虛擬和增強現(xiàn)實技術在物流專業(yè)實踐教學中的應用研究*

□ 宋作玲，孫 慧

(山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590)

1 虛擬和增強現(xiàn)實(VR/AR)技術概述

1.1 VR技術簡介

1968年，伊凡·蘇澤蘭(Ivan Sutherland)和學生們設計出了由頭戴顯示器和簡單線框渲染圖像構成的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,VR)依靠交互式圖像顯示、感官識別及反饋、自然技能跟蹤與模擬、傳感及標定技術等，生動逼近現(xiàn)實的視覺、聽覺乃至觸覺，在特定范圍下構建一種仿真交互環(huán)境。VR技術包括沉浸式和網(wǎng)絡空間式兩種，網(wǎng)絡空間式適合遠距離線上學習[1]。

沉浸性(Immersion)、構想性 (Imagination)、交互性(Interaction)被稱為虛擬現(xiàn)實“3I” 特性[2]。虛擬技術市場主要包括硬件設備、軟件資源以及集成解決方案服務等。VR硬件系統(tǒng)包括四部分：頭戴式顯示設備(Head Mount Display，HMD)、主機系統(tǒng)、追蹤系統(tǒng)、控制器。主機系統(tǒng)一般由個人電腦、智能手機承擔。追蹤系統(tǒng)用來捕捉用戶動作或行為，由傳感器、陀螺儀和磁力計等部件組成，例如，倉庫中分揀員帶著HMD抬頭，屏幕會切換成倉庫頂棚，就是應用內置式追蹤系統(tǒng)。控制器是一種手持設備，能夠追蹤用戶的動作、手勢。

1.2 AR技術簡介

增強現(xiàn)實(Augmented Reality，AR)綜合各種信息技術，將虛擬物體或場景等信息與真實環(huán)境進行實時疊加，通過專用設備，呈現(xiàn)出同一個相融合的空間影像。虛擬與現(xiàn)實有機結合、交互性和實時地三維對準是AR的關鍵技術特征。

AR設備一般具有全息投影屏幕、攝像頭、定位儀、陀螺儀、距離傳感器、語音交互、手勢交互等功能。按照呈現(xiàn)空間跨度，AR可以分為頭戴式(head-attached)、手持式(hand-held)、空間展示(spatial)三類[3]。AR技術是基于疊加原理實現(xiàn)基本成像，可以是多個虛擬圖層的疊加，或者是虛擬圖層與現(xiàn)實場景融合。

AR解決方案提供商有美國Infinite Z 公司開發(fā)的3D顯示屏——Z Space；Metaio公司開發(fā)的Metaio SDK和Metaio Creator；Mobilizy 公司開發(fā)的Wikitude兼容主流移動設備操作系統(tǒng)；Waking APP的ENTiTi是基于云計算平臺開發(fā)的簡易可視化開發(fā)環(huán)境[4]。AR技術趨勢之一是開源化設計與開發(fā)，使得底層代碼透明化，基于組件開發(fā)甚至是鼠標拖動實現(xiàn)業(yè)務邏輯。例如，微軟推出的MRTK(混合現(xiàn)實工具包)是一款兼容性較高的開源框架。通過降低開發(fā)門檻，可以吸引更多的工程師、教育者等使用者加入自主開發(fā)設計群體。

2 VR/AR技術應用

2.1 VR/AR應用領域

VR/AR技術產生以來已廣泛應用于國防軍事、航空航天、機械重工、智能制造、交通工程、能源基建、智慧城市、公共安全、教育培訓、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑設計、電商零售、社交媒體等領域。據(jù)高盛報告預測，至2025年，VR/AR用戶數(shù)預計達1500 萬，產業(yè)營收樂觀預計可達800億美元。游戲和直播、娛樂等應用市場占比過半，并逐步形成規(guī)模化和平臺化運營。2021年上半年，國內VR/AR行業(yè)獲得資本青睞，累計融資超30億元；國外信息巨頭臉譜網(wǎng)、微軟、索尼加大VR/AR研發(fā)投入和市場開拓。

