基于VR技術(shù)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖虛擬仿真系統(tǒng)的研究

都淑明

一、概述

近年來，我國(guó)鐵路行業(yè)發(fā)展迅猛，截至2016年底，全國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)12.4萬千米，其中高速鐵路2.2萬千米以上，占世界高速鐵路總里程的60%以上。同時(shí)，鐵路技術(shù)也快速發(fā)展，鐵路信號(hào)設(shè)備不斷地更新?lián)Q代。為適應(yīng)高速鐵路大面積投入實(shí)際運(yùn)營(yíng)的需要，鐵路企業(yè)對(duì)鐵路信號(hào)工提出了全新的要求，需要大量掌握高新技術(shù)的高技能人才。

虛擬仿真技術(shù)（Virtual Reality）是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)之一，該技術(shù)能夠產(chǎn)生一個(gè)與真實(shí)環(huán)境高度近似的虛擬數(shù)字化環(huán)境，用戶可以對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互操作，并能從中得到必要的反饋，從而讓用戶獲得如同在對(duì)應(yīng)真實(shí)環(huán)境中一樣的體驗(yàn)。隨著虛擬仿真技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展日趨成熟，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，并且取得了良好的效果。

二、目前教學(xué)遇到的困難

鐵道信號(hào)專業(yè)的畢業(yè)生主要從事鐵路信號(hào)設(shè)備的檢修、維護(hù)等工作，在教學(xué)中需要講授專業(yè)設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)、作用和工作原理，以及設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用過程中的檢修、故障處理等內(nèi)容。鐵路信號(hào)設(shè)備種類多、體積大、原理復(fù)雜，所以有的授課內(nèi)容難以理解。一般采用文字加圖片的方式進(jìn)行課堂講授，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，缺乏主動(dòng)性，教學(xué)效果一般。鐵道信號(hào)專業(yè)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備種類多、造價(jià)高，在現(xiàn)有的條件下將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備完整地搬進(jìn)學(xué)校是不可能的。校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地場(chǎng)地有限，有的信號(hào)設(shè)備體積龐大，普通的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地?zé)o法容納。因此，鐵道信號(hào)專業(yè)的校內(nèi)實(shí)訓(xùn)設(shè)備一般來自鐵路現(xiàn)場(chǎng)退役或報(bào)廢的設(shè)備。這些設(shè)備數(shù)量有限、技術(shù)落后，導(dǎo)致學(xué)校實(shí)訓(xùn)內(nèi)容難以系統(tǒng)化，學(xué)生無法整體認(rèn)知鐵路信號(hào)系統(tǒng)。鐵道信號(hào)專業(yè)的校外實(shí)踐一般要到鐵路電務(wù)段、鐵路車站等單位進(jìn)行，這些單位是鐵路運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵部門，出于安全生產(chǎn)和交通正常運(yùn)行的考慮，通常能為職業(yè)院校提供的實(shí)踐教學(xué)機(jī)會(huì)較少。

三、 虛擬仿真的特點(diǎn)

目前，越來越多的高校認(rèn)識(shí)到單純依靠實(shí)訓(xùn)設(shè)備無法解決日益增長(zhǎng)的實(shí)訓(xùn)需求，虛擬仿真技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①基于虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的實(shí)訓(xùn)環(huán)境方便、易用，而且占用的教學(xué)場(chǎng)地很少，可構(gòu)建在校園內(nèi)無法建設(shè)的實(shí)訓(xùn)室，大大地降低了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的成本；②虛擬仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)情境式教學(xué)、互動(dòng)式教學(xué)等多種教學(xué)方式，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，教學(xué)效果顯著；③虛擬仿真系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)隨時(shí)更新，最大限度地降低了購(gòu)置鐵路信號(hào)實(shí)訓(xùn)設(shè)備、設(shè)施的投入資金。同時(shí)，教學(xué)內(nèi)容也可以不斷更新，使實(shí)踐訓(xùn)練能夠及時(shí)跟上現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展，讓學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容與鐵路現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合更為緊密；④虛擬仿真系統(tǒng)可以使學(xué)生沉浸在“真實(shí)的”虛擬環(huán)境中，與虛擬環(huán)境進(jìn)行各種交互，讓學(xué)生針對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)反復(fù)練習(xí)，從而可以深化概念，鞏固基礎(chǔ)知識(shí)，強(qiáng)化實(shí)踐技能。

