混合現實技術在軌道交通信號及控制專業教學中的應用與探索

黃聰

摘? 要：在我國社會現代化發展水平不斷提高以及城市化進程不斷深入的背景下，軌道交通整體發展水平呈現出前所未有的上升勢態。特別是在現代化信息技術發展水平不斷提高以及各專業院校對軌道交通相關內容教學逐漸重視的環境下，混合現實技術在軌道交通信號及控制專業教學中發揮了重要作用。本文針對混合現實技術在軌道交通信號以及控制專業教學中的有效應用途徑展開分析，為我國軌道交通整體發展水平的進一步提高奠定堅實基礎。

關鍵詞：混合現實技術;軌道交通;信號;控制;應用

中圖分類號：G64;G71? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2021）10-0107-03

軌道交通類專業是我國社會在現代化發展過程中的一個重要產物，也是一項對實踐技能具有較高要求的技術性專業，在具體教學過程中實踐操作不僅是必不可少的教學內容，也是提高教學質量和學生學習能力的重要途徑。教育部頒發的《關于全面提高高等職業教育教學質量的若干意見》中明確指出，現代化高等職業院校開展的校企合作模式，要將工作重點放在如何對校內生產性實訓基地進行建設，以及對相關建設措施積極探索等方面，通過在校內積極開發虛擬實驗室、虛擬工藝、虛擬車間、虛擬工廠等活動，確保在高等職業院校內部組建一批具有較高水平的校內生產性實訓基地。在此過程中，高職軌道交通類專業在開展相關教育教學活動中具有的難再現、動不了、看不到等問題，均能通過混合現實技術的有效開展得到充分解決。

一、混合現實技術發展及其在工業制造中的應用

在我國現代化發展水平不斷提高的背景下，虛擬現實技術的發展能力不斷提升。虛擬技術是能夠將人工智能技術、傳感技術、計算機圖形學技術、計算機人機交互技術等眾多領域融為一體的新型技術，使用戶通過對相關技術和設備的有效使用，有目標地進行情景體驗和交互體驗。虛擬現實技術憑借自身的多元化優勢能夠有效滿足現代化社會發展的多種需求，通過對混合現實技術的有效應用，美國實驗室相關專業人士研發了虛擬界面環境工作站，對頭盔式顯示器進行了進一步完善，并且對相關數據手套進行了工程化改進，進一步提高相關設備的實用性。與此同時，美國波音公司通過對三維制圖軟件以及虛擬現實技術的結合應用，為波音飛機建立了虛擬結構模型，不僅能夠實現飛機虛擬組裝的目標，而且還可以對飛機進行模擬實驗，在此基礎上，對波音飛機展開批量式加工和生產。除此之外，該實驗室不僅利用沉浸式虛擬現實技術對一艘海軍運輸船只進行了模擬器生產過程實驗，而且還開展了針對虛擬環境中的對象沖突檢驗和形變研究。

二、混合現實技術在軌道交通信號及控制專業中的優勢

（一）復雜的軌道交通信號設備工作原理模擬

在給學生介紹軌道交通信號設備相關工作原理的過程中，如果采用傳統的教學理念和教學措施，很難保證學生對軌道交通信號設備的工作原理充分了解。通過對虛擬現實技術的有效應用，能夠清楚地表達出三維空間的意念，通過虛擬現實技術創設出相應的虛擬對象，使學生直接與這些虛擬對象進行交流與溝通。此種方式不僅能夠最大限度地提高學生對相關虛擬對象的自由控制度，而且還能確保整個教學環境具有較高的靈活性。在建立學習環境和實訓基地的過程中，利用虛擬現實技術，不僅能夠確保搭建出的教學氛圍能夠容納多維度的信息數據，而且還能引導學生通過對直觀感覺的有效利用充分理解原理復雜的內容。通過運用虛擬現實技術建立的三維軌道交通信號設備模型，能夠使軌道交通信號設備在虛擬現實技術的作用下，將實際工作流程真實地展示在學生面前，再結合教師對軌道交通信號設備相關工作原理展開生動講解，不僅能夠充分激發學生學習相關知識的興趣，而且還能使教學效率得到進一步提高。另外，學生可以利用虛擬現實技術創造出的虛擬環境，對軌道交通信號設備的各個零部件進行縮放、旋轉、移動，對所學知識進行有效的意義構建。

