論VR技術在牽引變電所教學中的應用

尚晶　趙建文

摘要：VR 技術既虛擬現實技術是當今最紅的多媒體技術，是一種能有效地模擬人在環境中的各種感知系統行為的高級的人機交互技術。其擁有的即沉浸感、交互性和構想的特性，使它天生在教學領域就具有無可比擬的優勢。VR 技術在鐵路牽引供電專業接觸網課程的教學中得以應用，大大的提高了教學質量和教學效果，激發了課堂興趣，并促進了學生的動手能力和思考能力。

關鍵詞：VR技術；接觸網教學；職業教育

在當今鐵路發展的大背景下， 始建于1958年的電氣化鐵路正在迎來歷史性的變革， 高速鐵路的發展推動了以電牽引為動力方式的電氣化化鐵路向著更快更好的方向發展，也催生了巨大的電氣化方面的人才需求。但是由于現場設備更新快、資金投入大等原因，鐵路牽引供電專業人才培養面臨的主要問題如下：

（1）牽引供電系統設備多、連接關系復雜、設備智能化程度逐步提高，全面良好的掌握必要的知識難度高。

（2）受到場地、資金和運營條件等限制，大部分學校無法為學生提供現場實習條件。

（3）教師缺乏高效、豐富的教學手段。

（4）學員缺乏對系統全面、連續、整體認識，無法應實際工作。

（5）學員對于未來的工作環境、工作內容缺乏了解，對未來感到迷惑

而VR技術的出現，則給這些問題給出了近乎完美的解決辦法， 通過運用牽引變電所專業技術、虛擬現實技術、三維建模技術、數據庫技術、網絡技術等先進科技手段，構建一個先進的、可視化直觀的、滿足接觸網課程高水平教學要求的模擬仿真教學環境。

1.VR技術

虛擬現實技術（Viaual Reality，VR），即利用計算機技術模擬產生三維的虛擬世界，讓使用者及時、無限制地感知虛擬空間的事物。虛擬環境通常是由計算機生成并控制的，使用戶身臨其境地感知虛擬環境中的物體，通過虛擬現實的三維設備與物體接觸，從而真正地實現人機交互。此技術一經應用就就向人們展示了誘人的前景，目前所涉及的研究應用領域已經包括分子建模、神經系統重建、航空航天駕駛、外科手術訓練、軍事訓練、工程訓練等方面。VR技術已經被公認為是21世紀重要的發展學科以及影響人們生活的重要技術之一。

1968年在國外電力系統中變電所的運營與檢修方面人員的培訓學習就已經采用了數字計算機的仿真培訓系統。我國直到上世紀八十年代才由華北電力學院由美國的SIMCON公司購進了第一套變電所仿真培訓系統用于對變電所值班員的培訓， 此后華北電力學院、山東電力設計院、天津大學等院校大力發展VR技術在此領域的發展，目前都已經具備了非常成熟的技術手段。而對于采用特殊供電方式的電氣化鐵道系統來講，現階段采用的值班人員的實操培訓主要由沙盤演示和”跑圖”結合來進行的， 虛擬仿真系統還沒有真正的在國內的運營企業得到重視現在國內的一些高等院校已經開始涉獵該領域并取得了一些成果， 2014年武漢鐵路職業技術學院同武漢鐵路局共同合作研發了國內第一套以普鐵為藍本的牽引變電所虛擬仿真實訓系統。現在階段國內高鐵為藍本的牽引變電所虛擬仿真實訓系統還是空白。

2.現今牽引變電所教學培訓中存在的問題

鐵路供電系統的特性決定了不能在實際運營設備上進行學員的培訓工作， 在實際變電所運行人員的培訓中，大多是理論講解和變電站跟班學習，通過實際操作經驗的積累來完成的，現場的運行設備是不能隨意操作的，一些技術工作大多由生產骨干來完成。有些故障只能在實際發生時才能得到實際操作的機會，致使受訓人員只有感性認識，沒有實際操作的經驗。受訓人員一旦真正擔負起值班運行人員的職責，往往對一些臨時操作和事故處理顯得束手無策，時常出現誤操作和事故擴大等嚴重后果。因此怎么找到一條經濟、實用的途徑來提高操作人員和維護調試人員的技能水平，保證鐵路牽引供電系統的安全、優質、經濟的運行，具有相當大的現實意義。

3.VR技術在牽引變電所仿真實訓系統中的作用

基于VR技術所具有的仿真性、針對性、開放性、自由性和安全性的特點，采用的是仿真的情景化教學模式，學生根據自己的課程知識進行軟件的操作。采用虛擬仿真軟件的方式完成高鐵牽引變電所值班員和助理值班員的實訓演練，系統培訓架構基于牽引供電系統的功能結構，使值班員、助理值班員能夠按照現實的關系進行協作演練、故障處理等，符合學員各自的職業環境及作業流程。具有如下作用：

（1） 采用VR技術構建虛擬牽引變電所的方式，使學員猶如在真實工作環境中的操作設備既降低投資造價，有不減弱培訓效果。

（2） 可以解決高壓、高溫等危險環境的培訓問題，演練過程安全、培訓效率高。

（3） 能夠使學員安全、準確、高效、直觀的了解變電所的設備構造、標準作業流程、多用戶協同配合作業、故障處理等能力。

（4） 將虛擬現實牽引變電所放置在網絡服務器上，其采購成本遠低于實際設備，維護費用幾乎為零且管理方便；設備利用率高，不受學員人數限制即可進行培訓。

（5） 可以通過學校內網絡將系統平臺共享，打破課堂的限制，使學生可以24小時隨時登陸系統進行學習，將學習延伸至課堂外。

4.結論

通過在牽引變電所教學中加入對VR技術的應用，在以下三個方面取得了十分明顯的良好效果。學生學習方面：模擬實務的真實環境，將理論知識與實踐操作通過三維可視化方式展現出來，使學生產生身臨其境的直觀感覺，彌補學生不能夠深度參與企業動手排除故障的缺陷，提高學生學習興趣。教師教學方面：能將理論知識通過三維可視化的方式展現出來，進行綜合性授課、進行網絡化考核，便于深層次知識的講解和闡述。實訓基地建設方面：解決企業培訓和學校設備需求與資源不足的有效手段。能有效的緩解學生數量增長與實訓場地不足之間的矛盾。這足以說明VR技術在牽引變電所教學中還有長足的發展空間，它對于提高教學質量、改善實驗實訓環境、減少資金投入和提高學生興趣都有著重要作用。

參考文獻：

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