混合現(xiàn)實技術(shù)在軌道交通信號及控制專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用與探索

黃聰

摘? 要：在我國社會現(xiàn)代化發(fā)展水平不斷提高以及城市化進(jìn)程不斷深入的背景下，軌道交通整體發(fā)展水平呈現(xiàn)出前所未有的上升勢態(tài)。特別是在現(xiàn)代化信息技術(shù)發(fā)展水平不斷提高以及各專業(yè)院校對軌道交通相關(guān)內(nèi)容教學(xué)逐漸重視的環(huán)境下，混合現(xiàn)實技術(shù)在軌道交通信號及控制專業(yè)教學(xué)中發(fā)揮了重要作用。本文針對混合現(xiàn)實技術(shù)在軌道交通信號以及控制專業(yè)教學(xué)中的有效應(yīng)用途徑展開分析，為我國軌道交通整體發(fā)展水平的進(jìn)一步提高奠定堅實基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：混合現(xiàn)實技術(shù);軌道交通;信號;控制;應(yīng)用

中圖分類號：G64;G71? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2021）10-0107-03

軌道交通類專業(yè)是我國社會在現(xiàn)代化發(fā)展過程中的一個重要產(chǎn)物，也是一項對實踐技能具有較高要求的技術(shù)性專業(yè)，在具體教學(xué)過程中實踐操作不僅是必不可少的教學(xué)內(nèi)容，也是提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)能力的重要途徑。教育部頒發(fā)的《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》中明確指出，現(xiàn)代化高等職業(yè)院校開展的校企合作模式，要將工作重點放在如何對校內(nèi)生產(chǎn)性實訓(xùn)基地進(jìn)行建設(shè)，以及對相關(guān)建設(shè)措施積極探索等方面，通過在校內(nèi)積極開發(fā)虛擬實驗室、虛擬工藝、虛擬車間、虛擬工廠等活動，確保在高等職業(yè)院校內(nèi)部組建一批具有較高水平的校內(nèi)生產(chǎn)性實訓(xùn)基地。在此過程中，高職軌道交通類專業(yè)在開展相關(guān)教育教學(xué)活動中具有的難再現(xiàn)、動不了、看不到等問題，均能通過混合現(xiàn)實技術(shù)的有效開展得到充分解決。

一、混合現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展及其在工業(yè)制造中的應(yīng)用

在我國現(xiàn)代化發(fā)展水平不斷提高的背景下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展能力不斷提升。虛擬技術(shù)是能夠?qū)⑷斯ぶ悄芗夹g(shù)、傳感技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、計算機(jī)人機(jī)交互技術(shù)等眾多領(lǐng)域融為一體的新型技術(shù)，使用戶通過對相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的有效使用，有目標(biāo)地進(jìn)行情景體驗和交互體驗。虛擬現(xiàn)實技術(shù)憑借自身的多元化優(yōu)勢能夠有效滿足現(xiàn)代化社會發(fā)展的多種需求，通過對混合現(xiàn)實技術(shù)的有效應(yīng)用，美國實驗室相關(guān)專業(yè)人士研發(fā)了虛擬界面環(huán)境工作站，對頭盔式顯示器進(jìn)行了進(jìn)一步完善，并且對相關(guān)數(shù)據(jù)手套進(jìn)行了工程化改進(jìn)，進(jìn)一步提高相關(guān)設(shè)備的實用性。與此同時，美國波音公司通過對三維制圖軟件以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，為波音飛機(jī)建立了虛擬結(jié)構(gòu)模型，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)虛擬組裝的目標(biāo)，而且還可以對飛機(jī)進(jìn)行模擬實驗，在此基礎(chǔ)上，對波音飛機(jī)展開批量式加工和生產(chǎn)。除此之外，該實驗室不僅利用沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)對一艘海軍運輸船只進(jìn)行了模擬器生產(chǎn)過程實驗，而且還開展了針對虛擬環(huán)境中的對象沖突檢驗和形變研究。

