虛擬現(xiàn)實(shí)在鐵路安全教育的應(yīng)用概述

趙青，蘆旭熠,2，張逸涵,2，岳潤璞,2，單桂華,2＊

1．中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心，北京 100083

2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

我國現(xiàn)代化鐵路的高質(zhì)量快速發(fā)展，對確保鐵路系統(tǒng)的良性運(yùn)轉(zhuǎn)、降低安全事故的發(fā)生概率提出了更高的要求。通過安全教育和培訓(xùn)，能夠在專業(yè)性和規(guī)范性上進(jìn)一步提高鐵路從業(yè)人員的事故預(yù)防、應(yīng)急處理和救援能力，從而整體上提升技術(shù)業(yè)務(wù)和安全素質(zhì)，減少人為事故的發(fā)生幾率。而虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)方法，能夠利用計(jì)算機(jī)對鐵路交通建設(shè)、運(yùn)營中各種復(fù)雜情況進(jìn)行系統(tǒng)模擬，提供交互性強(qiáng)、靈活度高的沉浸式培訓(xùn)應(yīng)用，節(jié)省現(xiàn)場模擬的成本，模擬非正常情況實(shí)驗(yàn)，對鐵路安全教育有著極其重要的意義。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality: VR）通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，模擬產(chǎn)生一個(gè)虛擬三維空間的世界，結(jié)合視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，將用戶與真實(shí)世界隔絕，構(gòu)造一個(gè)完全虛擬的場景，使用者通過頭盔、手柄、數(shù)據(jù)手套等設(shè)備與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互，能夠產(chǎn)生身臨其境一般的感覺。因此VR 技術(shù)常被定義一種全新的人機(jī)接口技術(shù)，一種高端的影像顯示技術(shù)，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，VR 技術(shù)已經(jīng)集合了三維建模技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等多種技術(shù)應(yīng)用，有著更為而豐富的內(nèi)涵。通常來說，一個(gè)VR 系統(tǒng)具有三個(gè)特性[1]：（1）沉浸感，即使用者對虛擬環(huán)境的逼真程度的感受；（2）交互性，即使用者使用交互設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行信息交互的特性；（3）想象性，即使用者對于虛擬環(huán)境的一種合理的想象的推理。早在1984年，美國就開始將VR 技術(shù)用于軍方對宇航員和飛行駕駛員的模擬訓(xùn)練，此后VR 技術(shù)在研究和應(yīng)用上都有不同程度技術(shù)積累與發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)，VR 技術(shù)的不斷創(chuàng)新導(dǎo)致了相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速崛起，VR+工業(yè)、VR+教育、VR+醫(yī)療等多個(gè)產(chǎn)業(yè)的融合成為研究者們探討的主題和實(shí)驗(yàn)。在此背景下，VR技術(shù)在鐵路教育中的應(yīng)用成為必然趨勢。

隨著科技和社會(huì)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在游戲娛樂與工業(yè)培訓(xùn)等多個(gè)領(lǐng)域涌現(xiàn)了成功案例，包括VR 游戲主題樂園、航空VR 訓(xùn)練系統(tǒng)、VR 醫(yī)療手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)等。美國麻省理工學(xué)院和華盛頓大學(xué)華盛頓技術(shù)中心的人機(jī)界面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在VR仿真技術(shù)和組合應(yīng)用方面進(jìn)行了多種類型的研究，并將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究引入到教育領(lǐng)域。日本是世界領(lǐng)先的VR 技術(shù)研發(fā)國家之一，其研究重點(diǎn)是大規(guī)模VR 知識(shí)庫的建設(shè)，并在虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲方面也做了很多研究工作。中國在 1980年代引入 VR 技術(shù)，西安虛擬現(xiàn)實(shí)工程技術(shù)研究中心在國內(nèi)率先開展VR實(shí)驗(yàn)，專注于VR 模擬和虛擬化制造研究。浙江大學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)通過改進(jìn)漸進(jìn)式網(wǎng)格漫游算法構(gòu)建基于桌面的虛擬系統(tǒng)，與以前的桌面系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)允許更快的人機(jī)交互并提供更高的畫質(zhì)。西南交通大學(xué)在整合VR 技術(shù)進(jìn)入軌道列車司機(jī)培訓(xùn)方面取得了一些進(jìn)展[2]。中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心先進(jìn)交互式技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展部在智能交互分析技術(shù)方面開展了VR 關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，研發(fā)了一系列針對工業(yè)生產(chǎn)、教育科普、科學(xué)研究等領(lǐng)域的VR 技術(shù)產(chǎn)品，包括應(yīng)用于多人協(xié)作、產(chǎn)品檢修等多種工業(yè)應(yīng)用場景的工業(yè)協(xié)同交互系統(tǒng)，提供多人協(xié)同模塊。如今，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成熟，正在被用于軍事、醫(yī)療、教育、娛樂和其他應(yīng)用。

