虛擬仿真技術在軌道交通專業(yè)實踐教學中的應用研究

張瑾，吳澄

蘇州大學軌道交通學院，江蘇 蘇州，215131

0 引言

我國早在2008年，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010～2020年)》，已經指出：信息技術對教育發(fā)展具有革命性的影響，必須予以高度重視。并且經過十多年的建設，我國的教育信息化已經具有較高水平，普及了數字校園建設、數字教學資源及應用、國際文化交流平臺等，特別是在信息技術與教學深度融合的教學模式、方法和內容創(chuàng)新應用在各個專業(yè)進行了積極和有效的探索和實踐[1]。

以計算機技術為基礎的虛擬仿真技術應運而生，它借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道構造虛擬場景并實現與真實場景的交互，是以信息技術優(yōu)化教學模式的又一巨大飛躍，為注重實踐教學的軌道交通專業(yè)教學提供了新的思路。軌道交通行業(yè)特定的應用環(huán)境，往往是高危（如供電等）、不可隨意操作（軌道信號、運營調度等），高成本（專業(yè)控制系統及設備等）、高消耗（行車測試等）、屬于大型綜合性場景，而虛擬仿真實驗教學能夠提供可靠、安全、經濟、可操作、可設置故障，易于更新等的應用性實踐活動。

1 軌道交通行業(yè)及其專業(yè)教育的發(fā)展

軌道交通作為一種交通運輸方式，因其快速高效、低碳環(huán)保、安全穩(wěn)定、運力強大等優(yōu)點得到了國家產業(yè)政策的大力支持，為行業(yè)發(fā)展提供了良好的政策環(huán)境。截至2020年末，我國鐵路營運里程達14.6萬公里，其中高鐵運營里程達3.79萬公里，相當于在“十三五”期間翻了近一番，穩(wěn)居世界第一[2]。2019年國務院外發(fā)《交通強國建設綱要》，要求至2035年全國基本形成“123出行圈”，推進干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通融合發(fā)展的進程。在軌道交通行業(yè)快速發(fā)展的背景下，行業(yè)專業(yè)人才和從業(yè)者呈現巨大的需求缺口。

目前，我國在軌道交通的專業(yè)教育方面實現了多層次，包括研究生、本科，專科、職業(yè)院校等不同縱向性層次的教育體系；多專業(yè)，包括運營管理、信號控制、軌道車輛、軌道供電、工程測量、通信技術、乘務等橫向性教育方向，以滿足日益增長的行業(yè)需求，然而仍然呈現供不應求的就業(yè)趨勢。

同時，軌道交通行業(yè)是一門應用型科學，在其教育和人才的培養(yǎng)中極其注重實踐能力，因此緊跟行業(yè)發(fā)展，深入行業(yè)鍛煉成為十分必要的環(huán)節(jié)，而隨著軌道交通行業(yè)運營單位對安全管理的進一步強化，大量學生參與的實踐活動難以實現，更不可能在真實場景下進行應用實操。因此，為解決軌道交通行業(yè)人才急需的問題，探索出高質量、新形式的教學方法成為各高校在軌道交通專業(yè)教育的必然選擇。

2 軌道交通信號與控制專業(yè)虛擬仿真實驗平臺的建設及優(yōu)勢

軌道交通信號與控制是軌道交通關乎運行安全的關鍵技術，因此本文以該專業(yè)的虛擬仿真實驗平臺建設及應用作為切入點進行研究分析。目前，在各高校在軌道交通信號與控制專業(yè)培養(yǎng)的過程中都非常重視實驗實踐環(huán)節(jié)，在實驗方式和設備的發(fā)展中也呈現出不同發(fā)展階段和類型。

2.1 沙盤型仿真實驗平臺

沙盤型虛擬仿真實驗平臺，是現實場景微縮版的再現，特別適合軌道交通宏觀場景的仿真，結合相應的實訓功能，可以實現行車調度等相關專業(yè)的實踐學習。該類型實驗平臺，一般由硬件部分實物沙盤、電子沙盤模型，軟件部分軌道交通專業(yè)功能型模擬系統等組成。

實物沙盤包括臺體、車站、軌道、信號設備、列車等；電子沙盤模型是基于真實信號系統的行車綜合仿真軟件系統，一般包括ATS仿真、聯鎖仿真、區(qū)域控制仿真、線路及車輛仿真運行等；軌道交通專業(yè)功能型模擬系統，根據實物沙盤的線路設計實現調度中心、各車站等部門或場景的業(yè)務實訓，實現線路運營和設備控制，如圖1（a）所示。由于軌道交通各專業(yè)實踐實訓需求擴大，以沙盤類虛擬仿真平臺的設計為思路，進一步拓寬應用領域，不斷涌現出通過構造1:1真實業(yè)務場景或仿真設備的虛擬仿真平臺，此處稱其為“類沙盤”概念的虛擬仿真平臺，如圖1（b）、（c）所示。

圖1 沙盤型虛擬仿真實驗平臺

通過軌道交通運營沙盤系統的建設，實現直觀、系統、可操作的行車組織等專業(yè)實訓過程，為提高軌道交通專業(yè)人才的業(yè)務素質提供良好的實驗培訓手段，同時為運營管理人員進行行車分析和控制提供研究訓練平臺[3]。

2.2 三維虛擬仿真實驗平臺

三維虛擬仿真實驗平臺是基于先進的三維仿真和三維動畫引擎技術，實現全電子化的虛擬仿真系統，該平臺以軟件系統為核心，具有較強的可視性和交互性，實現了人機互動學習方式，特別適合多終端的教學模式。