醫(yī)療衛(wèi)生方面，VR/AR已經成功應用于醫(yī)生對患者的病史搜索、輔助專家系統(tǒng)用于診斷。建筑方面，工程師利用VR/AR進行主體構造、分層展示內部細節(jié)，與外部環(huán)境相適宜。疫情期間，VR/AR應用于遠程醫(yī)療會診、在線旅游、虛擬展會等。電視直播方面，央視運用VR技術展現(xiàn)“天宮二號”和“神舟十一號”交會對接，搭建虛擬環(huán)境全方位展示飛機控制室、組合體的內部構造、控制面板及監(jiān)控數(shù)據(jù)；通過AR實現(xiàn)主播對空間實驗室行進方向和轉速的調控。

隨著5G、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術的改進，VR/AR在圖像處理和信息傳輸方面的性能指標得到快速提升，優(yōu)化了用戶體驗感，進而提升了接納度，利于市場潛能的挖掘。

2.2 VR/AR技術在高校教學中的應用

高校作為新技術的前沿應用陣地之一，引入VR/AR技術可以豐富教學手段、模式和資源。VR/AR技術能夠提供研究對象的全息圖像，設計虛擬實驗任務、模擬虛擬實訓環(huán)境等，有利于開展線上線下混合式、體驗式、探究式教學，已形成醫(yī)學解剖、航空航天、機械控制等學科教學案例等資源，實現(xiàn)操作訓練和協(xié)同演練等。我校應用VR/AR進行黨史仿真教學，重現(xiàn)經典歷史事件場景，具有強烈的感染力，形成思政教育同頻共振。

VR/AR技術有效提升了課堂和實踐教學的質量。首先，為學生自主學習提供了有利條件，適合以學生為中心開展的教學、虛擬實驗、實訓和創(chuàng)新競賽；其次，可以為學生提供更加逼真和立體化的情景，更具有直觀的感知和體驗感；再次，能夠提高學生的學習興趣和探索意愿，沉浸式、游戲式教學體驗適合新生代學生特點；最后，有利于促進優(yōu)質資源均衡化，克服空間、時間和資金障礙。

VR/AR技術與環(huán)境的應用與推廣也存在一些障礙：從技術層面，計算機視覺技術的加速運算受制于底層算法，需要海量數(shù)據(jù)用于訓練算法；從產品裝備層面，終端硬件門檻高，價格居高不下，長期使用易疲勞，舒適度欠佳；從服務商層面，企業(yè)級市場進入壁壘相對較高，提供一體化、定制化解決方案的服務商未形成規(guī)模；從資源開發(fā)層面，開發(fā)主體以企業(yè)為主，沒有形成引入教育主體的協(xié)同開發(fā)模式，優(yōu)質資源供不應求，教學實際應用出現(xiàn)雷聲大雨點小的狀況。

2.3 VR與AR應用比較

與VR相比，應用AR技術無需佩戴沉重的眼鏡、頭盔、手套等，無需設置獲取用戶位置的定位裝置，無需編制特定的空間邊界；搭建AR環(huán)境僅需個人電腦配備攝像頭，或者使用便攜式平板或手機等日常配備的終端，即可實現(xiàn)虛實環(huán)境的交疊，AR技術硬件配置簡單，易于學校落地實施，便于師生操作實驗。VR對于計算機繪制高清虛擬圖像能力要求較高，需要配備高性能圖像處理器(GPU)；AR技術靠眼鏡投射和攝像頭拍攝，對GPU要求低，但是需要高性能CPU進行實時的虛實空間匹配等。同時，AR環(huán)境原理就是將虛擬的學習內容的虛擬信息與現(xiàn)實場景進行關聯(lián)，更符合知行合一、學中做、做中學的理念。

