虛擬現實技術在軌道交通車輛相關課程教學中的應用

王海燕　阮久宏　王守鋒

摘要：介紹了虛擬現實技術的概念及其在工業制造中的應用；分析闡述了虛擬現實技術在軌道車輛相關課程教學中的優勢及其在教學實踐中應用所存在的問題，并給出了解決方案。

關鍵詞：軌道交通；虛擬現實技術；應用型人才；培養模式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）14-0259-02

一、虛擬現實技術發展及其在工業制造中的應用

虛擬現實技術VR（Virtual Reality）即三維虛擬現實和虛擬現實仿真又稱為臨境技術，是集計算人機交互技術、機圖形學、傳感技術、人工智能等相關技術于一體，利用計算機生成三維的虛擬信息，使用戶借助技術設備，與虛擬世界進行交互及情景體驗[1]。

虛擬現實更加符合社會發展的需要。美國宇航局Ames實驗室一直是眾多VR技術思想的生成地。Ames 實驗室的研究人員Scott Fisher等人開發了虛擬界面環境工作站完善了頭盔式顯示器，并將VPL的數據手套工程化，增加設備的實用性[2]。波音公司；利用CATIA三維制圖軟件與虛擬現實技術相結合，建立飛機的虛擬結構模型，實現飛機的虛擬組裝和模擬實驗的目的，然后直接進行實際生產加工。Michigan大學VR實驗室對一艘PD337海軍運輸船利用沉浸式虛擬現實技術模擬器生產過程。研究的第一階段為船體建模及校驗，首先用AutoCAD生成船的雙層底模型，然后將CAD模型轉換成虛擬原型，之后利用沉浸式虛擬現實技術進入實物大小的船體模型中以觀察船體特性，發現并糾正在初始的CAD/CAM模型中所存在的問題；第二階段的研究內容主要是船的裝配，通過造船廠標準裝配過程的真實模擬研究裝配的不同階段焊接操作過程和起吊機的運動過程以及其他的程序步驟。沃爾沃公司借助虛擬現實技術設計新型汽車內部的儀表和控制部件的布置。英國Herriot-Watt大學機械與化學工程系，進行虛擬環境中的對象形變研究和沖突檢測研究[3]。

我國虛擬現實技術近年來迅猛發展[4]。清華大學CIMS工程研究中心設有虛擬制造研究室。西安交通大學設有CAD/CAM研究所。2005年3月，上海理工大學宣布成立了虛擬制造技術研究院。北京航空航天大學虛擬現實與多媒體研究實驗室在DVENET上開發了適合坦克用的虛擬仿真器、適合直升機用的虛擬仿真器、用于虛擬戰場環境的觀察器及計算機兵力生成器；成功連接了裝甲兵工程學院設計的坦克仿真器；完成了 DVENET下分布式交互仿真環境下使用的真實地形；并連接了多家單位合力開發的F22，F16，J7及單兵等虛擬仿生器[5]。上海的一家汽車齒輪廠在換檔機構和變速器總成的生產制造過程中采用了虛擬裝配技術。虛擬裝配技術在輕型客車的底盤設計與制造中也有著廣泛的應用[5]。

二、虛擬現實技術在軌道交通機車車輛相關課程教學中的優勢

對于軌道交通運輸生產部門（主要指鐵路和城市軌道交通）來說，學生現場教學必須安全，軌道交通相關專業所需實訓設備種類繁多，現有條件下在學校建立實訓工廠、實訓基地一般是行不通的[4]。講授設備結構原理、工作性能及專有設備的運行、調度、運用、檢修等內容時，通常借助圖片輔助，學生被動接受。虛擬現實技術所特有的直觀性使得理論學習過程容納了實踐活動的直觀特性，可以將實踐教學的符號化信息轉換為學生易于接受的直觀表現形式，避免了原始狀態條件下虛擬思維對象的抽象性，解決了現實建立原型對象所面臨的諸多局限。

虛擬現實技術的關鍵內容主要包括：（1）動態環境的建模技術，它包括實際環境條件下三維數據的獲取方法、非接觸式視覺的建模技術等；（2）實時、限時條件的三維動畫技術，即實時三維圖案的生成技術；（3）立體顯示及傳感技術，包括頭盔式的三維立體顯示器、數據手套、力覺傳感器和觸覺傳感器技術的開發研究；（4）快速、高精的三維跟蹤技術；（5）系統高度集成技術，包括數據的轉換、語音識別技術及語音合成技術等[6]。虛擬現實技術是新的認知工具和知識載體，不僅有助于知識結構重新構建，更有助于學習者心理學上的重新建構[7]。虛擬現實技術在軌道交通車輛相關課程中的應用主要有：

