VR技術在鐵道工程認識實習中的應用研究*

沈宇鵬 ，蔡小培 ，時 瑾 ，陳 曦

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.北京交通大學 土木工程國家級實驗教學示范中心，北京 100044）

一、引言

實習環節是學生實現理論聯系實踐的重要過程，也是使學生能夠充分理解課堂所無法掌握的具體內容的重要手段之一。北京交通大學鐵道工程專業學生的認識實習安排在一年級結束后的小學期，由于在這一階段如《鐵道工程概論》等專業課程還沒有開展，學生的認知狀態局限于個人對鐵道工程知識的認識，沒有形成鐵道工程系統的專業思維。

通過認識實習，使學生能夠理論聯系實際，將書本知識與現場實際運用相結合，勤于對現場進行調查、研究，培養學生分析問題和解決問題的能力；具有工程技術人員的基本素質，為從事道路、鐵路和城市軌道交通設計、施工和管理等方面的工作打下良好的專業基礎，培養學生認真嚴謹、團隊合作和吃苦耐勞的精神[1]。同時，由于學生的第一印象會對后期的認識和學習過程起很大的決定性作用，因此良好的認識實習過程也可以進一步提高鐵道工程專業學生學習的積極性。

為了讓學生理解鐵道工程的系統知識，以及考慮了各方面的綜合條件，筆者選擇了京張鐵路青龍橋車站作為實習地點，該實習地點涉及到鐵路線路、軌道和路基結構等方面的知識，能讓學生全面理解鐵道工程的作業過程，同時能讓學生了解實習線路的自然條件、運量及主要技術標準，理解軌道結構的組成、施工方法和養護維修技術，理解路基、支擋構筑物及其附屬工程的結構形式、工程材料與施工方法，理解路面的結構形式、材料和施工過程，了解鐵路與軌道交通工程其他線下構筑物（橋、隧、涵等）的結構形式及施工方法。但在實習過程中，如果僅僅是通過教師的講解來進行，整個實習將會比較單一枯燥，導致學生的積極性不高，因此，可以引進VR（Virtual Reality）技術讓學生直觀地理解各個結構組成。

本文通過闡述VR技術優點及發展歷程，結合青龍橋車站的線路和結構特點，探討利用VR技術應用于認識實習教學環節中的可行性。

二、VR技術的優點及發展歷程

VR技術是可將現實世界和虛擬世界進行連接的接口設備，其主要通過利用計算機的圖形系統來使VR設備的使用者身臨其境，給使用者提供視覺、聽覺甚至觸覺的感官模擬，是一種先進的仿真模擬技術[2]。

1.VR技術的優點

交互性、沉浸性和想象性是VR技術的三大特性，同時也是其所具有的三大優勢。

VR技術的交互性是通過傳感設備來實現的，通過傳感設備，使用者可以在虛擬環境中體驗感官模擬，例如當使用者去觸碰虛擬環境中的物品時會有真實的觸覺，甚至可以感受到物品的具體輪廓；由于VR技術是通過計算機的三維立體圖形系統來為使用者創造虛擬環境的，因此使用者在體驗VR產品時會如同置身于真實的客觀世界中一樣，這即是VR技術沉浸性的體現；VR技術的想象性體現在使用者體驗VR產品時不僅可以提高其理性的認識，而且可以提高其感性的認識，從而可以激發使用者的新聯想，鍛煉使用者的創造性思維[3]。

2.VR技術的發展歷程

VR技術的發展歷程主要分為三個階段，分別是初創階段、技術積累階段及技術推廣階段（見圖1）。VR技術最早起源于1960年，由于科技水平及技術的限制，初創階段的VR設備大都體積龐大；VR技術的技術積累階段是在1980年至1990年間，此時計算機技術已經取得了很大的進步，同時顯示技術也有了提升，推動了VR眼鏡和VR頭盔等便捷化設備的產生，提高了使用者的體驗性；從2013年至今是VR技術的推廣階段，由于計算機3D建模能力的提升、顯示器分辨率的提高等各方面科技的進步，使VR設備逐漸趨于便捷化、精細化和輕量化，且VR技術已經在各行各業有了廣泛的應用。