二、混合現(xiàn)實技術(shù)在軌道交通信號及控制專業(yè)中的優(yōu)勢

（一）復(fù)雜的軌道交通信號設(shè)備工作原理模擬

在給學(xué)生介紹軌道交通信號設(shè)備相關(guān)工作原理的過程中，如果采用傳統(tǒng)的教學(xué)理念和教學(xué)措施，很難保證學(xué)生對軌道交通信號設(shè)備的工作原理充分了解。通過對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的有效應(yīng)用，能夠清楚地表達(dá)出三維空間的意念，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)設(shè)出相應(yīng)的虛擬對象，使學(xué)生直接與這些虛擬對象進(jìn)行交流與溝通。此種方式不僅能夠最大限度地提高學(xué)生對相關(guān)虛擬對象的自由控制度，而且還能確保整個教學(xué)環(huán)境具有較高的靈活性。在建立學(xué)習(xí)環(huán)境和實訓(xùn)基地的過程中，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，不僅能夠確保搭建出的教學(xué)氛圍能夠容納多維度的信息數(shù)據(jù)，而且還能引導(dǎo)學(xué)生通過對直觀感覺的有效利用充分理解原理復(fù)雜的內(nèi)容。通過運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立的三維軌道交通信號設(shè)備模型，能夠使軌道交通信號設(shè)備在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的作用下，將實際工作流程真實地展示在學(xué)生面前，再結(jié)合教師對軌道交通信號設(shè)備相關(guān)工作原理展開生動講解，不僅能夠充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識的興趣，而且還能使教學(xué)效率得到進(jìn)一步提高。另外，學(xué)生可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)造出的虛擬環(huán)境，對軌道交通信號設(shè)備的各個零部件進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、移動，對所學(xué)知識進(jìn)行有效的意義構(gòu)建。

（二）復(fù)雜的軌道交通信號設(shè)備部件裝配模擬

在三維設(shè)計系統(tǒng)中，零部件的裝配不僅是不可缺少的重要環(huán)節(jié)之一，同時也對零部件的有效裝備起到了重要作用。然而，目前我國三維設(shè)計系統(tǒng)發(fā)展停留在將零部件組裝成為整體設(shè)備的水平上，無法模擬各個零部件在裝配過程中的實際情況。為了解決這個問題，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)合理引入其中，能確保軌道交通零部件虛擬裝配技術(shù)得到有效實現(xiàn)。比如，作為軌道交通信號設(shè)備的重要組成元素之一，轉(zhuǎn)轍機(jī)是由多個零部件組成的，不僅具有較為復(fù)雜的組成結(jié)構(gòu)，而且相關(guān)零部件的類型具有多元化特點。如果僅觀看視頻以及圖片，很難確保學(xué)生明確掌握各個零部件之間的關(guān)系與位置，更加無法掌握各零部件的作用機(jī)理以及在什么場合運用什么類型的轉(zhuǎn)向架。而通過對虛擬現(xiàn)實技術(shù)可視化功能的有效應(yīng)用，能夠?qū)⑾嚓P(guān)零部件的可裝配性能充分展示出來，使學(xué)生深入了解各部件的安裝位，從而對各零部件的作用機(jī)理充分掌握。另外，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的有效應(yīng)用還能使學(xué)生具備結(jié)合實際情況對軌道交通相關(guān)設(shè)備零部件的形狀進(jìn)行改進(jìn)的意識與能力，研究出有效降低相關(guān)裝備配置具有的復(fù)雜性的方法，簡化連接方式的可行性等，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高其主動性。

（三）復(fù)雜的軌道交通信號設(shè)備模擬

軌道交通信號設(shè)備設(shè)計以及模擬，主要是通過對虛擬現(xiàn)實技術(shù)中數(shù)字模型功能的有效應(yīng)用，全面替代傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備中的物理原型，從而對相關(guān)產(chǎn)品的功能展開分析評價。在對軌道交通信號設(shè)備進(jìn)行加工設(shè)計模擬時，主要以虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維設(shè)計模型為基礎(chǔ)，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及領(lǐng)域知識等內(nèi)容作為關(guān)鍵支撐，通過對不同分析方法和檢驗方法的有效利用，對最終的設(shè)計結(jié)果反復(fù)校對并對存在的問題逐步改進(jìn)。在開發(fā)和設(shè)計傳統(tǒng)產(chǎn)品的過程中，大多時候由于在前期設(shè)計階段沒有對后期多元化的影響因素進(jìn)行綜合考量，設(shè)計方案在實際設(shè)計過程中需要不斷修正，相關(guān)設(shè)備的開發(fā)周期延長。為了有效解決這個問題，將產(chǎn)品并行開發(fā)的方式融入其中，對產(chǎn)品開發(fā)時間、產(chǎn)品成本、產(chǎn)品質(zhì)量等能對后續(xù)設(shè)計環(huán)節(jié)造成影響的多元化因素在前期設(shè)計階段夠展開綜合分析，從根源上解決相關(guān)設(shè)備在后期開發(fā)階段存在重大問題的情況。該方式通過對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的有效應(yīng)用，利用計算機(jī)建立一個對應(yīng)的虛擬實驗室，使學(xué)生能夠在虛擬實驗室中親身體驗到設(shè)計成果的實際表現(xiàn)，從而對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行判斷 [1]。

