虛擬現實技術在高職軌道交通類專業教學中的應用

閆麗芳　趙超

摘要：文章分析了虛擬現實技術的發展現狀和前景，結合高職軌道交通類專業虛擬仿真系統建設的技術形式，探討了虛擬仿真技術在高職軌道交通類實訓中的應用方法和途徑。

關鍵詞：高職 ;實踐教學 ;信息化應用

中圖分類號：G642? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0111-02

軌道交通類專業是一項實踐技能要求極高的技術型專業，實踐操作是教學中的重要環節?！督逃筷P于全面提高高等職業教育教學質量的若干意見》指出，“要積極探索校內生產性實訓基地建設的校企組合新模式，要充分利用現代信息技術，開發虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實驗。要形成一批高水平的高等職業教育校內生產性實訓基地”。虛擬現實技術為解決高職軌道交通類專業實踐的“看不到”“動不了”“難再現”問題提供了解決方法。

1 虛擬現實技術的現狀與發展

虛擬現實技術，是以沉浸感、交互性為基本特征的計算機高級人機界面，是迅速發展的一項綜合性計算機、圖形交互技術。它綜合利用了計算機圖形學、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、網絡技術、并行計算和傳感技術，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感官功能，使人與計算機進行交互，通過語言、手勢等方式進行交互，身臨其境，突破時間、空間限制，感受真實世界中無法親身經歷的體驗。

虛擬現實技術具有多感知性、存在感、交互性、自主性等特征，虛擬現實的關鍵技術主要由動態環境建模技術、實施三維圖形生成技術、立體現實技術、傳感器技術、系統開發與集成技術等方面組成。當今的虛擬現實技術應用前景十分廣闊，在娛樂、教育、新聞、醫療、太空探索、博物館等場景都有應用。近年來，隨著網絡應用的普及，一些基于網絡的虛擬現實應用使得位于不同地理空間的用戶可以進行協同工作。將分散的虛擬現實系統或仿真器通過網絡聯結起來，采用協調一致的結構、標準、協議和數據庫，形成一個在時間和空間上互相耦合的虛擬合成環境，參與者可自由地進行交互作用。

對于軌道交通類職業院校，越來越重視實踐教學的開展，利用虛擬仿真技術對實踐教學的創新和改革已經得到普遍應用。虛擬仿真的優勢在于高度仿真虛擬實驗實訓環境和對象，呈現客觀世界的真實物理特性和相互作用，其高度沉浸和仿真的效果可以達到傳統教學手段不能企及的高度。開發虛擬仿真資源是解決軌道交通專業實訓基地建設成本大、技術門檻高、傳統方法不易實現等問題的一個重要途徑。

2 軌道交通專業虛擬仿真的技術形式

軌道交通運輸企業的產品是人或物的轉移，該類專業的要滿足培養學生掌握職業崗位所需的專業核心能力就需要盡可能的創建真實工作環境以期達到讓學生的接觸真實的“生產過程”并參與“真實工作任務”從而掌握實踐技能。軌道交通類專業的虛擬仿真教學資源和實訓項目的開發實現主要體現在以下幾種技術形式：

1） 展示巡游類虛擬仿真

又稱桌面式虛擬現實系統，使用個人計算機和初級工作站來產生三維空間的交互場景。這是虛擬仿真最廣泛和最簡單的應用，使用者以第一人稱視角進入3維場景，漫游并瀏覽相關設備和設施，系統給出相關文字或多媒體信息，用于專業工作場景及設備內容方面的認知和學習。例如城市軌道交通認知環境演練、鐵道運輸場景演練等實訓項目，適合建設此類展示巡游類虛擬仿真。該類系統具有小型、經濟、適用等特點，借助位置跟蹤及其他手控輸入設備，在虛擬環境中漫游。

2） 技術應用虛擬仿真

這類仿真是針對某種技術應用進行的虛擬仿真，如某些設備或軟件的操作，某型工藝的模擬實施。通過建立虛擬仿真設備模型或相同軟件UI，針對具體的操作規范和工作作業流程，對設備（系統）的操作過程、操作數據（參數）進行虛擬仿真，讓學員借助鼠標、手柄等外設控制虛擬設備，進行虛擬操作、虛擬拆裝、虛擬檢修、虛擬裝配，學生可以較短的時間內掌握設備（系統）的各種應用技術。例如高鐵接觸網運維與檢修、鐵道車輛檢修與維護等教學，適合建設此類虛擬仿真。