與VR/AR相關的技術有混合現(xiàn)實(Mixed Reality，MR)與擴展現(xiàn)實(Expanded Reality，ER)。MR技術能夠呈現(xiàn)包括物理實體和虛擬對象的世界，在虛實世界和用戶之間構建交互反饋的信息回路，實現(xiàn)物理實體與數(shù)字對象的共生與實時交互，與AR更為接近。ER是VR與物聯(lián)網(wǎng)深度融合的技術，在ER環(huán)境中，現(xiàn)實和虛擬的邊界模糊化，例如一款達芬奇手術機器人可以作為“人替”給病人做手術。

3 VR/AR技術在物流實踐教學中的應用

VR/AR可以營造炫酷的虛擬場景，通過描繪奇幻的世界使用戶對事物、空間及環(huán)境產生懸念和探索欲，讓學生有著強烈的學習沖動感和知識破解感。 物流行業(yè)和教學中存在諸多場景和操作流程，特別是自動化物流系統(tǒng)、智慧物流等，綜合運用自動識別、物聯(lián)網(wǎng)、智能控制等信息技術。VR/AR技術已在高科技物流企業(yè)得以應用，在高校等教育教學領域的應用實踐也愈來愈受關注。

3.1 物流運營管理實踐教學方面

倉儲是物流工作量較多的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)模式下倉儲管理員應用手持終端進行出入庫、分揀作業(yè)環(huán)節(jié)的掃描和信息采集，產生較多的冗余動作，作業(yè)枯燥乏味。通過佩戴 AR 頭盔或眼鏡，能夠更方便地通過攝像頭進行掃描，倉庫管理員眼睛看到什么貨物、設備或貨架，掃描就可以識別這些對象，AR 設備基于全息投影技術，將虛擬的單證、導引路徑與倉庫貨架及輸送線等實體交疊融合。在AR技術加持下，倉庫管理員可以通過智能眼鏡掃視貨物或中轉箱條碼，快速無負擔感地完成信息采集，作業(yè)更加安全精準，同時，增強了員工工作舒適度，降低了疲勞度。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，AR可為物流企業(yè)提高25%的作業(yè)效率。

倉儲和配送是物流教學的核心課程，在開展配送中心分揀教學空間有限的實驗室中，學生可以佩戴VR眼鏡熟悉分揀流程、驗證分揀策略、優(yōu)化分揀路線。以往實習和實訓，學生很難有機會去實際的配送中心和倉庫實現(xiàn)操作，開展驗證分揀策略的實驗，基于VR的虛擬實驗環(huán)境可以更加安全、更節(jié)省實驗場地空間、更節(jié)約投入資金。可以設置VR環(huán)境下操作流程、分揀識別、路徑導航、語音識別、流程優(yōu)化、人體工學設計等虛擬實驗和實訓項目。同時，可以將貨物收發(fā)、進出庫操作、庫存盤點、倉庫安全作業(yè)、裝箱優(yōu)化、叉車操作、配送運輸?shù)认嚓P和延伸環(huán)節(jié)的運營作業(yè)和流程管理集成于VR/AR環(huán)境開展教學。

3.2 物流系統(tǒng)規(guī)劃實踐教學方面

在建筑領域，運用虛擬現(xiàn)實技術，設計者可以在虛擬空間構建、裝飾并呈現(xiàn)方案，可以調整觀測視角，進行全景沉浸式設計。仿照此應用案例，將VR用于交通場站等基礎設施、物流園區(qū)、配送中心、無人倉、無人車間、自動分揀系統(tǒng)等的規(guī)劃設計，方便設計者仿真和調整方案。同時，探索VR/AR與數(shù)字孿生相結合，可用于支持智能制造、智慧交通、智慧物流系統(tǒng)升級。

3.3 電子商務實務實踐教學方面

應用VR/AR開發(fā)電子商務展示類、操作類和綜合類實驗，因為電子商務與傳統(tǒng)商務相比缺少感知度。商品的體驗即沉浸感也可以稱為空間臨場感，對于促進消費者購買意愿具有積極作用，有助于消費行為達成。例如，淘寶推出的虛擬現(xiàn)實產品——Buy+，打造出了一種沉浸式虛擬購物體驗場景，顧客購買衣物時可以虛擬換裝，直觀地增加產品感知，提升購物愉悅感。