三、混合現(xiàn)實技術(shù)在軌道交通信號及控制專業(yè)教學(xué)中存在的問題及解決方案

目前，大部分軌道交通信號設(shè)備制造企業(yè)無法為高職院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供現(xiàn)有軌道交通信號設(shè)備零部件的詳細(xì)尺寸以及三維立體模型。因此，在對相關(guān)知識進(jìn)行講解的過程中，需要將真實的軌道交通信號設(shè)備零部件作為模板。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)軌道交通信號設(shè)備的安裝尺寸和外形，利用三維畫圖軟件制作出簡單的結(jié)構(gòu)圖，并創(chuàng)建結(jié)構(gòu)圖庫。然而，這一操作如果只憑借高職院校某一系或者教研室的力量，很難對零件庫進(jìn)行有效構(gòu)建和及時更新。為了解決這個問題，可以將現(xiàn)有的軌道交通信號設(shè)備以及需要及時更新的零部件作為基礎(chǔ)建立對應(yīng)的虛擬仿真模擬庫，并且鼓勵所有開設(shè)軌道交通信號設(shè)備課程的院校展開積極合作，從而使軌道交通信號設(shè)備和零部件庫的共建、共享目標(biāo)得到有效實現(xiàn)。學(xué)校應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生主動參與到對軌道交通信號設(shè)備和零部件的裝配以及繪圖活動中 [2]。

四、軌道交通專業(yè)混合現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用

（一）軌道交通信號及控制專業(yè)實訓(xùn)應(yīng)用場景

對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)而言，可以通過建立虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，有效實現(xiàn)模擬“認(rèn)識工作任務(wù)”這一目標(biāo)。根據(jù)對軌道交通專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)展開的大量實際調(diào)查研究可知，相關(guān)應(yīng)用場景具有以下幾個特征：

第一，相關(guān)場景具有較高的復(fù)雜程度，在進(jìn)行反復(fù)操作實驗實訓(xùn)的過程中具有較高難度。比如，開展調(diào)度實訓(xùn)和軌道交通信號設(shè)備故障處理實訓(xùn)。

第二，相關(guān)場景的危險程度較高，并且對實驗實訓(xùn)具有較高的安全性要求。比如，開展的接觸網(wǎng)作業(yè)以及調(diào)車作業(yè)。

第三，相關(guān)場景要能經(jīng)常開展破壞性較高的實驗實訓(xùn)。比如，火災(zāi)應(yīng)急演練和事故緊急處理演習(xí)。

第四，相關(guān)場景開展的實驗實訓(xùn)需要能夠滿足變化周期較長的需求。比如，開展線路施工作業(yè)。

第五，相關(guān)場地還要開展對運用傳統(tǒng)操作方式無法完成或無法輕易完成的實驗實訓(xùn)以及對變化過程無法有效控制的實驗實訓(xùn)。比如，開展事故救援等活動。

為了有效實現(xiàn)上述教學(xué)目標(biāo)，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用到軌道交通實訓(xùn)中，通過對虛擬現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)作用和優(yōu)勢的有效應(yīng)用，能夠使實訓(xùn)教學(xué)的課前環(huán)節(jié)、課中環(huán)節(jié)、課后環(huán)節(jié)有效開展，確保相關(guān)教學(xué)目標(biāo)得到有效實現(xiàn)的同時，進(jìn)一步提高軌道交通專業(yè)學(xué)生的能力和素養(yǎng) [4]。

（二）軌道交通信號及控制專業(yè)校內(nèi)實訓(xùn)應(yīng)用

在對軌道交通專業(yè)學(xué)生進(jìn)行校內(nèi)實訓(xùn)的過程中，為確保最終實訓(xùn)目標(biāo)得到有效實現(xiàn)，可以將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用其中，利用虛擬實訓(xùn)對學(xué)生的技能展開規(guī)范訓(xùn)練。比如，結(jié)合具體教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生實際學(xué)習(xí)能力在校內(nèi)建立完善的軌道交通信號設(shè)備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)和軌道交通信號設(shè)備模擬裝置，使學(xué)生熟練操作模擬系統(tǒng)，提升自身對軌道交通信號設(shè)備的操控能力，及時有效地解決軌道交通信號設(shè)備在運行過程中出現(xiàn)的故障問題，甚至可以訓(xùn)練學(xué)生在軌道交通信號設(shè)備毀壞、故障等非正常狀態(tài)下采取及時有效措施的能力。與此同時，結(jié)合實際情況將軌道運輸運營虛擬教學(xué)系統(tǒng)引入具體教學(xué)環(huán)節(jié)中，并且在對應(yīng)的訓(xùn)練沙盤上將現(xiàn)場設(shè)備、底層聯(lián)鎖邏輯、計算機(jī)聯(lián)鎖軟件的運行狀態(tài)和變化過程有效結(jié)合并展示出來，從而提供一個具有較高真實性和直觀性的實訓(xùn)仿真環(huán)境，供學(xué)生學(xué)習(xí)和觀摩，從而使學(xué)生在此環(huán)境下訓(xùn)練相關(guān)設(shè)備在正常、非正常、調(diào)車、單操等情況下的接車和發(fā)車操作技能。比如，在地鐵軌道交通運營和調(diào)度的實踐過程中，將軌道交通綜合仿真系統(tǒng)運用其中，對各種列車的運行狀態(tài)以及線路的分布狀態(tài)進(jìn)行模擬，不僅能夠使學(xué)生對相關(guān)列車的調(diào)度規(guī)范以及操作規(guī)程熟練掌握，而且還能使學(xué)生的安全生產(chǎn)意識得到進(jìn)一步提升 [5]。