四、 虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)專業(yè)教學(xué)內(nèi)容，本課題提出了鐵路信號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。運(yùn)用Unity3D技術(shù)，有效整合DS6-K5B計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，運(yùn)用二維、三維結(jié)合的形式和較強(qiáng)的虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行互動(dòng)仿真表達(dá)。該虛擬仿真系統(tǒng)為鐵道通信信號(hào)相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供了直觀、逼真的鐵路信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)工作場(chǎng)景和完整的虛擬操作過程，按照鐵路信號(hào)專業(yè)人才培養(yǎng)方案的要求，將學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識(shí)與實(shí)際操作相結(jié)合，運(yùn)用學(xué)習(xí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)指導(dǎo)實(shí)踐。該系統(tǒng)為專業(yè)教學(xué)提供了較好的虛擬互動(dòng)平臺(tái)，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，降低了專業(yè)教學(xué)成本。虛擬仿真系統(tǒng)的總體功能如上圖所示。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖虛擬仿真系統(tǒng)主要包括設(shè)備認(rèn)知、虛擬操作、故障檢修以及人機(jī)交互四個(gè)功能。設(shè)備認(rèn)知部分主要包括DS6-K5B型計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，屬于學(xué)習(xí)者應(yīng)知應(yīng)會(huì)的內(nèi)容，主要包括控制臺(tái)、控顯機(jī)、監(jiān)測(cè)機(jī)、聯(lián)鎖機(jī)、電子終端、繼電器接口電路和電源等設(shè)備的認(rèn)知。通過控制鼠標(biāo)鍵盤，可從不同角度觀看設(shè)備模型，展示其組成部件之間的連接關(guān)系，并介紹其相應(yīng)的作用和工作原理，能夠讓學(xué)習(xí)者對(duì)設(shè)備有整體的認(rèn)知與了解。虛擬操作部分主要包括對(duì)主要計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的拆解、組裝以及特性測(cè)試等操作，通過對(duì)鼠標(biāo)鍵盤的控制，按照設(shè)備拆裝維護(hù)的步驟對(duì)設(shè)備及其部件進(jìn)行操作，既能讓學(xué)習(xí)者掌握并深入理解設(shè)備的原理及組成，還能提高其實(shí)際動(dòng)手操作能力。故障檢修部分主要包括計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的日常檢修、聯(lián)鎖試驗(yàn)和故障處理等內(nèi)容，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)已掌握的聯(lián)鎖知識(shí)，在虛擬仿真系統(tǒng)中進(jìn)行聯(lián)鎖試驗(yàn)，進(jìn)一步鞏固聯(lián)鎖的概念。并且，虛擬仿真系統(tǒng)模擬現(xiàn)場(chǎng)一些常見故障，學(xué)習(xí)者可以完全按照現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)流程進(jìn)行故障處理練習(xí)。同時(shí)，學(xué)習(xí)者還有機(jī)會(huì)在仿真的工作場(chǎng)景中，完成計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的日常檢修工作。虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)必須有完善的人機(jī)交互功能，通過設(shè)置鼠標(biāo)、鍵盤的交互控制功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)場(chǎng)景的場(chǎng)景切換功能和漫游巡視功能，學(xué)習(xí)者可以在學(xué)習(xí)過程中身臨其境地觀察設(shè)備的工作狀態(tài)及虛擬動(dòng)作。

五、 結(jié)束語

在虛擬仿真技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖虛擬仿真系統(tǒng)能夠系統(tǒng)、完整、真實(shí)地模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備，大大降低了教學(xué)成本，改善了教學(xué)效果。在未來的專業(yè)教學(xué)中，根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件將虛擬教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)有機(jī)地融合在一起，可使虛擬教學(xué)不斷克服專業(yè)教學(xué)中的難題，最大限度地利用教學(xué)資源，達(dá)到與傳統(tǒng)教學(xué)的良好兼容。

參考文獻(xiàn)：

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