VR/AR技術還可以打造虛擬購物空間。在虛實結合的購物場景中進行商品貨架擺放與管理、未來超市模式下商品買賣。消費者、賣家、第三方平臺共同參與直觀性的共享空間，而不是枯燥的平面空間[5]。同時，還支持多主體分布式協(xié)同共享虛擬空間，實現(xiàn)多種信息技術集成，完成自動結算、實時購物車、可視化統(tǒng)計等智能商務任務序列。

3.4 港口航運物流實踐教學方面

在現(xiàn)實生活中，由于安全等問題，學生無法遨游大海、駕駛船舶、操作大型港口設備，高校搭建港口和航運類實驗室投資巨大，一般沒有條件采用實體實驗設備和環(huán)境。VR技術可以提供場景化海運地理資源，根據(jù)港口實際測繪，建立虛擬集裝箱港口操作的場景和港口機械等。坐乘智能操作臺、戴上頭盔或眼鏡、操縱手柄模擬操作或駕駛設備，可以從各個角度近距離觀察起重機、集裝箱搬運設備，航行于經典航線，停泊裝卸船，穿梭于堆場、貨運站等，傳統(tǒng)集裝箱港口進入?yún)⒂^難、無法近距離參觀等問題得以解決。

VR/AR可以用于培訓和考核船員、港口機械工程師和技術工人，對于船舶裝載、船舶裝卸、港口起重機、AGV等裝備的構造、操作實務以及系統(tǒng)集成和協(xié)同控制等有切實的感知和體驗式訓練。

3.5 物流自動化系統(tǒng)實踐教學方面

教學中引用VR/AR有淺度引用(簡單的顯示功能)、中度引用(有明顯的空間轉換痕跡)、高度引用(故事敘事與空間敘事同步)和深度引用(與課程無痕跡轉換)四種[6]。物流自動化系統(tǒng)包括自動化立體倉庫(AS/RS)、自動分揀系統(tǒng)(ASS)、自動導引車(AGV)等智能裝備和信息系統(tǒng)，涉及操作流程、機械原理、控制算法、軟件操作等。有些智能物流系統(tǒng)需要空間想象力才容易理解，大型實驗室成本高、維護難，全自動化實習實訓基地稀缺，因此，可以采用深度引入VR / AR提高教學效果。例如，定位一個實訓倉庫，給出倉庫流程、貨架、設備、信息系統(tǒng)等介紹，再通過 VR 技術生成叉車式、堆垛機式、穿梭車+升降機式等類型立體倉庫，并與虛擬貨架及設備進行交互。

此外，VR/AR還可以與“ABCD”即人工智能、區(qū)塊鏈、云計算、大數(shù)據(jù)以及5G、數(shù)字孿生等相融合，一方面深度開展物流信息技術綜合應用和系統(tǒng)集成，另一方面增強新技術革命背景下學習者形象思維及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力。

4 總結

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術是多種先進信息技術的應用以及多學科知識交叉融合，通過主動探索、動手實踐、創(chuàng)新設計、跨界融合來學習新知識和掌握新技能。VR/AR技術在游戲文娛、智能制造、醫(yī)療、建筑等行業(yè)和教育領域的應用案例較多，可以作為開展物流領域教學實踐的思路和方案。VR/AR技術可以應用于物流運營、物流系統(tǒng)規(guī)劃設計、國際物流、物流自動化系統(tǒng)等具有技術可行性和市場化前景，將物流倉庫、交通運輸網(wǎng)絡、港口等構建出虛擬場景與現(xiàn)實世界相結合，通過在虛擬疊加空間里交流互動，增強學生工程實踐能力，營造開展體驗式和探究式智慧教學的環(huán)境。同時，論文給出的物流教學應用思路也為虛擬仿真企業(yè)開發(fā)教學資源提供思路，需要產學研融合的模式促進VR/AR的資源開發(fā)和市場開拓。