（三）基于混合現(xiàn)實技術(shù)軌道交通信號及控制專業(yè)實訓(xùn)基地建設(shè)

相關(guān)人員在進(jìn)行軌道交通混合實訓(xùn)基地的建設(shè)過程中需要注意，虛實結(jié)合的建設(shè)方式不僅要充分結(jié)合不同實訓(xùn)項目在專業(yè)方案框架下的虛擬形式與真實形式，而且還要確保同一個項目內(nèi)部具有的真實物理設(shè)備以及虛擬仿真設(shè)備能夠得到充分結(jié)合。同時還需要注意，開展的各項實訓(xùn)項目在真實性以及虛擬性充分結(jié)合的基礎(chǔ)上，還應(yīng)發(fā)揮互相促進(jìn)的作用。這一目標(biāo)的實現(xiàn)主要從以下幾個方面入手：

第一，針對校內(nèi)原有的實訓(xùn)項目而言，可以通過對虛擬補(bǔ)缺補(bǔ)差技術(shù)的有效應(yīng)用，建立虛擬的圖像或場景，對其中由于技術(shù)問題、場地問題、資金問題所導(dǎo)致無法建設(shè)的生產(chǎn)材料、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝進(jìn)行有效補(bǔ)充。

第二，通過對虛實結(jié)合技術(shù)的充分應(yīng)用，確保在開展實訓(xùn)教學(xué)的過程中，其形象化功能和直觀性功能得到充分發(fā)揮。這樣不僅能夠使生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝的透明度大幅度提高，生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝的復(fù)雜程度有效簡化，而且還能促使學(xué)生通過對有效空間和時間的利用掌握更多理論知識和實踐經(jīng)驗。長此以往，不僅能夠使學(xué)生掌握專業(yè)知識的速度和強(qiáng)度全面提升，而且還能確保教學(xué)效果達(dá)到令人滿意的程度 [6]。

五、結(jié)語

根據(jù)以上針對混合現(xiàn)實技術(shù)在軌道交通信號及控制專業(yè)教學(xué)中的有效應(yīng)用途徑展開的詳細(xì)分析和系統(tǒng)性研究，能更加明確地認(rèn)識到，在高職院校軌道交通類專業(yè)實訓(xùn)活動中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍。為了進(jìn)一步促進(jìn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的作用和價值能充分發(fā)揮到高職院校軌道交通類專業(yè)教育教學(xué)中，相關(guān)教育人士還應(yīng)通過高職軌道交通類實踐教學(xué)的有效開展，不斷開發(fā)和完善虛擬仿真系統(tǒng)，從而使教學(xué)實訓(xùn)系統(tǒng)具有的綜合性能進(jìn)一步提升。在此基礎(chǔ)上，使虛擬實訓(xùn)資源具有的共享目標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的輔助下得到有效實現(xiàn)，最大程度避免重復(fù)建設(shè)情況發(fā)生。與此同時，在實際運用虛擬仿真系統(tǒng)的過程中，要對理論教學(xué)的各個過程進(jìn)行緊密結(jié)合，不斷拓展學(xué)生的實際技能訓(xùn)練，使學(xué)生擁有更加真實的體驗感，在激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維的同時，提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，最終為軌道交通信號及控制專業(yè)教學(xué)水平的進(jìn)一步提高以及學(xué)生專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)的全面提升提供積極幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐媛. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在軌道交通車輛相關(guān)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 中國遠(yuǎn)程教育，2020（10）：168-170.

[2] 周玉海. 先進(jìn)制造技術(shù)中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā)研究[J]. 南方職業(yè)教育學(xué)刊，2020，2（12）：123-126.

[3] 吳鳳娟. 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[J]. 科技視界，2015（07）：104.

[4] 陸超. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)：解決專業(yè)教學(xué)與生產(chǎn)安全矛盾的新思路[J]. 職業(yè)教育研究，2020（05）：150-151.

[5] 魏安順，周印，謝叻. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在制造業(yè)的應(yīng)用[J]. 模具技術(shù)，2020（05）：54-58.

[6] 李敏，韓豐. 混合現(xiàn)實技術(shù)在軌道交通信號及控制專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用與探索[J]. 軟件導(dǎo)刊，2020（06）：142-144.

（責(zé)任編輯：胡甜甜）