圖1 VR技術的發展過程

三、鐵道認識實習的VR應用

鐵道工程是一個組成復雜、涉及多個專業且技術性要求較強的專業，由于參加認識實習的學生專業知識基礎比較薄弱，且知識層次不同，在教學實踐過程中學生對鐵路基本知識的興趣點不高，導致其對知識的掌握程度會有所區別。為解決這一問題，并提高學生在實習過程中的參與度及積極性，引進VR技術無疑是一個很好的選擇。

首先，VR技術的封閉式顯示方式能減少外部環境對觀影體驗的影響，主要是排除了外部光線、嘈雜的聲音等的影響，使得VR產品使用者能更好地代入到虛擬環境中去，營造更深入的沉浸式體驗；其次，VR技術具有的仿真程度相比其他多媒體技術要高得多，3D環繞式立體影像為使用者提供了更加真實的體驗；再次，當VR技術應用于教學時，可以為使用者提供更多的觀察角度，且還可以在VR產品中增加一些有趣的項目，增添教學過程的趣味性；最后，VR技術還具有針對性和可操作性，在實踐教學中，針對學生所要掌握的知識點可以設置相應的操作項目，使學生能進行針對性的學習，且由于在應用VR產品時操作較為簡單，即使設置一些在現實中難以操作的項目，學生也都能進行操作，因此VR技術具有較強的可操作性。

綜上所述，把VR技術應用于鐵道認識實習中，首先，這一種創新的教學手段會引起學生學習的興趣，提高學生學習的積極性；其次，VR具備360度全景畫面，學生在體驗過程中可以身臨其境，通過聲音、全面影響感受氣氛和氛圍，使學生的代入感和參與度更強；最后，VR技術的高維度表現會讓學生接收到的信息更多，使掌握知識程度不同的學生都可快速接收到新的知識點。

四、案例分析

1.青龍橋車站的特點

京張鐵路連接北京豐臺，經居庸關、沙城、宣化至河北張家口，全長約201.2千米，是中國首條由中國人自行完成并投入營運的、不使用外國資金及人員的鐵路，于1909年建成[4]。此路“中隔高山峻嶺，石工最多，又有7000余尺橋梁，路險工艱為他處所末有”，特別是“居庸關、八達嶺，層巒疊嶂、石峭彎多，遍考各省已修之路，以此為最難，即泰西諸書，亦視此等工程至為艱巨”，“由南口至八達嶺，高低相距一百八十丈，每四十尺即須墊高一尺。”由于工況復雜且當時中國的建造技術較為落后，因此自行修建鐵路一事遭到了外界的質疑，在這種惡劣的背景條件下，詹天佑勇敢地挑起了擔任總工程師的重擔。經過勘察必選，最終選定的線路是由西直門經沙河、南口、居庸關、八達嶺、懷來、雞鳴驛、宣化至張家口。

圖2 VR視頻中京張鐵路示意圖

京張鐵路的關鍵技術體現在青龍橋車站所處的鐵路線路上。由于當時的設備及施工技術具有局限性，在鐵路線路修建到青龍橋車站一段時遇到了兩大技術難點：地勢陡險，線路坡度大；八達嶺隧道過長導致施工難度大且計劃施工時間過長。為解決這兩個技術難題，針對線路坡度大的問題，詹天佑為了使當時牽引能力較小的列車能夠順利通過，設計了“之”字形線路，以減小這一路段線路的坡度及列車上坡的阻力（見圖2）。而針對八達嶺隧道的施工難題，詹天佑開創了一種新的施工方法，在隧道的中間開鑿豎井，然后在隧道口兩端同時開鑿，順利解決了施工難題。這兩項工程不僅是京張鐵路修建過程的關鍵工程，同時也是鐵道工程歷史上極具創造性的兩項工程。

京張鐵路投入運營后，青龍橋車站每天需接送幾十對列車，這是由于線路上的列車在經過“之”字形線路時，均需在青龍橋站做技術停靠。為避開京張鐵路青龍橋段的大坡道，國家在解放后修建了豐沙線鐵路，也因此分流了大部分本通過青龍橋段的列車。且隨著列車的提速和加大編組，近年來從北京西客站開出的列車都改走豐沙線。青龍橋車站全年的客流從上世紀80年代初運營時期的10多萬人減少到如今只有幾千人。但由北京前往包頭、呼和浩特等方向的列車和由北京前往莫斯科的國際列車仍然需要在青龍橋站做技術停靠，因此“之”字形線路如今仍在使用中。