圖1 VR 應(yīng)用領(lǐng)域Fig.1 Application fields of VR technology

本文針對VR 技術(shù)在鐵路安全教育中的應(yīng)用進(jìn)行了調(diào)研，闡述了現(xiàn)代化鐵路高速發(fā)展下新的需求背景，梳理歸納了VR 技術(shù)在教育培訓(xùn)中的前沿應(yīng)用，通過進(jìn)一步分析鐵路教育的發(fā)展、教育內(nèi)容、教育方式，討論了VR 教育培訓(xùn)運(yùn)用在鐵路安全教育的必要性，總結(jié)了VR 教育培訓(xùn)的優(yōu)勢，為后續(xù)相關(guān)研究提供指導(dǎo)。

1 鐵路教育的發(fā)展

交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展一定程度上激發(fā)和推動(dòng)了鐵路安全教育培訓(xùn)體系的建立和完善，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的必要性在于對教育媒介以及培訓(xùn)設(shè)備的變革帶來了新的思路，相對傳統(tǒng)培訓(xùn)方式，VR 培訓(xùn)方式避免了信息的死記硬背，Schofield 等人 (2001) 提出虛擬現(xiàn)實(shí)模擬提供了改善安全相關(guān)的機(jī)會(huì)，如采礦培訓(xùn)，表明記憶安全信息的能力來自三維計(jì)算機(jī)世界將遠(yuǎn)大于來自書面的信息，同時(shí)VR 培訓(xùn)系統(tǒng)也避免了工人缺少參與機(jī)會(huì)的情況，給培訓(xùn)人員提供了具有自主性、沉浸性的體驗(yàn)[3]。我們以傳統(tǒng)培訓(xùn)體系和VR 培訓(xùn)體系切入，討論不同階段的鐵路安全教育發(fā)展。

圖2 培訓(xùn)體系分類Fig.2 Classification of training system

傳統(tǒng)培訓(xùn)體系，可分為純文字、圖文、視頻、仿真系統(tǒng)這幾類?；诩兾淖植牧系呐嘤?xùn)，即通過簡單或復(fù)雜的文字描述來對作業(yè)流程進(jìn)行說明，對人員進(jìn)行指導(dǎo)和培訓(xùn)，這種方式一般優(yōu)點(diǎn)是成本低，對于普遍識(shí)字的用戶即可普及，但是缺點(diǎn)也顯而易見，由于文字材料的用詞表達(dá)的準(zhǔn)確度存在偏差，學(xué)員的理解能力也存在差異，文字培訓(xùn)難以達(dá)到滿意的效果?；趫D文材料的培訓(xùn)是在單純文字難以描述復(fù)雜性操作的基礎(chǔ)上，選用大量的圖片進(jìn)行豐富培訓(xùn)材料，以結(jié)合文字進(jìn)行更準(zhǔn)確的培訓(xùn)教育，而圖片則可以包括真實(shí)物體的照片、操作流程圖、動(dòng)作示意圖等等，采用圖文并茂的方式進(jìn)行講解培訓(xùn)，也更有趣味性?；谝曨l材料的培訓(xùn)，隨著工業(yè)生產(chǎn)制造的復(fù)雜度加大，培訓(xùn)內(nèi)容的難度也相應(yīng)增大，靜態(tài)的圖文也難以滿足作為培訓(xùn)素材的需要，而多媒體技術(shù)的發(fā)展、手機(jī)的普及使得視頻介質(zhì)成為傳輸信息的通用介質(zhì)，采用視頻進(jìn)行培訓(xùn)的優(yōu)勢在于動(dòng)態(tài)地講解了操作的內(nèi)容，保留了它的連貫性，允許學(xué)員同步操作、反復(fù)觀看?；谌S仿真系統(tǒng)的培訓(xùn)，是通過計(jì)算機(jī)開發(fā)程序?qū)ο嚓P(guān)人員進(jìn)行更有針對性的培訓(xùn)和訓(xùn)練。這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是通過三維建模還原真實(shí)場景，同時(shí)結(jié)合模擬仿真的技術(shù)開發(fā)培訓(xùn)系統(tǒng)，允許學(xué)員自主選擇培訓(xùn)內(nèi)容，進(jìn)行針對性的訓(xùn)練。

