虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道交通信號(hào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

孔德龍 王蓉彬 段銳

摘? 要：目前軌道交通類專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在教學(xué)手法相對(duì)單一、實(shí)驗(yàn)效果較差等問題，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過三維建模與場(chǎng)景重現(xiàn)提供了一條可行的解決方案。該文主要闡述基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軌道交通信號(hào)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)思路，著重在實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)過程中的基本思路、主要內(nèi)容、建設(shè)方向等方面進(jìn)行分析說明;對(duì)應(yīng)用型高校軌道交通信號(hào)專業(yè)人才的培養(yǎng)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)? 軌道交通? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 三維建模

中圖分類號(hào)：TP391 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）10（a）-0070-02

Abstract： At present， there are some problems in the experimental teaching process of rail transit specialty courses， such as relatively single teaching methods and poor experimental results. Virtual reality technology provides a feasible solution through three-dimensional modeling and scene reproduction. This paper mainly elaborates the idea of experimental teaching construction of rail transit signal specialty based on virtual reality technology， focusing on the analysis and explanation of the basic ideas， main contents and construction direction in the process of experimental teaching construction， which has certain reference significance for the training of rail transit signal specialists in applied universities.

Key Words： Virtual reality; Rail transit; Experimental Teaching; Three-dimensional Modeling

隨著我們軌道交通行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)軌道交通信號(hào)專業(yè)人才的需求也越來越高。但在軌道交通信號(hào)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在教學(xué)手法單一、實(shí)驗(yàn)效果差等問題[1，2]。由于設(shè)備普遍體積較大、價(jià)格昂貴，因此教學(xué)過程中只能采取圖片、視頻等方式，學(xué)生不能直觀地了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理。加之場(chǎng)地因素，教育資源存在浪費(fèi)的情況，更重要的是，往往針對(duì)一個(gè)軌道交通信號(hào)實(shí)驗(yàn)過程中容易出現(xiàn)零件丟失、損壞，更有甚者容易出現(xiàn)砸傷、碰傷等安全事故，給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來諸多安全問題。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，為軌道交通信號(hào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了一次革新。不僅使學(xué)生能夠交互式的實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)物的聯(lián)系，更好地理解和掌握該專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，而且激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，從而提高軌道交通信號(hào)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教質(zhì)量與效果。

1? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，使用戶沉浸到該環(huán)境中[3]。通過多源信息的重建和融合，在計(jì)算機(jī)中仿真重現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)場(chǎng)景和實(shí)體行為，使用戶在該場(chǎng)景中可交互式的實(shí)現(xiàn)任意操作并得到場(chǎng)景最真實(shí)的反饋。利用交互式設(shè)備將三維虛擬場(chǎng)景實(shí)物化，變成可觀察可觸摸的實(shí)物，從而獲得與真實(shí)場(chǎng)景一致的體驗(yàn)。但由于實(shí)現(xiàn)成本較大、硬件要求較高等問題，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還處在初級(jí)階段。然而隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，硬件處理能力的提高與價(jià)格的下降，使該技術(shù)得發(fā)展也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前該技術(shù)在醫(yī)療、航空、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4]。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育行業(yè)的又一次技術(shù)革命，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的固定模式，不僅能使教學(xué)內(nèi)容更加生動(dòng)、形象，豐富教學(xué)手段，而且能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)理論知識(shí)與實(shí)踐的結(jié)合，提高教學(xué)效果。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空限制，促進(jìn)教學(xué)資源的合理配置。

2? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)思路

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的是為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量并盡可能地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。是為軌道交通信號(hào)專業(yè)人才培養(yǎng)方案中相應(yīng)的課程與實(shí)驗(yàn)服務(wù)的。要求將理論與實(shí)踐相結(jié)合，在提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的前提下，充分提高學(xué)生的實(shí)踐能力水平。因此基于虛擬仿真技術(shù)的軌道交通信號(hào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)基本思路為以下幾點(diǎn)：

（1）滿足現(xiàn)有人才培養(yǎng)方案的需求，并適度增加實(shí)踐課時(shí)比例。實(shí)踐內(nèi)容的建設(shè)應(yīng)以社會(huì)基本需求為導(dǎo)向，同時(shí)考慮不同學(xué)校的性質(zhì)與學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)與實(shí)際需求。

（2）緊密結(jié)合理論知識(shí)，做到在工程實(shí)際場(chǎng)景中分析和說明基本科學(xué)問題。所采用的場(chǎng)景數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型應(yīng)符合實(shí)際情況，滿足一個(gè)或幾個(gè)科學(xué)問題的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)。并通過對(duì)應(yīng)課程資源包建設(shè)與實(shí)驗(yàn)軟硬件設(shè)備的購(gòu)置與升級(jí)，為學(xué)生提供良好的體驗(yàn)感受與實(shí)驗(yàn)條件。

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)具有良好的交互性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是使學(xué)生在理論知識(shí)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上提升實(shí)踐能力，因此基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)突出交互性與操作性，不只停留在演示性實(shí)驗(yàn)層面中。

（4）實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)還應(yīng)滿足一定的科研需求。通過實(shí)際場(chǎng)景的虛擬化與數(shù)字化，滿足部分實(shí)際不易實(shí)現(xiàn)科學(xué)問題的驗(yàn)證和仿真模擬，為教師的科研與實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)良好的平臺(tái)。