青龍橋車站所涵蓋的知識體系多，包括線路線形方面的知識：“之”字形線路和曲線線路等；關于道岔方面的知識：單開道岔的組成、道岔的分類、道岔轍岔號以及道岔型號的選擇等；關于車站作業方面的知識；路基方面的知識：路基邊坡、邊坡防護、路基防排水設計等。因此在實習過程中可讓學生系統全面地了解鐵道工程專業知識。

2.青龍橋的實現過程

結合鐵道工程專業知識和青龍橋車站的地理特點及歷史背景，通過數據獲取、三維虛擬環境建模、實時三維圖形生成技術與立體顯示和傳感器技術，制作出了科學且有趣的VR產品。青龍橋車站認識實習VR產品主要實現了以下幾個過程：

（1）“之”字形線路的展示及歷史背景介紹。為了解決京張鐵路在青龍橋車站一段的坡度問題，詹天佑巧妙地利用了八達嶺地區的自然地形，設計出了“之”字形鐵路，解決了修建京張鐵路的一大技術難題。通過VR技術，學生可以通過多角度來觀察“之”字形鐵路，能夠對“之”字形鐵路有更為形象的理解。

（2）道岔工作過程的展示。鐵路道岔由轉轍器、轍叉及護軌、連接部分三個部分組成。轉轍器包括轉轍機械、基本軌和尖軌。當列車要換道時，操縱轉轍機械使尖軌移動，使得原本緊貼著基本軌的一側尖軌脫離基本軌，這樣就開通了另一股道，實現了轉換道岔的過程。通過VR技術，學生可模擬推動手動轉轍，在VR視頻中觀察道岔的工作過程（見圖3）。

（3）列車行駛方向的變換。在鐵路行車上，以接近北京方向，稱之為上行，以遠離北京方向稱之為下行。在VR視頻中，學生可以選擇使列車向上行方向行駛或者向下行方向行駛，視頻會模擬列車在不同行駛方向的沿途風景以及線路的變化及道岔的轉換，從而讓學生更形象地理解鐵道作業過程。

圖3 VR視頻中手動轉轍機示意圖

3.應用VR技術的優點

（1）彌補實踐教學條件的不足。VR技術可模擬實習環境，實現模擬效果只需在計算機上搭建虛擬儀器和虛擬實踐平臺。利用VR技術來模擬實習過程的教學成本低，且能達到較好的教學效果，在虛擬世界中可以獲得與實際指導相同的效果，還可實現網絡教學。

（2）可進行操作復雜、危險性大的實踐教學。鐵道工程實踐教學中可能存在著一些操作復雜、危險性大的項目，這些項目在現實生活中難以實現，但是應用VR技術就可以很好地解決這一問題。通過VR技術，學生可以模擬扳動手動轉轍機，體驗手動轉換道岔的過程。同時，在VR產品中，學生還可以實現虛擬駕駛列車的過程，通過簡單的操作即可控制列車行駛方向。

（3）可實現反復的實踐教學。在虛擬現實中可不受限制地反復組織多次教學，且這一過程不受時間和空間的限制，同時，在VR教學中可從多個角度來展現不同時間段的實習內容，實現重復體驗。由于通過VR技術所建立的實習環境是虛擬的，當需要更新成新的實習基地時，只需要在虛擬現實的計算機軟硬件環境中重新生成即可，從而保證實踐教學能跟上課程教學的需要和技術的發展。

五、結束語

理論教學和實踐教學是高校人才培養的兩個重要環節，二者相輔相成。認識實習是學生實現理論聯系實踐的重要過程，通過認識實習，學生能夠更加有效和系統地了解到更多所需掌握的鐵道工程專業的知識，同時，良好的認識實習經歷也會使學生提高學習鐵道工程專業的積極性。通過綜合考慮各方面的條件，選定京張鐵路青龍橋車站作為實習地點，并且為了改革單一的教學模式，引進了VR技術作為新型的教學手段。通過分析VR技術的優點，以及其應用于鐵道工程專業實習中體現出來的優勢，提高學生在學習過程中的代入感和參與度，引起學生的學習興趣，和其可彌補實踐教學條件不足等的特點，認為VR技術應用于認識實習教學環節中是可行的。

VR技術是一項具有深遠的潛在應用方向的新技術。利用“軟件就是實習基地”高效率搭建虛擬現實實踐教學平臺，這種創新實踐教學模式，是鐵道工程實踐課程教學改革的必由之路[5]。