虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高職軌道交通類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

閆麗芳　趙超

摘要：文章分析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，結(jié)合高職軌道交通類專業(yè)虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)形式，探討了虛擬仿真技術(shù)在高職軌道交通類實訓(xùn)中的應(yīng)用方法和途徑。

關(guān)鍵詞：高職 ;實踐教學(xué) ;信息化應(yīng)用

中圖分類號：G642? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0111-02

軌道交通類專業(yè)是一項實踐技能要求極高的技術(shù)型專業(yè)，實踐操作是教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)?！督逃筷P(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》指出，“要積極探索校內(nèi)生產(chǎn)性實訓(xùn)基地建設(shè)的校企組合新模式，要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實驗。要形成一批高水平的高等職業(yè)教育校內(nèi)生產(chǎn)性實訓(xùn)基地”。虛擬現(xiàn)實技術(shù)為解決高職軌道交通類專業(yè)實踐的“看不到”“動不了”“難再現(xiàn)”問題提供了解決方法。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是以沉浸感、交互性為基本特征的計算機(jī)高級人機(jī)界面，是迅速發(fā)展的一項綜合性計算機(jī)、圖形交互技術(shù)。它綜合利用了計算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行計算和傳感技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感官功能，使人與計算機(jī)進(jìn)行交互，通過語言、手勢等方式進(jìn)行交互，身臨其境，突破時間、空間限制，感受真實世界中無法親身經(jīng)歷的體驗。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有多感知性、存在感、交互性、自主性等特征，虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)主要由動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實施三維圖形生成技術(shù)、立體現(xiàn)實技術(shù)、傳感器技術(shù)、系統(tǒng)開發(fā)與集成技術(shù)等方面組成。當(dāng)今的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊，在娛樂、教育、新聞、醫(yī)療、太空探索、博物館等場景都有應(yīng)用。近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及，一些基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用使得位于不同地理空間的用戶可以進(jìn)行協(xié)同工作。將分散的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)或仿真器通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)起來，采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫，形成一個在時間和空間上互相耦合的虛擬合成環(huán)境，參與者可自由地進(jìn)行交互作用。

對于軌道交通類職業(yè)院校，越來越重視實踐教學(xué)的開展，利用虛擬仿真技術(shù)對實踐教學(xué)的創(chuàng)新和改革已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。虛擬仿真的優(yōu)勢在于高度仿真虛擬實驗實訓(xùn)環(huán)境和對象，呈現(xiàn)客觀世界的真實物理特性和相互作用，其高度沉浸和仿真的效果可以達(dá)到傳統(tǒng)教學(xué)手段不能企及的高度。開發(fā)虛擬仿真資源是解決軌道交通專業(yè)實訓(xùn)基地建設(shè)成本大、技術(shù)門檻高、傳統(tǒng)方法不易實現(xiàn)等問題的一個重要途徑。

2 軌道交通專業(yè)虛擬仿真的技術(shù)形式

軌道交通運輸企業(yè)的產(chǎn)品是人或物的轉(zhuǎn)移，該類專業(yè)的要滿足培養(yǎng)學(xué)生掌握職業(yè)崗位所需的專業(yè)核心能力就需要盡可能的創(chuàng)建真實工作環(huán)境以期達(dá)到讓學(xué)生的接觸真實的“生產(chǎn)過程”并參與“真實工作任務(wù)”從而掌握實踐技能。軌道交通類專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)資源和實訓(xùn)項目的開發(fā)實現(xiàn)主要體現(xiàn)在以下幾種技術(shù)形式：

1） 展示巡游類虛擬仿真

又稱桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，使用個人計算機(jī)和初級工作站來產(chǎn)生三維空間的交互場景。這是虛擬仿真最廣泛和最簡單的應(yīng)用，使用者以第一人稱視角進(jìn)入3維場景，漫游并瀏覽相關(guān)設(shè)備和設(shè)施，系統(tǒng)給出相關(guān)文字或多媒體信息，用于專業(yè)工作場景及設(shè)備內(nèi)容方面的認(rèn)知和學(xué)習(xí)。例如城市軌道交通認(rèn)知環(huán)境演練、鐵道運輸場景演練等實訓(xùn)項目，適合建設(shè)此類展示巡游類虛擬仿真。該類系統(tǒng)具有小型、經(jīng)濟(jì)、適用等特點，借助位置跟蹤及其他手控輸入設(shè)備，在虛擬環(huán)境中漫游。

