虛擬現實在鐵路培訓中的應用及思考

摘要：當前，傳統鐵路培訓方式已無法很好地滿足技術創新需求以及時代的發展需求，而將虛擬現實技術運用到鐵路培訓中可滿足受訓者日益增長的學習需求。結合虛擬現實技術的概念、基本特點和意義，可以發現虛擬現實技術在鐵路培訓中具有明顯的應用優勢，例如，常見的虛擬場景建模技術、人機交互技術、虛擬環境聲音、立體顯示技術、實時碰撞技術都可以反映出虛擬現實在鐵路培訓中的具體應用，而鐵路虛擬現實培訓系統設計更能滿足鐵路職工培訓的實際需求。

關鍵詞：虛擬現實；鐵路培訓；設備維修

DOI：10.12433/zgkjtz.20240444

在鐵路職工培訓中引入虛擬現實技術具有重要現實意義，尤其在鐵路行業深化發展的時代背景下，必須重視高素質人才隊伍的培養工作，重點提高一線職工的動手能力和問題解決能力。虛擬現實技術可以為受訓人員提供真實的體驗環境，使受訓人員近距離體驗生產實踐活動，通過計算機虛擬現實環境與鐵路培訓實踐的交互，提高職工的動手實踐能力。

一、虛擬現實技術概述

（一）概念

虛擬現實是指以計算機為載體，通過視、聽、觸等多種感知方式模擬現實環境，在虛擬現實技術支持下，學習者可以通過觸摸、觀察、檢測等方式感受周邊事物發生的變化，在交互作用下讓學習者獲得與真實環境同等的體驗。

（二）基本特點和意義

虛擬現實技術本質上屬于計算機技術與認知科學結合的產物，為社會各領域發展開辟了全新的道路。同時，虛擬現實技術可以為用戶提供與自然環境交互的渠道，以模擬體驗的方式幫助用戶了解自然環境，深化用戶對自然環境的感知。近年來，計算機軟件技術逐漸在現代社會發展中得到了廣泛應用，極大拓寬了虛擬現實技術的應用范圍，而各行業領域也在虛擬現實技術支持下開拓了更廣闊的發展空間。

二、虛擬現實在鐵路培訓中的應用優勢

在鐵路培訓中，運用虛擬現實技術有助于滿足教育培訓領域的實際發展需求，迎合虛擬現實世界的發展要求。近年來，我國計算機技術為教育培訓領域的發展和進步提供了強大支持，特別是虛擬教育培訓環境可以有效彌補現實教育培訓環境存在的不足。依托虛擬現實技術，可以開發全新的教育培訓場景，推動教育活動實現質的飛躍。目前，虛擬現實技術在機械專業相關的維修訓練活動中得到了廣泛應用，在鐵路培訓中可以將虛擬維修訓練仿真系統作為機械設備維修訓練的主要應用方向。將計算機仿真系統與虛擬現實技術相結合，可以直觀還原機械設備維修的整個過程，在機械設備的全壽命周期內展示維修分析、演示驗證、過程核查等多項決策能力。與此同時，還能模擬機械設備維修的過程，確定維修作業時間、優化維修工種配置、選出適合的維修工具、預計維修費用等。在鐵路培訓中，可以針對機械設備維修體現預演和仿真的過程，使得受訓人員隨時隨地觀察機械設備拆裝、故障維修等操作，突破傳統教育培訓在時間與空間上面臨的局限，根據采集的生產設備資料、狀態數據等提高設備使用性能，從以下五個方面入手發揮虛擬現實技術在鐵路專業設備維修中的優勢：

（一）抽象理論形象化

在鐵路培訓活動中，可以利用多媒體技術，將抽象化的理論知識轉化為形象化的三維圖形，以動畫、聲音等互動性介質還原真實的現場場景，必要時，還可以使用現場錄制的視頻，保證機械設備維修操作規范化。例如，在鐵路專業設備維修培訓活動中，通過三維仿真技術，可以全方位展現設備外觀、設備結構以及設備演示原理等，降低職工學習抽象理論知識的難度；從直觀化、立體化的角度為職工展現多個方位的模型，職工可以通過旋轉、放縮、平移等方式觀察虛擬模型，進而激發他們對鐵路設備維修培訓的學習興趣，提高整個設備維修培訓活動的互動性與可見性。

（二）設備維修技能實戰化

在鐵路設備維修過程中，可以運用3D虛擬仿真技術，360°還原機械設備維修的每個方向和角度，通過視距縮放進行調整并展現設備維修的細節。3D虛擬仿真技術不但能完整展現機械設備維修的外觀和內部構造，還便于職工了解設備演示原理、設備安裝過程、設備檢查作業及相關操作事項等，通過反復操作設備部件拆卸、組裝的過程，確保鐵路行車和運營的安全性。