通過三維仿真可以對虛擬設備實現拆裝，對其組成部件及工作原理進行深入探究如圖2（a）、（b）所示、對虛擬控制系統實現不同條件下業(yè)務流程的組織與操作等如圖2（c）所示，根本解決了現場設備不能移動，實作訓練工作不好開展的難題。一對多的教學模式，有效解決了“工、學”矛盾、場地受限及師資不足的問題。

除此之外，以軟件為核心的虛擬仿真平臺，用戶安裝、使用簡單，更加便于系統更新、升級，可以與實踐的需求緊密結合，設置非正常工況、不同故障等如圖2（d）所示，給學習者提供一個更高效的學習方法，不斷提高對設備系統的技術水平及分析、判斷、處理工況的能力，對專業(yè)人員解決實際問題的能力有很大的幫助。

圖2 三維虛擬仿真實驗平臺

在三維虛擬仿真平臺的設計中，也常采用“虛+實”形式，即采用部分真實設備，作為整體仿真場景中的局部控制對象，通過虛擬仿真實驗平臺對其進行控制。此種方式既避免全真實設備構建實驗平臺的復雜和高成本，也使全軟件型的實驗平臺更加具有真實性。

2.3 VR虛擬仿真實驗平臺

VR虛擬仿真實驗平臺是運用三維虛擬與仿真技術構建從軌道交通工具的設計制造到運行維護等各階段、各環(huán)節(jié)的三維環(huán)境，不同于圖2的平臺形式，它具有更好的體驗感，學習人員需佩戴硬件裝備如VR頭盔設備。在虛擬場景中可以 “沉浸式”投入到軌道交通站務、車務、維修、通號等多個專業(yè)所需的各種操作，實現分角色、按事件不同維度的實踐訓練。同時，教師也支持統一控制所有VR一體機，操作方便、相較于三維虛擬仿真平臺成本稍高，但可以提升實踐人員受訓的真實性，強化實驗訓練效果和質量，如圖3所示。

圖3 VR 虛擬仿真實驗平臺

綜上所述，軌道交通實踐實訓教學中三種主要的虛擬仿真平臺形式，相對于在真實場景或以真實設備構造實驗場景，共同的優(yōu)點就是造價低、維護成本小、易于升級迭代、不受時間和空間限制、隨時隨地開展實訓、并且具有配套的指導教學功能如圖4所示，可支持自學，多次學習，不會影響現場設備、秩序和人員的安全，更適合實踐教學環(huán)節(jié)，學生容易接受，也大大豐富了教育資源。

圖4 虛擬仿真平臺的教學功能

3 虛擬仿真實踐教學未來發(fā)展的建議

虛擬仿真實驗平臺是依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術構建的高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，完成專業(yè)化實驗實踐活動，是學校培養(yǎng)高質高量以及創(chuàng)新型人才的重要保障環(huán)節(jié)[4]。

而隨著國家對于現代教學的發(fā)展要求，通過對現有軌道交通專業(yè)教學在虛擬仿真實驗平臺的應用分析，對未來進一步發(fā)展的方向提出以下幾項建議：

3.1 注重虛擬仿真實驗平臺的整體規(guī)劃和充分利用

目前，高校在虛擬實驗平臺建設時，通常是各系統逐步引進，由不同的生產商提供，由此帶來后期各系統獨立工作，造成實驗資源不易整合，相關性強的實驗設備或系統難以聯合應用，不能實現完整，閉環(huán)的實驗效果。因此，學校要根據教學特色、專業(yè)重點和學科發(fā)展進行合理規(guī)劃，制定本校虛擬仿真實驗教學及綜合平臺的總體設計，實現擴展性強，可資源整合與優(yōu)化的功能集約、運作高效的虛擬仿真實驗教學平臺，開發(fā)各系統及聯合性的實驗項目，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗平臺作用[5]。

3.2 從業(yè)務型向原理型實驗內容及形式的探索

為了滿足軌道交通各專業(yè)實驗教學的需求，現有的虛擬仿真實驗系統或平臺產品多種多樣，其內容主要聚焦于操作性業(yè)務和技能的訓練，這也是虛擬仿真實驗平臺最初的設計目標，但隨著虛擬仿真技術的發(fā)展和成熟，虛擬實驗平臺教學的不斷普及和推進，可以考慮將比較抽象的原理性專業(yè)知識也“動”起來和“活”起來，使下一階段的虛擬仿真實驗平臺從業(yè)務層內容深入至原理層，打造符合專業(yè)內容更為全面和完整的實驗教學新模式。而伴隨原理性實驗條件和內容的增加，也為科研項目的試驗和測試提供了契機，為實驗教學輔助科研，科研帶動教學奠定了基礎[6]。同時，可以依托特色專業(yè)優(yōu)勢，將建設示范性實驗教學中心為目標，使其發(fā)揮更大的教育意義。

4 結語

軌道交通專業(yè)實踐中應用虛擬仿真平臺，更突出的優(yōu)勢在于能夠模擬真實、危險操作，或再現故障環(huán)境，拆解復雜甚至不可見的內部機械構造，通過實驗項目設計和實訓目標的制定，針對教學要點及常見故障處理，為學生提供“勤學多練”的教學條件，提升專業(yè)技能認知，強化學習實踐效率，夯實實踐實訓能力。因此，將虛擬仿真技術應用到軌道交通專業(yè)的教學上，對學校提高實驗實踐教學效率，降低實訓成本，確保教學高質量地完成具有重要意義，也順應目前現代教學信息化、數字化的發(fā)展趨勢。

而虛擬仿真實驗平臺的應用，可以有效地整合高校信息化實驗教學資源，實現軌道交通專業(yè)設備及系統的共享式教學，極大地提高了實驗資源利用率、拓展實驗領域、改革實驗教學方法，促進高效、綠色，可持續(xù)發(fā)展的實驗教學體系的建設和不斷優(yōu)化發(fā)展。