2） 技術(shù)應(yīng)用虛擬仿真

這類仿真是針對某種技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行的虛擬仿真，如某些設(shè)備或軟件的操作，某型工藝的模擬實施。通過建立虛擬仿真設(shè)備模型或相同軟件UI，針對具體的操作規(guī)范和工作作業(yè)流程，對設(shè)備（系統(tǒng)）的操作過程、操作數(shù)據(jù)（參數(shù)）進(jìn)行虛擬仿真，讓學(xué)員借助鼠標(biāo)、手柄等外設(shè)控制虛擬設(shè)備，進(jìn)行虛擬操作、虛擬拆裝、虛擬檢修、虛擬裝配，學(xué)生可以較短的時間內(nèi)掌握設(shè)備（系統(tǒng)）的各種應(yīng)用技術(shù)。例如高鐵接觸網(wǎng)運維與檢修、鐵道車輛檢修與維護(hù)等教學(xué)，適合建設(shè)此類虛擬仿真。

3） 任務(wù)協(xié)同虛擬仿真

此類虛擬仿真系統(tǒng)需要崗位協(xié)同的分布式設(shè)計來實現(xiàn)。軌道交通類專業(yè)的專業(yè)定位主要面向地鐵、鐵路一線崗位，車站、線路、車間大部分的工作也是由多崗位、多設(shè)備、多系統(tǒng)相互協(xié)同完成。以城軌車站應(yīng)急虛擬仿真系統(tǒng)為例，設(shè)計系統(tǒng)化的真實工作任務(wù)，源于企業(yè)實際真實工作任務(wù)，按照教學(xué)目標(biāo)要求，通過預(yù)制的任務(wù)腳本針對不同學(xué)生指導(dǎo)、參與、演繹腳本的實現(xiàn)，學(xué)生按任務(wù)中的崗位角色設(shè)定進(jìn)行群體協(xié)作和配合，教師通過任務(wù)導(dǎo)演的形式讓學(xué)生充分體驗完整工作任務(wù)的全過程和實際情境，掌握安全生產(chǎn)的基本工作要求，充分提高學(xué)生的應(yīng)急處理等基本工作能力和安全職業(yè)素養(yǎng)。

4） 半實物虛擬仿真

半實物虛擬仿真系統(tǒng)就是一種在同一項目內(nèi)虛擬仿真部分與真實的物理設(shè)備、儀器儀表結(jié)合而成系統(tǒng)回路，形成更加真實有效的培訓(xùn)效果。半實物虛擬仿真系統(tǒng)可以應(yīng)用在生產(chǎn)工藝的系統(tǒng)化半實物仿真（采用真實的人機(jī)界面，后臺系統(tǒng)采用虛擬仿真或部分虛擬仿真）、組設(shè)備操作的半實物仿真（組設(shè)備包括真實設(shè)備和虛擬設(shè)備，組合形成系統(tǒng)回路）、仿真沙盤等需要虛實結(jié)合的項目。半實物虛擬仿真系統(tǒng)技術(shù)涉及總體技術(shù)、仿真模型校核與驗證技術(shù)、接口技術(shù)、運動特性仿真技術(shù)、虛擬物理量控制技術(shù)等。將虛擬仿真對象與等比例或縮小比例的物理實物對象通過接口模塊和伺服控制與反饋模塊、物理量數(shù)據(jù)庫等構(gòu)建完整閉環(huán)的系統(tǒng)仿真回路，虛擬仿真對象與物理實物對象在系統(tǒng)中同步實時運行并共享數(shù)據(jù)，從而模擬整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