（三）設備內部結構立體化

鐵路專業機械設備的內部構造具有一定的復雜性，受訓人員很難通過肉眼了解機械設備的內部構造及設備運行過程、運行狀態等。但虛擬仿真技術可以直觀、立體地展現設備內部結構與運行情況，不僅可以幫助受訓人員更好地理解機械設備運行過程、內部運行原理及狀態，還有助于控制機械設備維修訓練的成本，提高設備維修的精準性，從而全面增強鐵路培訓的實踐效果。

（四）隱性部件可視化

大部分機械設備的內部構造較為復雜，在剖面圖中很難完全還原零部件的細節，但在虛擬現實仿真技術支持下可以構建單元三維素材。通過計算機軟件，可以使機械設備的內部構件更加清晰。在實際操作過程中，受訓人員只需點擊鼠標，就能看到透明化的機械設備外觀；點擊局部隱性部件，還能放大隱性部件結構、運行狀態，直觀了解部件運行原理等。利用單元三維素材，幫助受訓人員了解更多難以展示的零部件細節，以此實現機械設備隱性部件可視化。

（五）工藝流程系統化

在鐵路專業設備維修培訓活動中，主要通過文字介紹、三維結構示意圖等多種教學方法，向受訓人員傳授設備檢修的工藝流程、工藝技術、環保安全、工藝裝備、工藝危害等基礎知識，依托于虛擬現實技術優化機械設備維修的工藝流程，幫助受訓人員系統性掌握設備檢修作業的方法和手段，并了解相關機械設備操作的方法及安全注意事項等內容。

三、虛擬現實在鐵路培訓中的具體應用

在鐵路培訓中，運用虛擬現實技術可以為內部職工帶來直觀化、立體化的教學環境，推動傳統鐵路培訓模式優化升級，但在虛擬現實技術與鐵路培訓融合過程中仍需解決技術應用方面存在的問題。

（一）虛擬場景建模技術

虛擬場景建模技術可以為鐵路培訓活動提供重要的教學基礎，該技術可以確保模型的可靠性。但在虛擬場景建模技術應用過程中應避免模型建立過于單一，為用戶帶來虛假的體驗和感受。復雜的模型會增加自然環境交互的難度。其中，三維幾何建模、圖像建模、混合技術建模已成為虛擬現實中應用較廣泛的建模技術。三維幾何建模需要通過修改三維模型中的點、線、面等數據，盡可能地還原真實的三維場景模型，以模型渲染的形式增強三維場景模型的真實性。對于光照模型而言，在模型建立過程中需要不斷調整模型表面紋理、表面材質、陰影效果等。圖像建模需要用到圖形學中的紋理映射技術，通過對比、參考實體圖片或錄像截圖等參數，采取圖像變換、融合、映射等多種數據處理方法，從不同視角還原真實的場景模型。混合建模屬于三維幾何建模與圖像建模的混合應用，在建立過程中，要以真實的圖像為參考，根據三維幾何圖形精細化還原三維虛擬模型，并從表面紋理、材質屬性、光學效果等角度出發，為三維虛擬場景賦予實時交互、快速渲染的特征。但上述三種建模技術都可以保證三維虛擬場景建立的精準性，并提供精準的參數和影像資料。

（二）人機交互技術

傳統人機交互技術主要通過鼠標或其他輸入方式操作計算機，但虛擬現實技術可以在虛擬世界中為用戶提供多種交互方式，例如，通過眼睛、皮膚、語言等介質實現更高級的交互。傳統計算機交互具有一定的弊端，而虛擬現實技術下的人機交互可以提供更自然的形式。

（三）虛擬環境聲音

虛擬環境聲音的實現可以借助先進的識別技術，將用戶發出的聲音轉化為可供計算機識別的語音信息，從而精準傳達用戶發出的每條語音指令。用戶將聲音輸入指定的系統后，即可利用識別軟件對比曾經存儲的聲音樣本和系統轉化的數據文件，為數據文件編制適合聲音樣本的序號，從而在系統內部下達相應的指令。此外，在人工合成語音輸出方面，可以選擇語音重放或文—語轉換的方式，利用相應的合成技術為用戶帶來沉浸式的體驗，將虛擬環境聲音的實現與合成技術相結合，為用戶提供更簡單的虛擬環境語音交流方式。

（四）立體顯示技術

由于人體左眼與右眼觀察物體的角度不同，導致兩只眼睛觀察到的圖像存在一定差異。而立體顯示技術運用了人體左眼與右眼之間的視差，通過大腦自動融合具有差異的圖像信息，為用戶呈現立體化的物體空間模型。在虛擬現實世界中，可以利用分時、分光等特定技術，讓用戶看到不同幀數、不同位置的圖像，并在大腦中將它們處理為立體化的物體模型。

