道路檢測虛擬實驗系統的開發與效果評價分析

摘要：文章提出一種基于虛擬現實技術的線上道路檢測實驗教學系統，通過該系統開展道路抗滑性能、平整度和壓實度的線上檢測實訓。基于對比實訓前后學生開展實驗的操作時長實測數據，結果表明通過系統訓練可縮短學生線下操作時長約30%～40%，具有良好的提升效果。該系統的開發旨在提高學生的實踐能力和安全意識，降低線下實驗的人力、時間及物資成本，取得了良好的效果。

關鍵詞：道路檢測；虛擬現實技術；壓實度；平整度；抗滑性能

中圖分類號：U495" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）18-0056-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

高校實驗室作為高校開展實驗教學和科學研究的重要場所，涉及諸如化學、機械、電氣等眾多方面的危險因素，具有較高的危險性，對學生和教師都存在一定的人身安全風險。近年來，國內高校各類大大小小的火災、爆炸和毒害性事故頻繁發生，雖然相關部門也采取了加大宣傳、安全管理等預防措施，但各類事故的發生還是為實驗室的使用者和行政管理部門敲響了警鐘[1]，如何降低或避免安全事故的發生越來越受到重視。

作為教育數字化戰略行動的具體體現，虛擬現實技術越來越受到高教界的重視。在機械類行業，寧君等[2]通過對船舶操縱與避碰過程開展虛擬仿真教學課程的開發實踐，彌補了傳統教學在設計安排、學生主動性的激發和差異化培養等方面的問題。趙大軍等[3]對地質中的鉆探設備進行了虛擬仿真實驗設計，解決了工科專業中的真實教學難題；在醫學類行業中，王航等[4]以血脂檢查為突破口構建了虛擬仿真實驗教學課程，解決了檢測指標少、缺乏臨床性和樣本難以獲取等不足缺陷。周旭等[5]以醫學圖像處理課程為例，采用虛擬仿真的教學方式，解決了醫學圖像分割教學中實踐性不足的問題。虛擬現實技術在教學中具有一定的應用價值。

基于上述虛擬現實技術在高校實驗教學中的價值，本文基于Unity 3D開發引擎自主研發線上道路工程檢測虛擬仿真實驗系統，該系統主要包含道路平整度、壓實度和抗滑檢測三個模塊。通過實驗的設計和運行，可以幫助學生更好地理解道路檢測的原理和方法，提高他們的實踐能力和安全意識，節省師生的時間和精力，提高教學效率。

1 相關前期工作

道路檢測是對道路工程質量進行評定的重要手段，是道路工程施工技術管理和質量管理的重要組成部分，也是控制工程質量和評定竣工驗收的科學依據。它包括對路面狀況、承載力、材料性能及安全功能的全方位檢查與測試。具體來說，道路檢測包括路面、基層和墊層的原材料質量檢查、壓實度、彎沉與表觀破損等道路性能的綜合性檢查與分析。其目的是對道路的使用狀況進行評估以及預測剩余壽命，給相關管理養護部門提供決策依據與參考。通過檢測結果，對道路采取相應的維修養護措施，預防或降低道路病害擴展，保障道路安全運營，延長使用壽命。常見的道路檢測范圍主要包括對高速公路、國省干道的路況檢測。其中，道路的抗滑性能、壓實度和平整度都是日常檢測的重要內容。

發達國家由于交通運輸業起步較早，在道路的運維管養方面積累了豐富的經驗，道路檢測技術也較為成熟。依托先進機械設備與持續研發投入，其道路檢測處于領先水平。在歐美地區，自動化、智能化檢測設備基本全面覆蓋道路檢測行業，激光雷達、無線通信等新型檢測技術得到廣泛應用。宋波等[6]揭示了既有路面的長壽命結構性能的檢測內容。由此可知，發達國家通過完善監測數據構筑智能化路網，已基本實現了道路數據與狀態的實時監測與存儲分析。

近年來，隨著交通強國戰略的提出，國內的道路檢測水平也得到了長足發展。黃若昀[7]等綜述了當前國內依托無人機開展路面施工和噪聲檢測的相關研究，可以看出，無人機、智能機器人與自動化檢測車等新型檢測設備與技術的應用能進一步提升道路檢查的效率與精確度。并且，隨著當前云計算、大數據的發展，如何將日常的檢測數據通過深度學習、圖像處理等方式進行反演、挖掘和預測其演變規律是當前以及未來一段時間內道路檢測的新趨勢。此外，各級政府部門也大力支持開展智慧交通的相關研究。