當(dāng)培訓(xùn)系統(tǒng)發(fā)展到三維仿真訓(xùn)練時(shí)，其實(shí)就已經(jīng)開始搭建學(xué)習(xí)環(huán)境的情境性來幫助學(xué)員記憶培訓(xùn)內(nèi)容了，同時(shí)也具有一定的交互性。而基于VR 系統(tǒng)的培訓(xùn)，則是在還原生產(chǎn)場景的基礎(chǔ)上具有強(qiáng)交互性、高靈活度，基于VR 的培訓(xùn)體系與之前幾種培訓(xùn)體系相比，它的突出特點(diǎn)在于極大還原了操作環(huán)境的空間信息，克服了仿真系統(tǒng)的三維模型只能在計(jì)算機(jī)的二維屏幕上輸出這個(gè)缺點(diǎn)，同時(shí)賦予了學(xué)員進(jìn)行交互的自由度。同時(shí)，VR 作為一種有效的工具，已被證明具備有效地提供更好的理解和可視化能力。例如，在建筑教育和培訓(xùn)中，學(xué)生可以通過感知不同的建筑空間3D 對象，而不是查看傳統(tǒng)圖紙。此外，教育培訓(xùn)使用傳統(tǒng)的 3D 方法依賴于使用鼠標(biāo)或鍵盤與計(jì)算機(jī)生成的結(jié)構(gòu)形式。然而，在VR 環(huán)境中，直接的結(jié)果是交互式活動(dòng)，例如拉和抓取，這意味著，在使用VR 進(jìn)行培訓(xùn)和安全教育的過程中需要一定形式的輸入來控制并與環(huán)境互動(dòng)。

2 基于VR 技術(shù)的安全教育概述

安全教育培訓(xùn)旨在通過合適的培訓(xùn)手段，使得人們在進(jìn)行某些具有危險(xiǎn)性的生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)，可以正確操作相關(guān)工具或正確完成工作流程，保證個(gè)人安全，并使得生產(chǎn)活動(dòng)順利進(jìn)行。安全教育在高危行業(yè)得到眾多研究者和從業(yè)者的關(guān)注，通過預(yù)先的操作培訓(xùn)、安全教育，可以大幅減少危險(xiǎn)的發(fā)生。鐵路是國民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，它的安全管理對運(yùn)輸效能、經(jīng)濟(jì)效率以及社會(huì)很多方面都有重要影響。因此，在鐵路領(lǐng)域制定完善的安全教育培訓(xùn)體系是尤為重要的。

基于VR 技術(shù)的安全教育系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)3 個(gè)任務(wù)，分別是操作培訓(xùn)、場景模擬和設(shè)計(jì)原則。操作培訓(xùn)任務(wù)是指安全教育系統(tǒng)需要有使用戶獲得在危險(xiǎn)場景下進(jìn)行正確的安全操作或行為的意識(shí)和技能的能力，用戶可以將在系統(tǒng)中學(xué)習(xí)的技能應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)場景中，并達(dá)到良好的規(guī)避或處理危險(xiǎn)情景的效果。由于VR 安全教育系統(tǒng)虛擬環(huán)境的獨(dú)特性，場景模擬任務(wù)就顯得尤為重要。VR 安全教育系統(tǒng)需要在虛擬世界中構(gòu)造一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界極其相似的場景，逼真的虛擬場景更容易讓用戶有代入感，并且場景中關(guān)鍵細(xì)節(jié)的模擬逼真度會(huì)在很大程度上影響用戶的學(xué)習(xí)效果。設(shè)計(jì)原則任務(wù)是指VR 安全教育系統(tǒng)在最初的設(shè)計(jì)時(shí)需要遵從某些理論和原則，構(gòu)建合適的安全教育指導(dǎo)體系，從而保證安全教育系統(tǒng)的可用性和教學(xué)效果。

多年以來，除了在應(yīng)用上的進(jìn)步，VR 領(lǐng)域還對控制器和其他類型的輸入設(shè)備進(jìn)行了許多引入、改進(jìn)和重新設(shè)計(jì)，這些設(shè)備旨在與視頻游戲和虛擬世界進(jìn)行交互。從操縱桿、控制器和游戲板、方向盤和踏板，到鼠標(biāo)和鍵盤等，輸入設(shè)備經(jīng)歷了多次迭代[4]。Birk 等人[5]的調(diào)研結(jié)果顯示控制器對玩家體驗(yàn)需求滿意度的能力、自主性、相關(guān)性、沉浸感和直觀控制存在影響。

頭戴顯示器的出現(xiàn)開拓了VR 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用范圍，并推動(dòng)了VR 安全教育領(lǐng)域的進(jìn)步。Deb 等人[6]使用HTC Vive 頭戴顯示器和Unity 軟件開發(fā)了一種新的行人模擬器。當(dāng)參與者試圖安全地穿過虛擬信號交叉口時(shí)，其可以對行人頭部位置和方向進(jìn)行跟蹤。McComas 等人[7]也使用了頭部追蹤裝置以確定頭部運(yùn)動(dòng)，特別是檢測兒童過馬路前是否做出L-R-L 的動(dòng)作。在鐵路事故恢復(fù)培訓(xùn)場景，Xu 等人[8]開發(fā)了一個(gè)模擬器，設(shè)計(jì)一套特定任務(wù)的手勢(由HTC Vive 追蹤)來操作鐵路起重機(jī)的擺動(dòng)、變幅、吊裝、伸長和移動(dòng)等動(dòng)作。用戶實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)手持式控制器相比，基于手勢的控制器能夠更高效、更易于處理復(fù)雜的交互。

