術應用于我們鐵路教育培訓并不矛盾，模塊化教學的某些系統也運用了虛擬現實技術，如：高鐵動車組模擬駕駛和仿真故障處理系統、動車組機械師模擬檢修系統和模塊化教學培訓考試系統、CRH2轉向架3級修模擬仿真培訓系統等。虛擬現實系統按交互程度和沉浸程度的不同可分為桌面式、沉浸式、增強式和分布式等四類。其中桌面式的虛擬現實技術非常簡單，需要投入的成本也不高，而且在教育領域內可應用的范圍很廣，而沉浸式VR系統具有高度的實時性能和沉浸感，但它的成本較高。而我們的模塊化教學的某些系統正是運用了虛擬現實系統的桌面式虛擬現實系統。

3 結論

為確保高鐵運營持續安全穩定，虛擬現實技術在設備的維修、動車檢修質量、有效的安全管理和安全教育培訓、職工操作技能培訓等方面有著廣闊的應用前景。