（二）復雜的軌道交通信號設備部件裝配模擬

在三維設計系統中，零部件的裝配不僅是不可缺少的重要環節之一，同時也對零部件的有效裝備起到了重要作用。然而，目前我國三維設計系統發展停留在將零部件組裝成為整體設備的水平上，無法模擬各個零部件在裝配過程中的實際情況。為了解決這個問題，將虛擬現實技術合理引入其中，能確保軌道交通零部件虛擬裝配技術得到有效實現。比如，作為軌道交通信號設備的重要組成元素之一，轉轍機是由多個零部件組成的，不僅具有較為復雜的組成結構，而且相關零部件的類型具有多元化特點。如果僅觀看視頻以及圖片，很難確保學生明確掌握各個零部件之間的關系與位置，更加無法掌握各零部件的作用機理以及在什么場合運用什么類型的轉向架。而通過對虛擬現實技術可視化功能的有效應用，能夠將相關零部件的可裝配性能充分展示出來，使學生深入了解各部件的安裝位，從而對各零部件的作用機理充分掌握。另外，對虛擬現實技術的有效應用還能使學生具備結合實際情況對軌道交通相關設備零部件的形狀進行改進的意識與能力，研究出有效降低相關裝備配置具有的復雜性的方法，簡化連接方式的可行性等，激發學生的學習熱情，提高其主動性。

（三）復雜的軌道交通信號設備模擬

軌道交通信號設備設計以及模擬，主要是通過對虛擬現實技術中數字模型功能的有效應用，全面替代傳統機械設備中的物理原型，從而對相關產品的功能展開分析評價。在對軌道交通信號設備進行加工設計模擬時，主要以虛擬現實技術的三維設計模型為基礎，將虛擬現實技術以及領域知識等內容作為關鍵支撐，通過對不同分析方法和檢驗方法的有效利用，對最終的設計結果反復校對并對存在的問題逐步改進。在開發和設計傳統產品的過程中，大多時候由于在前期設計階段沒有對后期多元化的影響因素進行綜合考量，設計方案在實際設計過程中需要不斷修正，相關設備的開發周期延長。為了有效解決這個問題，將產品并行開發的方式融入其中，對產品開發時間、產品成本、產品質量等能對后續設計環節造成影響的多元化因素在前期設計階段夠展開綜合分析，從根源上解決相關設備在后期開發階段存在重大問題的情況。該方式通過對虛擬現實技術的有效應用，利用計算機建立一個對應的虛擬實驗室，使學生能夠在虛擬實驗室中親身體驗到設計成果的實際表現，從而對設計結果進行判斷 [1]。

三、混合現實技術在軌道交通信號及控制專業教學中存在的問題及解決方案

目前，大部分軌道交通信號設備制造企業無法為高職院校相關專業學生提供現有軌道交通信號設備零部件的詳細尺寸以及三維立體模型。因此，在對相關知識進行講解的過程中，需要將真實的軌道交通信號設備零部件作為模板。在此基礎上，結合相關軌道交通信號設備的安裝尺寸和外形，利用三維畫圖軟件制作出簡單的結構圖，并創建結構圖庫。然而，這一操作如果只憑借高職院校某一系或者教研室的力量，很難對零件庫進行有效構建和及時更新。為了解決這個問題，可以將現有的軌道交通信號設備以及需要及時更新的零部件作為基礎建立對應的虛擬仿真模擬庫，并且鼓勵所有開設軌道交通信號設備課程的院校展開積極合作，從而使軌道交通信號設備和零部件庫的共建、共享目標得到有效實現。學校應引導學生主動參與到對軌道交通信號設備和零部件的裝配以及繪圖活動中 [2]。

四、軌道交通專業混合現實技術應用

（一）軌道交通信號及控制專業實訓應用場景

對于虛擬現實技術而言，可以通過建立虛擬仿真實訓系統，有效實現模擬“認識工作任務”這一目標。根據對軌道交通專業實訓教學展開的大量實際調查研究可知，相關應用場景具有以下幾個特征：

第一，相關場景具有較高的復雜程度，在進行反復操作實驗實訓的過程中具有較高難度。比如，開展調度實訓和軌道交通信號設備故障處理實訓。

第二，相關場景的危險程度較高，并且對實驗實訓具有較高的安全性要求。比如，開展的接觸網作業以及調車作業。

第三，相關場景要能經常開展破壞性較高的實驗實訓。比如，火災應急演練和事故緊急處理演習。

第四，相關場景開展的實驗實訓需要能夠滿足變化周期較長的需求。比如，開展線路施工作業。

第五，相關場地還要開展對運用傳統操作方式無法完成或無法輕易完成的實驗實訓以及對變化過程無法有效控制的實驗實訓。比如，開展事故救援等活動。

為了有效實現上述教學目標，將虛擬現實技術運用到軌道交通實訓中，通過對虛擬現實技術相關作用和優勢的有效應用，能夠使實訓教學的課前環節、課中環節、課后環節有效開展，確保相關教學目標得到有效實現的同時，進一步提高軌道交通專業學生的能力和素養 [4]。