與傳統(tǒng)教學(xué)技術(shù)相比，新興的 VR 技術(shù)將更好地滿足培訓(xùn)人員的需要。通過在沉浸式的環(huán)境中使用 VR 技術(shù)，學(xué)生可以更快地理解抽象的概念，激發(fā)學(xué)習(xí)復(fù)雜過程的興趣和動(dòng)機(jī)。與此同時(shí)，VR 技術(shù)提供真實(shí)性、互動(dòng)性和娛樂性的創(chuàng)新教學(xué)方法，也有助于提高課程的質(zhì)量。

3 基于VR 技術(shù)的安全教育內(nèi)容

操作培訓(xùn)、場景模擬和設(shè)計(jì)原則作為3 個(gè)基本任務(wù)，是VR 技術(shù)應(yīng)用于安全教育領(lǐng)域時(shí)首先要考慮的問題。我們對已經(jīng)在VR 安全教育方面得到應(yīng)用成果的行業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行總結(jié),對3 個(gè)任務(wù)的具體內(nèi)容進(jìn)行充分闡述,并對進(jìn)一步優(yōu)化和發(fā)展的方向進(jìn)行思考。

3.1 操作培訓(xùn)

對從業(yè)人員在操作器械的培訓(xùn)可以提高使用熟練度，降低危險(xiǎn)發(fā)生的可能性。在VR 發(fā)展的早期，由于VR 在安全教育方面的研究尚未展開以及硬件的限制，研究者們從簡單的模擬入手，追求虛擬上的、與2D 不同的體驗(yàn)，能有操作感的VR 實(shí)現(xiàn)即認(rèn)為成功。Qi-Zhong L 等人對于VR 在安全培訓(xùn)中的初步探索時(shí)沒有盲目冒進(jìn)，未設(shè)計(jì)復(fù)雜的VR 環(huán)境和復(fù)雜的作業(yè)機(jī)械，而是采用叉車這一具有典型代表性的簡單作業(yè)機(jī)械，從而讓工人可以較輕松地入手VR式安全培訓(xùn)[9]。在VR 環(huán)境中設(shè)計(jì)整個(gè)機(jī)械模型往往較為復(fù)雜，且?guī)聿槐匾墓ぷ髁俊ang Z 等人在VR 中設(shè)計(jì)控制臺(tái)和鐵路前方景象[10]，可設(shè)置障礙考驗(yàn)駕駛技術(shù)，這樣的設(shè)計(jì)就能通過模擬駕駛達(dá)到訓(xùn)練功能。Marzano A 等人特別探討了VR 中與裝配和拆卸有關(guān)的部分，設(shè)計(jì)了VR_MATE 來滿足可維護(hù)性和可組裝性可用于設(shè)計(jì)鐵路客車的組裝[11]。

圖3 模擬駕駛場景[10]Fig.3 Simulated driving scenario[10]

隨著研究的不斷深入，VR 在安全教育上不斷擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，并注重與理論的結(jié)合，令設(shè)計(jì)有效且更令人信服。Papa S 等人通過設(shè)置不同的車輛儀表盤來進(jìn)行多樣化訓(xùn)練[12]。Zhang K 等人在設(shè)計(jì)VR 安全教育系統(tǒng)時(shí)結(jié)合教育理論，如建構(gòu)主義理論、流式理論、游戲化學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)遷移等，結(jié)合知識(shí)與實(shí)踐[13]，結(jié)合VR 環(huán)境與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式中的優(yōu)勢方面，提升了系統(tǒng)的有效性。

在廣度之上，研究的深度也得到更多研究者的重視。研究者開始回顧過去的設(shè)計(jì)，給將來提供指導(dǎo)，并關(guān)注更加細(xì)粒度的設(shè)計(jì)。Sim Z H 等人在VR 模擬時(shí)還原車間和車間內(nèi)的機(jī)器、工具，讓真實(shí)度提高，進(jìn)一步減少意外發(fā)生的可能性[14]。在鐵路安全方面，危險(xiǎn)品鐵路運(yùn)輸是其中一項(xiàng)需要關(guān)注的工作，運(yùn)輸危險(xiǎn)品相對一般物品對于鐵路工作人員有著更高的要求，而從實(shí)際中鍛煉工人不僅是對生命的威脅，也對社會(huì)有著惡劣的影響。?wil M 等人對VR 在鐵路模擬器方面的應(yīng)用成果進(jìn)行了三年的調(diào)查分析[15]，調(diào)查不僅表明了VR 的有效性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)使用者反饋數(shù)量較多的模擬控制器較數(shù)量少的模擬控制器差，原因則是駕駛訓(xùn)練任務(wù)變得更困難。Xu J 等人關(guān)注了手持控制器操作上的缺陷，提出了基于手勢的鐵路事故協(xié)同救援虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練模擬器，可以更有效地處理復(fù)雜的交互[8]。除此之外，Xu J 等人同時(shí)允許多用戶操作，協(xié)同工作，令訓(xùn)練環(huán)境更加逼真。為驗(yàn)證VR 中裝配、拆卸的實(shí)際效能，Yang J 等人[2]通過對專業(yè)學(xué)生進(jìn)行VR 學(xué)習(xí)環(huán)境和傳統(tǒng)教學(xué)的比較實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了VR 在操作技能獲得上的積極作用，有助于減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。