3） 任務協同虛擬仿真

此類虛擬仿真系統需要崗位協同的分布式設計來實現。軌道交通類專業的專業定位主要面向地鐵、鐵路一線崗位，車站、線路、車間大部分的工作也是由多崗位、多設備、多系統相互協同完成。以城軌車站應急虛擬仿真系統為例，設計系統化的真實工作任務，源于企業實際真實工作任務，按照教學目標要求，通過預制的任務腳本針對不同學生指導、參與、演繹腳本的實現，學生按任務中的崗位角色設定進行群體協作和配合，教師通過任務導演的形式讓學生充分體驗完整工作任務的全過程和實際情境，掌握安全生產的基本工作要求，充分提高學生的應急處理等基本工作能力和安全職業素養。

4） 半實物虛擬仿真

半實物虛擬仿真系統就是一種在同一項目內虛擬仿真部分與真實的物理設備、儀器儀表結合而成系統回路，形成更加真實有效的培訓效果。半實物虛擬仿真系統可以應用在生產工藝的系統化半實物仿真（采用真實的人機界面，后臺系統采用虛擬仿真或部分虛擬仿真）、組設備操作的半實物仿真（組設備包括真實設備和虛擬設備，組合形成系統回路）、仿真沙盤等需要虛實結合的項目。半實物虛擬仿真系統技術涉及總體技術、仿真模型校核與驗證技術、接口技術、運動特性仿真技術、虛擬物理量控制技術等。將虛擬仿真對象與等比例或縮小比例的物理實物對象通過接口模塊和伺服控制與反饋模塊、物理量數據庫等構建完整閉環的系統仿真回路，虛擬仿真對象與物理實物對象在系統中同步實時運行并共享數據，從而模擬整個系統的運行狀態。

3 軌道交通專業虛擬現實技術應用

1） 軌道交通專業實訓應用場景

在一些傳統方法不易實現的領域，可以采用建設虛擬仿真實訓系統來實現模擬“真實工作任務”這一目標。針對軌道交通專業實訓教學而言應用場景有：復雜程度較高不易反復操作的實驗實訓，如模擬駕駛、調度實訓等;危險性程度非常高且對安全高度要求的實驗實訓，如調車作業、接觸網作業等;極端破壞性的實驗實訓，如事故、火災等應急演練等;變化周期過長的實驗實訓，如線路施工等;以及無法控制變化過程以及采用傳統方法無法或不易完成的實驗實訓，如事故救援等。利用虛擬現實技術的優勢，將其應用到實訓教學環的課前、課中、課后等環節。

2） 軌道交通專業校內實訓應用

在校內實訓時，利用虛擬訓練進行技能訓練。例如在校內建立的鐵路機車模擬駕駛裝置、地鐵司機模擬訓練系統，利用模擬系統對學生進行列車操縱能力和列車運行中故障處理能力的技能訓練，特別是電器內部故障、DCU故障、火災、列車脫離、線路毀壞等非正常情況下的應急處理訓練;引進軌道運輸運營虛擬教學系統，將計算機聯鎖軟件、底層聯鎖邏輯和現場設備的狀態及變化過程整合到訓練沙盤上，為軌道運輸專業學生提供直觀的實訓仿真環境，進行設備單操、調車、正常和非正常情況下接發車等操作技能訓練。如在地鐵運營調度實踐中，采用軌道交通綜合仿真系統，模擬各種線路和列車的運行狀況，讓學生掌握列車調度的操作規程，提高學生的安全生產意識。

3） 軌道交通虛擬實訓基地建設

在實訓基地建設中，虛實結合不僅僅指的是在專業方案框架下不同實訓項目的虛擬形式與真實形式的結合，也包括同一項目內虛擬仿真與真實物理設備的結合。當然，實訓項目的虛擬性和真實性應有機結合，相互交融。一方面，要通過虛擬補缺補差對校內原有實訓項目中由于資金、場地、技術等原因不能建設的生產工藝、設備、材料等通過建立虛擬的場景和圖像予以補充;另一方面，要通過虛實結合提高實訓效果充分發揮虛擬技術直觀、形象的功能，提高生產工藝與設備的透明度，使復雜的工藝與設備問題簡單化，從而促使學生在有限的空間和時間內掌握更多的實踐知識，使知識傳授的速度和強度大大提高。

總之，虛擬現實技術在軌道交通類專業實訓中的應用日益普遍，在高職軌道交通類實踐教學中還需加強虛擬仿真系統的開發，提高教學實訓系統的仿真度，并借助網絡技術實現虛擬實訓資源的共享，避免重復建設。在虛擬仿真系統應用中，密切結合理論教學過程，拓展學生實際技能訓練，增強學生真實體驗感，提高學生實踐創新能力。

參考文獻：

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[3] 蔡龍輝.虛擬現實技術在職教實訓教學中的應用研究[D].廣東技術師范學院，2014.

【通聯編輯：李雅琪】