（二）軌道交通信號及控制專業校內實訓應用

在對軌道交通專業學生進行校內實訓的過程中，為確保最終實訓目標得到有效實現，可以將虛擬現實技術運用其中，利用虛擬實訓對學生的技能展開規范訓練。比如，結合具體教學目標和學生實際學習能力在校內建立完善的軌道交通信號設備模擬訓練系統和軌道交通信號設備模擬裝置，使學生熟練操作模擬系統，提升自身對軌道交通信號設備的操控能力，及時有效地解決軌道交通信號設備在運行過程中出現的故障問題，甚至可以訓練學生在軌道交通信號設備毀壞、故障等非正常狀態下采取及時有效措施的能力。與此同時，結合實際情況將軌道運輸運營虛擬教學系統引入具體教學環節中，并且在對應的訓練沙盤上將現場設備、底層聯鎖邏輯、計算機聯鎖軟件的運行狀態和變化過程有效結合并展示出來，從而提供一個具有較高真實性和直觀性的實訓仿真環境，供學生學習和觀摩，從而使學生在此環境下訓練相關設備在正常、非正常、調車、單操等情況下的接車和發車操作技能。比如，在地鐵軌道交通運營和調度的實踐過程中，將軌道交通綜合仿真系統運用其中，對各種列車的運行狀態以及線路的分布狀態進行模擬，不僅能夠使學生對相關列車的調度規范以及操作規程熟練掌握，而且還能使學生的安全生產意識得到進一步提升 [5]。

（三）基于混合現實技術軌道交通信號及控制專業實訓基地建設

相關人員在進行軌道交通混合實訓基地的建設過程中需要注意，虛實結合的建設方式不僅要充分結合不同實訓項目在專業方案框架下的虛擬形式與真實形式，而且還要確保同一個項目內部具有的真實物理設備以及虛擬仿真設備能夠得到充分結合。同時還需要注意，開展的各項實訓項目在真實性以及虛擬性充分結合的基礎上，還應發揮互相促進的作用。這一目標的實現主要從以下幾個方面入手：

第一，針對校內原有的實訓項目而言，可以通過對虛擬補缺補差技術的有效應用，建立虛擬的圖像或場景，對其中由于技術問題、場地問題、資金問題所導致無法建設的生產材料、生產設備、生產工藝進行有效補充。

第二，通過對虛實結合技術的充分應用，確保在開展實訓教學的過程中，其形象化功能和直觀性功能得到充分發揮。這樣不僅能夠使生產設備和生產工藝的透明度大幅度提高，生產設備和生產工藝的復雜程度有效簡化，而且還能促使學生通過對有效空間和時間的利用掌握更多理論知識和實踐經驗。長此以往，不僅能夠使學生掌握專業知識的速度和強度全面提升，而且還能確保教學效果達到令人滿意的程度 [6]。

五、結語

根據以上針對混合現實技術在軌道交通信號及控制專業教學中的有效應用途徑展開的詳細分析和系統性研究，能更加明確地認識到，在高職院校軌道交通類專業實訓活動中，虛擬現實技術的應用越來越普遍。為了進一步促進虛擬現實技術的作用和價值能充分發揮到高職院校軌道交通類專業教育教學中，相關教育人士還應通過高職軌道交通類實踐教學的有效開展，不斷開發和完善虛擬仿真系統，從而使教學實訓系統具有的綜合性能進一步提升。在此基礎上，使虛擬實訓資源具有的共享目標在網絡技術的輔助下得到有效實現，最大程度避免重復建設情況發生。與此同時，在實際運用虛擬仿真系統的過程中，要對理論教學的各個過程進行緊密結合，不斷拓展學生的實際技能訓練，使學生擁有更加真實的體驗感，在激發學生創新意識和創新思維的同時，提高學生的實踐創新能力，最終為軌道交通信號及控制專業教學水平的進一步提高以及學生專業能力和職業素養的全面提升提供積極幫助。

參考文獻：

[1] 徐媛. 虛擬現實技術在軌道交通車輛相關課程教學中的應用[J]. 中國遠程教育，2020（10）：168-170.

[2] 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，2020，2（12）：123-126.

[3] 吳鳳娟. 虛擬現實技術在高職軌道交通類專業教學中的應用[J]. 科技視界，2015（07）：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，2020（05）：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，2020（05）：54-58.

[6] 李敏，韓豐. 混合現實技術在軌道交通信號及控制專業教學中的應用與探索[J]. 軟件導刊，2020（06）：142-144.

（責任編輯：胡甜甜）