當(dāng)前VR 在各領(lǐng)域的安全教育方面都有了一定的應(yīng)用，能夠與理論結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，有對細(xì)粒度的探索，也有對過去研究的回顧，可以看出其發(fā)展的興旺。但目前的研究缺乏了通用性的框架與平臺(tái)，可擴(kuò)展性差。每更改部分環(huán)境或應(yīng)用場景，就得進(jìn)行全盤重新的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，所耗費(fèi)的精力是巨大的。

3.2 場景模擬

另一種培訓(xùn)模式是不單單對單一操作機(jī)械進(jìn)行VR 模擬，而是通過設(shè)置整個(gè)VR 場景，對實(shí)體環(huán)境進(jìn)行模擬。在核產(chǎn)業(yè)，任務(wù)往往是在放射性區(qū)域執(zhí)行。在越短的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)可以越有效地減少放射性的危害。早在2002年，Sebok A 等人將VR 式的安全培訓(xùn)引入對在放射性區(qū)域工作的人員的操作培訓(xùn)中，幫助新員工了解該區(qū)域的布局和輻射情況，并將VR 方式分為引導(dǎo)式和非引導(dǎo)式，并與傳統(tǒng)的地圖訓(xùn)練方法進(jìn)行比較，證明了非引導(dǎo)式VR 訓(xùn)練的有效性[16]。

隨著技術(shù)的發(fā)展，交互這一重要機(jī)制被引入VR安全培訓(xùn)的設(shè)計(jì)中。一系列研究[6-7,17]都采取讓參與者在VR 場景中執(zhí)行固定事件，通過追蹤裝置檢測參與者行為，并給予即時(shí)反饋的方式讓參與者獲得安全意識(shí)。Zhao D 等人設(shè)計(jì)了一種方案，讓使用者完成模擬場景中的所有交互培訓(xùn)事件，通過這些訓(xùn)練模擬，使用者可以在潛移默化中學(xué)習(xí)到相關(guān)技能并留下深刻印象[18]。此外，場景內(nèi)的觸發(fā)器是可重復(fù)的，使用者可以重復(fù)使用，以加強(qiáng)訓(xùn)練內(nèi)容。

隨著設(shè)備的更新和新設(shè)備的出現(xiàn)，研究者開始考慮不同設(shè)備與當(dāng)前培訓(xùn)的適配性和有效性。Buttussi F 等人在考慮VR 安全培訓(xùn)時(shí)考慮了三種不同類型的VR 方式：桌面虛擬現(xiàn)實(shí)、窄視野HMD 和寬視野HMD[19]，在檢測其存在感與參與度時(shí)不僅考慮了使用后的即時(shí)感受，還進(jìn)行了兩周的跟蹤調(diào)研，證明了VR 的展示方式影響著安全教育的程度。

鐵路安全教育中，對于鐵路事故的緊急救援也是重要的培訓(xùn)內(nèi)容之一，而還原鐵路事故救援場景的工程量大且成本較高，因此在VR 中進(jìn)行鐵路事故場景模擬是進(jìn)行緊急救援培訓(xùn)的高效途徑。如何讓事故現(xiàn)場的場景更快地在VR 中重建是研究點(diǎn)之一。Nie Y 等人提出了一種基于圖像的重建框架[20]，基于改進(jìn)的約束非線性最小二乘優(yōu)化，如圖4所示，該框架可以在短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)對只有一張全景圖的事故現(xiàn)場進(jìn)行建模。救援人員可以使用集成的頭戴式設(shè)備驗(yàn)證救援計(jì)劃，幫助救援人員做出可靠的救援決策，減少列車事故造成的損失。

圖4 原始圖片和重建后的虛擬場景[20]Fig.4 Original images and reconstructed virtual scenes[20]

VR 安全培訓(xùn)在場景模擬上經(jīng)歷了初步還原、有效性研究、快速建模等多個(gè)歷程，從不同角度切入增強(qiáng)該領(lǐng)域的研究廣度和深度。目前的場景模擬后的使用對象仍然是小基數(shù)的專業(yè)人群，對于擴(kuò)展性仍有更多研究的空間。

3.3 設(shè)計(jì)原則與方法指導(dǎo)