1.復雜零部件的工作原理模擬。采用傳統教學手段介紹空氣制動機的工作原理，學生很難理解三通閥的工作機理。虛擬現實技術能將三維空間的意念清楚地表達出來，使學生直接地與虛擬現實技術所創設的各種虛擬對象進行交互，獲得最大范圍的控制自由度和操作整個環境的靈活性。利用虛擬現實技術呈現的多維信息搭建虛擬的學習環境和實訓環境，有助于學生借助直觀感覺理解復雜的動作原理。借助虛擬現實技術建立的三維空氣制動機模型，利用虛擬現實技術對空氣制動機進行虛擬裝配、剖解、觀看空氣制動機的工作過程，結合教師對原理的講解可激發興趣，提高效率。在虛擬現實技術構建的虛擬環境中，對空氣制動機相關的零部件進行移動、旋轉或縮放操作，可以進一步促進學生完成所學知識的意義建構[8]。

2.零件加工設計模擬。零件加工設計模擬是采用虛擬現實技術借助數字模型代替物理原型進行產品的分析與評價。零件加工設計模擬過程以產品三維設計模型為基礎，以領域知識和虛擬現實等關鍵技術為支撐，采用不同的分析、校驗方法，反復檢驗并逐步改進設計結果。傳統的產品設計開發過程，在設計的前期階段對后期因素考慮不全面，導致設計過程中需要反復改進設計方案，拖延開發的周期。采用產品并行開發的方法，在產品的設計階段就要求盡可能全面地考慮產品質量、產品成本及產品開發時間等后續環節的影響因素，從而減少由于產品開發的后期階段所出現的重大問題的反饋，但是這種方法縮短產品開發周期的作用非常有限[4]。在軌道車輛零部件設計相關的教學中，利用虛擬現實技術，在多媒體計算機上建立虛擬實驗室。學習者可以身臨其境般地體驗設計的零部件在疲勞試驗中的表現，判斷設計是否合理。不消耗器材，也不受場地、環境等外界條件的限制，不會因為操作失誤、零部件的失效而造成不必要的人身事故。

3.部件裝配模擬。零部件的裝配是三維設計系統的一個不可或缺的重要功能，但是，目前的三維設計系統大多只能直接將零部件裝配成為整體設備，而不能模擬各個零部件的裝配過程，將虛擬現實技術引入裝配技術就可以形成零部件的虛擬裝配技術[5]。

轉向架一般由側架（構架）、搖枕、輪對、軸箱裝置、彈簧減振裝置組成，是鐵路車輛走行部的重要組成部分，其結構復雜、類型多樣。單憑圖片、視頻很難掌握各部件的位置關系，透徹理解各部分的作用機理及不同類型轉向架的適用場合。虛擬現實技術包括生產制造、裝配部分以及各個環節信息的綜合。借助虛擬裝配技術以可視化方式展示設計產品的可裝配性，便于學生熟知各部件的安裝位置，更好理解各部分的作用機理。還可以通過對零部件形狀進行改進研究降低裝配的復雜性的方法，簡化連接方式的可行性等，激發學生激情，提高其主動性。

三、虛擬現實技術在課程教學應用中存在的問題及解決方案

軌道車輛零部件→三維模型→虛擬現實，多媒體技術發展需要我們共同參與。但大部分教師沒有思想準備，需要做好培訓工作，盡快更新傳統教育觀念，掌握新的教學設計原理及多媒體的設計、開發與應用等相關基礎技能。

機車車輛制造商不可能為我們提供現有車型零部件的三位模型和詳細尺寸，因此需要以現有機車車輛為模板，根據各部件的外形及安裝尺寸，利用三維軟件繪制簡化的零件圖，構建零件庫。單純利用教研室或者一個系的力量構建并及時更新零件庫比較困難。為建立以現有車型為基礎的、適時更新的機車車輛零部件虛擬仿真模型庫，開設軌道交通車輛課程的相關院所需要建立有效的合作機制，實現零部件庫的共建、共享。吸引學生參加到零件圖的繪制、部件的裝配中。

虛擬現實技術使教師從煩瑣的教學準備中解放出來，但削弱了教師的作用，教師必須提高綜合素質，由知識傳授型向指導型、研究型教師轉化。虛擬現實技術促進了專業教學的內容、方法及手段的變革。但是并不能完全取代現場的實踐教學體系，應將兩者進行有機的結合，開創實踐教學體系的新模式。

參考文獻：

[1]徐媛.增強現實技術的教學應用研究[J].中國遠程教育，2007，（10）：68-70.

[2]張克敏.基于虛擬現實的機器人仿真研究[D].重慶：重慶大學，2012.

[3]吳鳳娟.虛擬現實技術應用狀況[J].科技視界，2015，（7）：104-104.

[4]陸超.虛擬現實技術：解決專業教學與生產安全矛盾的新思路[J].職業教育研究，2010，（5）：150-151.

[5]魏安順，周印，謝叻.虛擬現實技術及其在制造業的應用[J].模具技術，2004，（5）：54-58.

[6]李敏，韓豐.虛擬現實技術綜述[J].軟件導刊，2010，（6）：142-144.

[7]周玉海.先進制造技術中虛擬現實技術的應用與開發研究[J].南方職業教育學刊，2012，2（2）：23-26.

[8]躍明.虛擬現實技術在教育中的應用[M].北京：科學出版社，2007.