（五）實時碰撞檢測技術

當用戶與虛擬環境中的物體進行交互時，系統應及時檢測這些碰撞反應，提供給用戶真實的交互體驗。但在實時碰撞檢測技術應用過程中，應確保虛擬環境中的實物不可穿透，保證虛擬環境交互的真實感與體驗感，同時充分發揮實時碰撞檢測技術的實時性與精確性優勢。

四、鐵路虛擬現實培訓系統設計

（一）設計原則

鐵路虛擬現實培訓系統設計必須以鐵路培訓特點為出發點，結合受訓人員的實際學習需求，遵循以下系統設計原則：

第一，實用性原則。在鐵路虛擬現實培訓系統設計中必須充分考慮鐵路培訓要求，嚴格遵守鐵路培訓標準，結合鐵路生產作業科學設計培訓場景和培訓內容，綜合涵蓋所有受訓者從事的職務，為受訓人員提供近距離觀察設備維修過程的機會，確保受訓內容與實際的鐵路生產作業緊密相關，充分激發受訓人員對鐵路虛擬現實培訓系統的學習興趣。

第二，互動性原則。利用虛擬現實構建三維仿真虛擬環境可以為受訓人員提供真實的體驗環境，配合各種外設設備還能增強鐵路培訓作業操作的體驗感，從而激發受訓人員學習、操作相關設備的積極性。

第三，穩定性原則。在鐵路培訓活動中，必須保證虛擬現實培訓系統的交互反應速度以及場景切換速度，這將會直接影響整個鐵路培訓的效果，但同時也對系統的穩定性提出了較高的要求。

第四，適應性與可拓展性原則。鐵路虛擬現實培訓系統應適用于各種不同的運行環境，確保系統預留的硬件模塊接口具備多種功能，以便于結合鐵路培訓需求及時調整系統結構，從而提升鐵路虛擬現實培訓系統設計的適應性。

（二）系統主體結構

在鐵路虛擬現實培訓系統設計中，應充分考慮職工工種、培訓需求及其中可能存在的問題，確保系統結構包含學習系統、實訓系統、考核系統、管理系統等。在學習系統中，不僅要輸入鐵路公共知識及各類安全教育規范，還要根據職工所屬的工種設計相應的學習內容。借助虛擬現實技術制備不同的設備構件3D模型，促使每位受訓人員都能深入學習其所屬工種的基礎理論知識，進一步改善傳統理論知識教學存在的弊端。在實訓系統中，可以配合外設設備，通過人機交互體驗的方式，引導受訓人員模擬鐵路生產作業中涉及的操作過程，使受訓人員在虛擬環境下了解設備裝配、更換、檢修的操作步驟，從而不斷優化各項鐵路生產作業的工作流程。在虛擬現實技術支持下，還可以指導受訓人員演練各種實訓場景，以實踐的形式提高受訓人員的應變能力和技能操作水平。在考核系統中，可以設置理論知識和操作技能兩個方面的考核內容，重點考察受訓人員對基礎理論知識和核心技能的掌握程度，并根據考核結果對受訓人員提出相應的指導意見。在管理系統中，增設用戶管理、系統設置、信息管理三個模塊，便于用戶登錄個人賬號及查看相關信息，并根據鐵路培訓需求調整系統相關數據信息或增設相應的培訓場景，用戶也可以隨時查看自身學習成果及相關記錄信息。

（三）系統優勢

鐵路虛擬現實培訓系統設計具有明顯優勢，第一，降低傳統鐵路培訓工作需要的人力和財力成本，根據鐵路職工培訓的實際需求，便于受訓人員隨時隨地獲取所需的學習內容。第二，強調受訓人員在整個學習過程中占據的主體地位，使其結合自身素質水平選擇適合的學習內容，并在虛擬環境空間內提供個性化學習模塊。第三，最大程度上模擬真實的鐵路現場情況，使受訓人員獲得真實的體驗感，進一步縮小鐵路培訓與實際生產作業之間的差距。

五、結語

綜上所述，虛擬現實技術在鐵路培訓中的應用可以展示真實的鐵路生產作業場景，重點強調系統模擬的實用性和有效性，確保鐵路培訓評價標準的科學性，從而為受訓人員提供更好的培訓服務。虛擬現實技術的功能還能激發受訓者的學習興趣，促使他們更積極、更主動地參與到鐵路培訓考核工作中來，同時深入挖掘每位受訓者的創新創造潛能。

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作者簡介：李強（1984），男，內蒙古自治區赤峰市人，本科，中級，主要研究方向為人力資源。