3 軌道交通專業(yè)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用

1） 軌道交通專業(yè)實訓(xùn)應(yīng)用場景

在一些傳統(tǒng)方法不易實現(xiàn)的領(lǐng)域，可以采用建設(shè)虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)來實現(xiàn)模擬“真實工作任務(wù)”這一目標(biāo)。針對軌道交通專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)而言應(yīng)用場景有：復(fù)雜程度較高不易反復(fù)操作的實驗實訓(xùn)，如模擬駕駛、調(diào)度實訓(xùn)等;危險性程度非常高且對安全高度要求的實驗實訓(xùn)，如調(diào)車作業(yè)、接觸網(wǎng)作業(yè)等;極端破壞性的實驗實訓(xùn)，如事故、火災(zāi)等應(yīng)急演練等;變化周期過長的實驗實訓(xùn)，如線路施工等;以及無法控制變化過程以及采用傳統(tǒng)方法無法或不易完成的實驗實訓(xùn)，如事故救援等。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢，將其應(yīng)用到實訓(xùn)教學(xué)環(huán)的課前、課中、課后等環(huán)節(jié)。

2） 軌道交通專業(yè)校內(nèi)實訓(xùn)應(yīng)用

在校內(nèi)實訓(xùn)時，利用虛擬訓(xùn)練進(jìn)行技能訓(xùn)練。例如在校內(nèi)建立的鐵路機(jī)車模擬駕駛裝置、地鐵司機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，利用模擬系統(tǒng)對學(xué)生進(jìn)行列車操縱能力和列車運行中故障處理能力的技能訓(xùn)練，特別是電器內(nèi)部故障、DCU故障、火災(zāi)、列車脫離、線路毀壞等非正常情況下的應(yīng)急處理訓(xùn)練;引進(jìn)軌道運輸運營虛擬教學(xué)系統(tǒng)，將計算機(jī)聯(lián)鎖軟件、底層聯(lián)鎖邏輯和現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)及變化過程整合到訓(xùn)練沙盤上，為軌道運輸專業(yè)學(xué)生提供直觀的實訓(xùn)仿真環(huán)境，進(jìn)行設(shè)備單操、調(diào)車、正常和非正常情況下接發(fā)車等操作技能訓(xùn)練。如在地鐵運營調(diào)度實踐中，采用軌道交通綜合仿真系統(tǒng)，模擬各種線路和列車的運行狀況，讓學(xué)生掌握列車調(diào)度的操作規(guī)程，提高學(xué)生的安全生產(chǎn)意識。

3） 軌道交通虛擬實訓(xùn)基地建設(shè)

在實訓(xùn)基地建設(shè)中，虛實結(jié)合不僅僅指的是在專業(yè)方案框架下不同實訓(xùn)項目的虛擬形式與真實形式的結(jié)合，也包括同一項目內(nèi)虛擬仿真與真實物理設(shè)備的結(jié)合。當(dāng)然，實訓(xùn)項目的虛擬性和真實性應(yīng)有機(jī)結(jié)合，相互交融。一方面，要通過虛擬補(bǔ)缺補(bǔ)差對校內(nèi)原有實訓(xùn)項目中由于資金、場地、技術(shù)等原因不能建設(shè)的生產(chǎn)工藝、設(shè)備、材料等通過建立虛擬的場景和圖像予以補(bǔ)充;另一方面，要通過虛實結(jié)合提高實訓(xùn)效果充分發(fā)揮虛擬技術(shù)直觀、形象的功能，提高生產(chǎn)工藝與設(shè)備的透明度，使復(fù)雜的工藝與設(shè)備問題簡單化，從而促使學(xué)生在有限的空間和時間內(nèi)掌握更多的實踐知識，使知識傳授的速度和強(qiáng)度大大提高。

總之，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在軌道交通類專業(yè)實訓(xùn)中的應(yīng)用日益普遍，在高職軌道交通類實踐教學(xué)中還需加強(qiáng)虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)，提高教學(xué)實訓(xùn)系統(tǒng)的仿真度，并借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)虛擬實訓(xùn)資源的共享，避免重復(fù)建設(shè)。在虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用中，密切結(jié)合理論教學(xué)過程，拓展學(xué)生實際技能訓(xùn)練，增強(qiáng)學(xué)生真實體驗感，提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】