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)內(nèi)容

軌道交通信號(hào)的目的是為了在保障行車安全的前提下，提高列車的行車效率[5]。因此，軌道交通信號(hào)專業(yè)主要分為兩大基礎(chǔ)部分，分別為基礎(chǔ)控制設(shè)備的原理與列車控制技術(shù)。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)主要內(nèi)容也應(yīng)遵循這兩個(gè)基本版塊。

（1）基礎(chǔ)控制設(shè)備原理。

列車控制是通過基礎(chǔ)控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，因此要求學(xué)生對(duì)如信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、計(jì)軸、軌道電路等基礎(chǔ)控制設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)有一定的認(rèn)識(shí)，并且需完成部分設(shè)備的拆卸與安裝。因此，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)實(shí)現(xiàn)軌道交通基礎(chǔ)場(chǎng)景的搭建，并在該場(chǎng)景下完成基礎(chǔ)控制設(shè)備的三維建模。使學(xué)生可交互式的完成設(shè)備原理、結(jié)構(gòu)分析、基本元件拆裝與工作狀態(tài)的情景再現(xiàn)。

（2）列車控制技術(shù)。

列車控制技術(shù)是軌道交通信號(hào)的核心內(nèi)容，通過不同控制設(shè)備的聯(lián)動(dòng)與相互制約，實(shí)現(xiàn)列車各種行車作業(yè)的辦理，從而整體提高列車的行車效率。其中列車控制系統(tǒng)的核心是各種控制設(shè)備之間的制約聯(lián)動(dòng)與數(shù)據(jù)通信，因此基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)首先直觀地展現(xiàn)各列車控制設(shè)備之間的關(guān)系與聯(lián)動(dòng);其次還應(yīng)展現(xiàn)各控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信方式與方向;最后還應(yīng)使學(xué)生可交互式的實(shí)現(xiàn)列車各種進(jìn)路的操作辦理與列車的模擬駕駛。

2.2 建設(shè)方向研究

（1）3D虛擬場(chǎng)景的搭建與設(shè)備建模。

為使虛擬場(chǎng)景具有真實(shí)性，應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)或工程設(shè)計(jì)圖紙實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景與設(shè)備的建模。對(duì)于可直接測(cè)量設(shè)備可利用精確測(cè)量工具獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，而對(duì)一些不易直接測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)，可通過與相關(guān)設(shè)計(jì)單位、設(shè)備廠商或鐵路運(yùn)營(yíng)單位合作開發(fā)的方式獲得。虛擬場(chǎng)景中各設(shè)備的物理與電氣參數(shù)與原理可通過數(shù)學(xué)建模方式實(shí)現(xiàn)，所用數(shù)學(xué)模型需符合基本物理原理。建模完成后，進(jìn)行材質(zhì)渲染及優(yōu)化以提升場(chǎng)景的真實(shí)性。部分模型可通過貼圖方式實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，以減少平臺(tái)規(guī)模有利于不同通信平臺(tái)上的應(yīng)用。

（2） 沉浸式交互協(xié)同的設(shè)計(jì)。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)突出交互功能，各元件的動(dòng)作展現(xiàn)與平臺(tái)交互功能設(shè)計(jì)可通過虛擬仿真軟件腳本文件的編程實(shí)現(xiàn)。可充分利用數(shù)字手套、虛擬頭盔等硬件接入設(shè)備，真正使學(xué)生可在平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)互動(dòng)與操作。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)還應(yīng)在互動(dòng)過程中對(duì)學(xué)生的各個(gè)操作步驟做出正確的評(píng)判與合理的提示，輔助完成實(shí)驗(yàn)。除此之外為增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)趣味性，并使虛擬場(chǎng)景更加生動(dòng)，可對(duì)虛擬場(chǎng)景設(shè)置背景音樂、背景顏色及貼圖等。

（3）單一展現(xiàn)式至綜合設(shè)計(jì)式的轉(zhuǎn)化。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)應(yīng)避免理論知識(shí)單一展現(xiàn)式的設(shè)計(jì)思路，應(yīng)通過實(shí)際工程案例與應(yīng)用場(chǎng)景的再現(xiàn)，將基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐緊密結(jié)合起來。通過綜合設(shè)計(jì)式的平臺(tái)設(shè)計(jì)，增加學(xué)生的自主設(shè)計(jì)性與互動(dòng)性，有利于學(xué)生掌握本行業(yè)技術(shù)和發(fā)展動(dòng)態(tài)，增加學(xué)生的社會(huì)適應(yīng)與動(dòng)手實(shí)踐能力。

（4）合理的虛實(shí)結(jié)合實(shí)現(xiàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)還應(yīng)充分體現(xiàn)“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”的方針，將虛擬與現(xiàn)實(shí)緊密結(jié)合。對(duì)一些不易現(xiàn)實(shí)獲得的設(shè)備與控制原理以虛擬的方式直觀展現(xiàn)，并通過物聯(lián)網(wǎng)形式實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量與效果。

（5）線上、線下混合式教學(xué)的實(shí)現(xiàn)。

為充分利用教育資源，可將虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)移植至電腦、手機(jī)等不同平臺(tái)中，建成線上、線下混合式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)并對(duì)外開放，提高教學(xué)資源的利用率與社會(huì)貢獻(xiàn)度。

3? 結(jié)語(yǔ)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入軌道交通專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中教學(xué)手法相對(duì)單一、實(shí)驗(yàn)成本較高、教育資源利用率不足等問題。在對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軌道交通信號(hào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的基本建設(shè)思路、主要內(nèi)容和建設(shè)方向等方面進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的建設(shè)方案。以期提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式提供了新的思路。

參考文獻(xiàn)

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