實(shí)現(xiàn)有效的VR 安全培訓(xùn)需要構(gòu)建合適的安全教育系統(tǒng)的方法指導(dǎo)，在VR 中構(gòu)建鐵路安全教育系統(tǒng)，既要保證安全教育系統(tǒng)的完整性和教育效果，又要發(fā)揚(yáng)VR 環(huán)境的優(yōu)勢，增強(qiáng)安全教育的趣味性、真實(shí)性、可靠性等。

首先，安全教育系統(tǒng)需要有基礎(chǔ)的認(rèn)知構(gòu)建能力。在VR 環(huán)境中，認(rèn)知構(gòu)建能力可以通過使用戶在高還原度的模擬場景中不斷體驗(yàn)相關(guān)安全操作步驟和流程來構(gòu)建在某種危險(xiǎn)場景下的應(yīng)對措施，在VR 環(huán)境中學(xué)習(xí)到的安全意識(shí)和技能可以自然地轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)中。例如行人安全中，針對兒童進(jìn)行的穿越十字路口的VR 培訓(xùn)顯示出VR 技術(shù)在學(xué)習(xí)行人安全技能方面的有效性[7]。該項(xiàng)目旨在教育和訓(xùn)練兒童安全穿越十字路口。具體而言，目標(biāo)是確定兒童在虛擬環(huán)境中是否可以有效學(xué)習(xí)行人安全技能，以及在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)的行人安全技能是否可以應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界中。軟件還集成了一個(gè)反饋組件，給兒童予以相關(guān)提示和警告危險(xiǎn)。結(jié)果表明，即使短暫接觸VR 軟件，兒童也可以學(xué)習(xí)到穿越十字路口所需的安全行為。相似的，Luke 等人[17]介紹了一個(gè)名為"Motion Rail"的VR 系統(tǒng)，用于培訓(xùn)兒童穿越鐵路的安全行為，如圖5所示。兒童需要使用頭戴式VR設(shè)備和控制器來執(zhí)行任務(wù)，他們將在 VR 環(huán)境中的顯示屏上收到關(guān)于通過或阻塞的即時(shí)反饋。結(jié)果顯示，兒童喜歡基于VR 的訓(xùn)練系統(tǒng)，并表現(xiàn)出相當(dāng)大的學(xué)習(xí)興趣，研究結(jié)果進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了兒童能夠從VR環(huán)境中抓取和保留信息。VR 被認(rèn)為是傳統(tǒng)引導(dǎo)訓(xùn)練方法的有效替代方案[21]。Angelia 等人[16]評估了不同的訓(xùn)練方法(地圖訓(xùn)練、引導(dǎo)式VR 訓(xùn)練和非引導(dǎo)式VR 訓(xùn)練)的有效性，認(rèn)為VR 在訓(xùn)練轉(zhuǎn)移方面是有效的，其效果相當(dāng)于或優(yōu)于基于地圖的培訓(xùn)。

圖5 鐵路虛擬場景和佩戴VR 頭戴顯示器的參與者[17]Fig.5 Railway virtual scenes and participants wearing VR headmounted displays[17]

而VR 環(huán)境中認(rèn)知構(gòu)建的過程可以采用各種不同的方式，使得認(rèn)知構(gòu)建過程更有趣味性，提高用戶學(xué)習(xí)的積極性和有效性。近幾年，通過基于VR技術(shù)的嚴(yán)肅游戲（Serious Game）來進(jìn)行情景訓(xùn)練變得非常流行。嚴(yán)肅游戲是指在提供娛樂性的同時(shí)用于教育人們了解這些情景的游戲[22-23]。除了具有教育意義[24]，嚴(yán)肅游戲還能夠提供與虛擬環(huán)境的交互體驗(yàn)，并指導(dǎo)用戶制定方案、使用他們的知識(shí)和技能[25]。Le 等人[26]提供了在線社交VR 系統(tǒng)，讓學(xué)生進(jìn)行角色扮演、對話學(xué)習(xí)和社交互動(dòng)，進(jìn)行建筑安全健康教育。Zhang K 等人[13]結(jié)合相關(guān)教育理論，構(gòu)建滅火器、消防栓等模型進(jìn)行情景再現(xiàn)教學(xué)。該系統(tǒng)引導(dǎo)學(xué)生探索和交互各種消防安全場景，并提供互動(dòng)反饋以幫助糾正錯(cuò)誤和構(gòu)建認(rèn)知。對于鐵路安全培訓(xùn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的游戲環(huán)節(jié)來情景再現(xiàn)鐵路環(huán)境，可以增強(qiáng)培訓(xùn)過程的趣味性，使使用者愿意主動(dòng)學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。