1.1 現有方法中的不足

當前道路檢測行業發展迅速，隨著檢測技術的完善，檢測方式也從傳統的人工目檢、設備檢測發展到當下的半自動化檢測階段。傳統的人工目檢作為最直觀的道路檢測方式，在道路建設階段為提升工程質量提供了較大幫助，但人工檢測存在人力、物力耗費大和效率低下的問題，并且其主觀性較強、檢測環境差異大等原因也限制了此類方法的進一步推廣。隨著道路規模的擴大、路面狀態復雜程度的提升，常規的人工目檢+相機采集的設備檢測方式遠遠不能滿足當前道路檢測的需求。近年來，隨著智能化、信息化路網的構建，對于道路檢測的常規檢測項目，已基本實現了自動化、數智化檢測。但對于一些特殊復雜的道路問題，如檢測深度限制、數據解讀和分析的復雜性以及成本和時間因素的考量等，都是當前以及未來一段時間內道路檢測發展的方向。

1.2 高校實驗教學中虛擬現實技術的運用

高校是人才培養的主戰場，承擔著人才培養的主要職能。工程認證教育標準中明確要求學生必須掌握使用現代工具解決復雜工程問題。但當前受限于教育經費不足，大多數應用型高校的實驗教學設備較為落后，對學生的創新性培養與動手能力的提升具有較大限制。虛擬現實技術的引入對當前實驗教學具有良好的改變，借助電子計算機等設備使得這一技術能夠突破實驗條件和課時限制，在道路檢測教學實踐中按照人才培養目標的要求，突出學生的主體地位，讓學生真正動起來、思考起來，采用理實一體化兩段式教學，學生可以在任何時間、任何地點進行模擬訓練。這項技術的特點是在降低或避免安全事故的發生的同時突出實踐，學生可以進行實時考核與知識弱點的反復練習，掌握必要的檢測技能，增強團隊協作和科學嚴謹的意識，逐步培養實際動手操作能力和數據處理能力，使學生獨立思考和解決問題的能力進一步提高，從而促進道路檢測實驗教學質量的提升，因此這項技術起到了承上啟下的作用。

2 線下實驗介紹

道路的抗滑性能、壓實度和平整度檢測實驗的標準均參照《公路路基路面現場測試規程》（JTG 3450—2019） 開展。本節主要介紹線下實驗的開展內容，以此為后續的虛擬實驗對比提供參照標準。

2.1 道路抗滑檢測實驗

根據現行公路工程質量檢驗評價的相關標準，評價道路抗滑性能的技術指標通常是采用擺式摩擦系數測定儀測得的路面抗滑值、構造深度等參數來確定。依托擺式摩擦儀測定瀝青路面、標線或其他材料試件的抗滑值，以評定路面或路面材料試件在潮濕狀態下的抗滑能力。

2.2 道路壓實度檢測實驗

與抗滑檢測實驗類似，道路壓實度檢測實驗亦基于壓實度、干密度等指標來評價路面材料的密實程度。其中，鉆芯法是一種常見的路面壓實度測試方法，通過路面鉆芯取樣開展結構性能評估，為后續路面維修養護提供參考。

2.3 道路平整度檢測實驗

此外，道路的平整度檢測也是道路檢測中非常重要的組成部分。依托規范要求，對道路的凹凸情況開展檢測，其技術指標通常是對路面關鍵點開展深度測試，統計其最大間隙（m）、標準差（σ） 等方式，判斷其平整度是否滿足行車的舒適、平穩要求，是對道路表面平整性進行評估檢測的一項重要測試項目。與前述道路抗滑性能、壓實度檢測共同組成道路綜合檢測的常規三大指標檢測項目。

