虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用方法和途徑。

關(guān)鍵詞：高職 ;實(shí)踐教學(xué) ;信息化應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）02-0111-02

軌道交通類專業(yè)是一項(xiàng)實(shí)踐技能要求極高的技術(shù)型專業(yè)，實(shí)踐操作是教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。《教育部關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》指出，“要積極探索校內(nèi)生產(chǎn)性實(shí)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(shí)驗(yàn)。要形成一批高水平的高等職業(yè)教育校內(nèi)生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)基地”。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為解決高職軌道交通類專業(yè)實(shí)踐的“看不到”“動(dòng)不了”“難再現(xiàn)”問(wèn)題提供了解決方法。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是以沉浸感、交互性為基本特征的計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面，是迅速發(fā)展的一項(xiàng)綜合性計(jì)算機(jī)、圖形交互技術(shù)。它綜合利用了計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行交互，通過(guò)語(yǔ)言、手勢(shì)等方式進(jìn)行交互，身臨其境，突破時(shí)間、空間限制，感受真實(shí)世界中無(wú)法親身經(jīng)歷的體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)的關(guān)鍵技術(shù)主要由動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實(shí)施三維圖形生成技術(shù)、立體現(xiàn)實(shí)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(shí)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(chǎng)景都有應(yīng)用。近年來(lái)，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(shí)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(shí)系統(tǒng)或仿真器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)起來(lái)，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(kù)，形成一個(gè)在時(shí)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(duì)于軌道交通類職業(yè)院校，越來(lái)越重視實(shí)踐教學(xué)的開展，利用虛擬仿真技術(shù)對(duì)實(shí)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(shì)在于高度仿真虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境和對(duì)象，呈現(xiàn)客觀世界的真實(shí)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(shí)訓(xùn)基地建設(shè)成本大、技術(shù)門檻高、傳統(tǒng)方法不易實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題的一個(gè)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(yùn)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(shí)工作環(huán)境以期達(dá)到讓學(xué)生的接觸真實(shí)的“生產(chǎn)過(guò)程”并參與“真實(shí)工作任務(wù)”從而掌握實(shí)踐技能。軌道交通類專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)資源和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開發(fā)實(shí)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(shí)系統(tǒng)，使用個(gè)人計(jì)算機(jī)和初級(jí)工作站來(lái)產(chǎn)生三維空間的交互場(chǎng)景。這是虛擬仿真最廣泛和最簡(jiǎn)單的應(yīng)用，使用者以第一人稱視角進(jìn)入3維場(chǎng)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(chǎng)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(yùn)輸場(chǎng)景演練等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)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(diǎn)，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(duì)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(shí)施。通過(guò)建立虛擬仿真設(shè)備模型或相同軟件UI，針對(duì)具體的操作規(guī)范和工作作業(yè)流程，對(duì)設(shè)備（系統(tǒng)）的操作過(guò)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(shí)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(yùn)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(jì)來(lái)實(shí)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(jì)系統(tǒng)化的真實(shí)工作任務(wù)，源于企業(yè)實(shí)際真實(shí)工作任務(wù)，按照教學(xué)目標(biāo)要求，通過(guò)預(yù)制的任務(wù)腳本針對(duì)不同學(xué)生指導(dǎo)、參與、演繹腳本的實(shí)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(guò)任務(wù)導(dǎo)演的形式讓學(xué)生充分體驗(yàn)完整工作任務(wù)的全過(guò)程和實(shí)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(shí)物虛擬仿真

半實(shí)物虛擬仿真系統(tǒng)就是一種在同一項(xiàng)目?jī)?nèi)虛擬仿真部分與真實(shí)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(shí)有效的培訓(xùn)效果。半實(shí)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(shí)物仿真（采用真實(shí)的人機(jī)界面，后臺(tái)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(shí)物仿真（組設(shè)備包括真實(shí)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(shí)結(jié)合的項(xiàng)目。半實(shí)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(yàn)證技術(shù)、接口技術(shù)、運(yùn)動(dòng)特性仿真技術(shù)、虛擬物理量控制技術(shù)等。將虛擬仿真對(duì)象與等比例或縮小比例的物理實(shí)物對(duì)象通過(guò)接口模塊和伺服控制與反饋模塊、物理量數(shù)據(jù)庫(kù)等構(gòu)建完整閉環(huán)的系統(tǒng)仿真回路，虛擬仿真對(duì)象與物理實(shí)物對(duì)象在系統(tǒng)中同步實(shí)時(shí)運(yùn)行并共享數(shù)據(jù)，從而模擬整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

3 軌道交通專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用

1） 軌道交通專業(yè)實(shí)訓(xùn)應(yīng)用場(chǎng)景

在一些傳統(tǒng)方法不易實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域，可以采用建設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬“真實(shí)工作任務(wù)”這一目標(biāo)。針對(duì)軌道交通專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)而言應(yīng)用場(chǎng)景有：復(fù)雜程度較高不易反復(fù)操作的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，如模擬駕駛、調(diào)度實(shí)訓(xùn)等;危險(xiǎn)性程度非常高且對(duì)安全高度要求的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，如調(diào)車作業(yè)、接觸網(wǎng)作業(yè)等;極端破壞性的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，如事故、火災(zāi)等應(yīng)急演練等;變化周期過(guò)長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，如線路施工等;以及無(wú)法控制變化過(guò)程以及采用傳統(tǒng)方法無(wú)法或不易完成的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，如事故救援等。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用到實(shí)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(shí)訓(xùn)應(yīng)用

在校內(nèi)實(shí)訓(xùn)時(shí)，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(duì)學(xué)生進(jìn)行列車操縱能力和列車運(yùn)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(yùn)輸運(yùn)營(yíng)虛擬教學(xué)系統(tǒng)，將計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖軟件、底層聯(lián)鎖邏輯和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)及變化過(guò)程整合到訓(xùn)練沙盤上，為軌道運(yùn)輸專業(yè)學(xué)生提供直觀的實(shí)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(yùn)營(yíng)調(diào)度實(shí)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(yùn)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(shí)。

3） 軌道交通虛擬實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)

在實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)中，虛實(shí)結(jié)合不僅僅指的是在專業(yè)方案框架下不同實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的虛擬形式與真實(shí)形式的結(jié)合，也包括同一項(xiàng)目?jī)?nèi)虛擬仿真與真實(shí)物理設(shè)備的結(jié)合。當(dāng)然，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的虛擬性和真實(shí)性應(yīng)有機(jī)結(jié)合，相互交融。一方面，要通過(guò)虛擬補(bǔ)缺補(bǔ)差對(duì)校內(nèi)原有實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中由于資金、場(chǎng)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(guò)建立虛擬的場(chǎng)景和圖像予以補(bǔ)充;另一方面，要通過(guò)虛實(shí)結(jié)合提高實(shí)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(wèn)題簡(jiǎn)單化，從而促使學(xué)生在有限的空間和時(shí)間內(nèi)掌握更多的實(shí)踐知識(shí)，使知識(shí)傳授的速度和強(qiáng)度大大提高。

總之，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道交通類專業(yè)實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用日益普遍，在高職軌道交通類實(shí)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(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的仿真度，并借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)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(guò)程，拓展學(xué)生實(shí)際技能訓(xùn)練，增強(qiáng)學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)感，提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】