其次，與傳統(tǒng)培訓(xùn)相比，VR 技術(shù)具有可以提供個(gè)人反饋和更多情感參與的優(yōu)勢[24]，在VR 安全教育系統(tǒng)中加入豐富的感官反饋可以增強(qiáng)真實(shí)感并吸引用戶，使他們更認(rèn)真地對待安全教育。壓力和恐懼等情緒喚醒以及游戲元素帶來的愉快體驗(yàn)，增強(qiáng)了用戶的存在感和參與感[25]。Smith 等人[27]使用沉浸式VR 來幫助孩子們了解火災(zāi)危險(xiǎn)和練習(xí)逃生技術(shù)。其采用游戲界面交互技術(shù)，建立了包含幾種火災(zāi)危險(xiǎn)的虛擬房屋。孩子們可以在虛擬環(huán)境中活動(dòng)，并使用游戲手柄和識(shí)別器與虛擬物體互動(dòng)。游戲中還添加了環(huán)境聲音和互動(dòng)技術(shù)，能夠以更積極的方式吸引用戶。

隨著VR 安全教育系統(tǒng)在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，研究者們開始在更宏觀的角度制定和評估安全教育系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)應(yīng)考慮的準(zhǔn)則和規(guī)范。在建筑安全與健康教育上，Le Q T 等人提出了在線社交虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)框架[26]，該框架包括三個(gè)方面：協(xié)同分布式安全學(xué)習(xí)用以了解事故發(fā)生的根本原因；風(fēng)險(xiǎn)檢查和安全認(rèn)知用以反思安全理論；基于游戲的主動(dòng)安全學(xué)習(xí)用以提高實(shí)踐能力。知識(shí)傳播、知識(shí)反思和知識(shí)評估這三個(gè)模塊屬于宏觀對安全教育系統(tǒng)的指導(dǎo)，在建設(shè)鐵路安全教育系統(tǒng)時(shí)可以考慮以這三個(gè)方面作為指導(dǎo)。Haj-Bolouri A 等人根據(jù)行為設(shè)計(jì)調(diào)研（ADR）從鐵路VR 安全教育案例的第一階段，即問題制定、構(gòu)建、干預(yù)和評估、反思和學(xué)習(xí)中探究蘊(yùn)涵的VR 安全培訓(xùn)設(shè)計(jì)原則的特定領(lǐng)域含義[28]。四大特定原則包括風(fēng)險(xiǎn)感知、多模態(tài)反饋、安全認(rèn)識(shí)和危害檢查，它們要求在設(shè)計(jì)VR 環(huán)境時(shí)要提供參與者交互信號來指示安全等級，要基于參與者行為提供即時(shí)反饋和整體反饋，要基于參與者職業(yè)提供檢查不安全條件的可能性。?akiro?lu ü 等人提出了基于VR 的行為技能訓(xùn)練(BST)并結(jié)合現(xiàn)場培訓(xùn)(IST)和評估構(gòu)成了一套用以教授消防安全基本行為的安全教育系統(tǒng)[29]。該系統(tǒng)論證了在VR 環(huán)境中使用IST 支持BST 對于增強(qiáng)正確的行為是非常重要的。該結(jié)論同樣可應(yīng)用到鐵路安全教育系統(tǒng)的構(gòu)建當(dāng)中。Zhang H 等人運(yùn)用層次分析法(AHP)和模糊邏輯技術(shù)對虛擬現(xiàn)實(shí)礦山安全培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合評價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)改進(jìn)、保證培訓(xùn)效果[30]。該評價(jià)方法具有參考作用，可以評估其評價(jià)指標(biāo)作為鐵路安全教育系統(tǒng)評價(jià)的參考。

盡管已經(jīng)有很多研究者在基于VR 技術(shù)的安全教育系統(tǒng)方面進(jìn)行了嘗試，但是還很少有足夠完善和成熟的系統(tǒng)得到推廣和應(yīng)用。為了使VR 安全教育系統(tǒng)得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用，需要制定完備的原則和規(guī)范，給予設(shè)計(jì)者指導(dǎo)，讓VR 安全教育達(dá)到其應(yīng)有的成效。讓宏觀的指導(dǎo)原則結(jié)合具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容，并輔以有效的評價(jià)體系，才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)落地到實(shí)處的VR 鐵路安全教育系統(tǒng)。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在鐵路安全教育培訓(xùn)方面的總結(jié)與展望

基于VR 的鐵路安全教育系統(tǒng)具有高沉浸感、真實(shí)準(zhǔn)確模擬、安全實(shí)用、無風(fēng)險(xiǎn)，低投入、可定制、可拓展等優(yōu)點(diǎn)，能夠針對不同培訓(xùn)內(nèi)容、不同考核方式、不同培訓(xùn)群體搭建有效的培訓(xùn)系統(tǒng)。VR技術(shù)應(yīng)用于安全教育培訓(xùn)，可以通過增強(qiáng)模擬環(huán)境的逼真度、設(shè)計(jì)游戲、增加多種感官反饋并提供多種互動(dòng)技術(shù)來提高鐵路安全培訓(xùn)的趣味性和有效性，在對用戶進(jìn)行操作培訓(xùn)和安全認(rèn)知構(gòu)建方面有著獨(dú)特優(yōu)勢。同時(shí)，VR 技術(shù)的應(yīng)用保證了在危險(xiǎn)場景下進(jìn)行培訓(xùn)的安全性。