3 本文軟件介紹

基于高校實驗教學需求，本文建立了基于虛擬現實技術的道路工程檢測試驗虛擬仿真教學項目（Road Engineering Inspection amp; Testing Virtual Reality） 。在REIT-VR系統中，學生可以便捷地開展道路檢測實驗。與傳統的線下道路檢測實驗相比，它提供了一個可以測試學生專業能力與操作水平的平臺。同時，REIT-VR提供數據查看、工具背包、步驟引導和環境設置等各種輔助工具，能夠為學生順利完成實驗提供技術支持。

3.1 系統介紹

REIT-VR系統包含前端界面、平臺操作和后臺管理等部分。前端界面由登錄界面、項目引導區和項目描述區組成，主要通過實驗介紹和項目引導視頻等方式了解相關實驗原理、使用儀器、實驗方法與考核要求等。平臺操作主要包含道路抗滑檢測、道路壓實度檢測和道路平整度檢測的線上實驗交互式操作開展。后臺管理能夠實時掌握學生信息、成績、實驗時間等。學生在登錄界面輸入賬號和密碼登錄系統，隨后跳轉至可視化操作界面查看實驗目的、實驗原理、實驗儀器設備、教學實驗方法、操作步驟、實驗結果與結論要求和考核要求等內容，具體系統界面與評價體系如圖1所示。

圖1所示的實驗系統匯聚在線教學、在線練習、實驗過程記錄和考核評價，充分體現了先進性、綜合性、可操作性、多元化、遞進式，強化學生的工程思維能力訓練，特別是加強了從實驗方法選擇、實驗資源選擇到實驗過程質量控制等施工全過程的系統思維，實現學生知識與能力的提升，達到創新性與高階性并重。

3.2 實驗選擇系統與后臺管理

進入REIT-VR系統后，可開展道路抗滑檢測、道路壓實度檢測和道路平整度檢測三個系列的虛擬仿真實驗。通過后臺管理系統，可以實時查看參與實驗的學生人數和參與實驗次數，導出學生信息，查看學生答題分數，使授課教師能夠掌握學生的參與情況與完成度。

3.3 案例對比驗證

為驗證并評價REIT-VR系統的教學效果，在某高校選取一段長約400米的校園內部道路開展路面平整度性能的測試。主要關注學生開展現場實驗測試的操作速度、準確度和熟練程度，繼而對比虛擬仿真實驗對學生技能的提升效果。通過REIT-VR系統的實測效果對比情況如表1所示。

由表1可知，通過REIT-VR系統訓練后，學生在各類實驗項目的完成時間均會減少。其中，道路抗滑檢測的花費時間由13.2分鐘減少到8.3分鐘，減少約37%。道路壓實度檢測的花費時間由12.5分鐘減少到8.7分鐘，減少約30%。道路平整度檢測的花費時間由15.4分鐘減少到9.2分鐘，減少約40%。這一結果反映該系統具有較好的訓練效果。

4 總結

隨著當前教育智能化的發展，虛擬仿真技術越來越受到教育界的重視。在這一背景下，開展虛擬仿真實驗教學的研究具有重要的應用意義。本文依托道路檢測實驗課程，自主研發了REIT-VR系統。通過該系統的學習訓練，能縮短學生開展線下實驗30%～40%的時間，并且仿真實驗也具有較好的安全性能。后續，本文相關成果也可進一步對接深度學習、機器視覺等AI技術，開展數據訓練與路面損傷識別的智能化教學研究。

參考文獻：

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[3] 趙大軍，趙研，王戈，等.鉆探設備結構原理及金剛石鉆進虛擬仿真實驗系統建設與實驗教學實施[J].高教學刊，2024，10（18）：1-5.

[4] 王航，王悅冰，王利鳳，等.血脂檢測虛擬仿真實驗教學改革與探索[J].中國現代教育裝備，2024，11（11）：5-8.

[5] 周旭，楊陽，楊靳，等.醫工融合背景下虛擬仿真實驗教學平臺構建與探索：以醫學圖像分割為例[J].中國教育技術裝備，2024，14（14）：55-59.

[6] 宋波，薛忠軍，周緒利，等.歐美國家利用既有道路進行長壽命路面研究的綜述[J].市政技術，2016，34（1）：17-22.

[7] 黃若昀，黃怡，黃曉明.基于可編程無人機的路面性能檢測研究現狀與展望[J].現代交通與冶金材料，2021，1（4）：14-25.

【通聯編輯：謝媛媛】