VR 技術(shù)應(yīng)用于鐵路的安全教育培訓(xùn)時(shí)，應(yīng)發(fā)揮出其體驗(yàn)式教育上獨(dú)有的優(yōu)勢，對鐵路安全防護(hù)、鐵路交通事故應(yīng)急處理、鐵路交通事故救援、鐵路安全監(jiān)控等重點(diǎn)內(nèi)容開展形象、直觀的體驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)日常作業(yè)主要內(nèi)容要點(diǎn)的全覆蓋，提高培訓(xùn)力度和觀摩學(xué)習(xí)效率，學(xué)習(xí)正規(guī)的作業(yè)規(guī)范，強(qiáng)化安全關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)控制，促進(jìn)人員熟悉突發(fā)事件處理程序，增強(qiáng)員工安全責(zé)任意識(shí)，培養(yǎng)遵守管理標(biāo)準(zhǔn)與作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的良好習(xí)慣，為鐵路職工相關(guān)教育領(lǐng)域提供一種全新的指導(dǎo)教育模式，從而加快教育效率，提高職工學(xué)習(xí)積極性，大幅降低工作風(fēng)險(xiǎn)。

在VR 技術(shù)不斷成熟的同時(shí)，與之相似的新興技術(shù)也在產(chǎn)生和蓬勃發(fā)展。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,AR)技術(shù)是將虛擬信息加在真實(shí)環(huán)境中，來增強(qiáng)真實(shí)環(huán)境；混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality,MR)將真實(shí)世界和虛擬世界混合在一起，來產(chǎn)生新的可視化環(huán)境，環(huán)境中同時(shí)包含了物理實(shí)體與虛擬信息。AR可以視為MR 的一種形式。在工業(yè)維護(hù)[31]、職業(yè)實(shí)踐[32]、建筑安全[33]和制造培訓(xùn)[34]等領(lǐng)域，研究人員對AR 和MR 的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索。與VR 相比，AR 和MR 擁有不同的教學(xué)功能，如疊加的文本插圖、觸覺手環(huán)、基于3D 視覺的跟蹤等，它們有助于增強(qiáng)用戶對培訓(xùn)任務(wù)的認(rèn)知理解。此外，基于VR 的培訓(xùn)系統(tǒng)保真度較低，在某種程度上，場景或機(jī)器的還原還不夠現(xiàn)實(shí)，無法完全取代傳統(tǒng)的面對面培訓(xùn)；而AR 和MR 使得物理和數(shù)字對象共存并實(shí)時(shí)交互，大大減少建模所需時(shí)間，縮小用戶的感知差距，并可以實(shí)現(xiàn)更高水平的保真度，從而使沉浸式數(shù)字培訓(xùn)更加切實(shí)。在鐵路安全培訓(xùn)教育領(lǐng)域，可以對復(fù)雜場景以及需要更真實(shí)靈活交互的場景應(yīng)用AR 和MR 技術(shù)。

元宇宙(Metaverse)是一種融合了多種新技術(shù)的新型互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和社會(huì)形態(tài)，創(chuàng)造了一個(gè)真實(shí)世界的鏡像，允許人們在另一個(gè)虛擬世界中玩耍、工作和社交。元宇宙應(yīng)用于視頻游戲、藝術(shù)、商業(yè)等眾多領(lǐng)域，VR,AR,MR 是構(gòu)建元宇宙的技術(shù)支柱之一，此外元宇宙還需要腦機(jī)接口、全息圖像等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的空間融合，因此元宇宙仍處于穩(wěn)健發(fā)展階段，在元宇宙中建設(shè)鐵路安全教育培訓(xùn)可以擁有身臨其境的體驗(yàn)，模擬場景逼真，促進(jìn)對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，并且可以避免現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)中的危險(xiǎn)情景。

本文作者團(tuán)隊(duì)在海洋、天文、生物等領(lǐng)域有著豐富的可視化經(jīng)驗(yàn)積累，并在這些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用，如基于VR 技術(shù)的協(xié)同海洋渦旋可視化分析應(yīng)用，多名用戶可同時(shí)置身于模擬的海洋底部世界，并可協(xié)同交互操作海洋流線，進(jìn)行實(shí)時(shí)同步觀察。這些成功應(yīng)用與實(shí)踐說明VR 技術(shù)與可視化技術(shù)可以開創(chuàng)全新的學(xué)習(xí)培訓(xùn)情景，提供嶄新的培訓(xùn)手段，為基于VR 的鐵路安全培訓(xùn)奠定基礎(chǔ)。

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。