虛擬和增強現實技術在物流專業實踐教學中的應用研究*

□ 宋作玲，孫 慧

(山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590)

1 虛擬和增強現實(VR/AR)技術概述

1.1 VR技術簡介

1968年，伊凡·蘇澤蘭(Ivan Sutherland)和學生們設計出了由頭戴顯示器和簡單線框渲染圖像構成的虛擬現實系統。虛擬現實(Virtual Reality,VR)依靠交互式圖像顯示、感官識別及反饋、自然技能跟蹤與模擬、傳感及標定技術等，生動逼近現實的視覺、聽覺乃至觸覺，在特定范圍下構建一種仿真交互環境。VR技術包括沉浸式和網絡空間式兩種，網絡空間式適合遠距離線上學習[1]。

沉浸性(Immersion)、構想性 (Imagination)、交互性(Interaction)被稱為虛擬現實“3I” 特性[2]。虛擬技術市場主要包括硬件設備、軟件資源以及集成解決方案服務等。VR硬件系統包括四部分：頭戴式顯示設備(Head Mount Display，HMD)、主機系統、追蹤系統、控制器。主機系統一般由個人電腦、智能手機承擔。追蹤系統用來捕捉用戶動作或行為，由傳感器、陀螺儀和磁力計等部件組成，例如，倉庫中分揀員帶著HMD抬頭，屏幕會切換成倉庫頂棚，就是應用內置式追蹤系統。控制器是一種手持設備，能夠追蹤用戶的動作、手勢。

1.2 AR技術簡介

增強現實(Augmented Reality，AR)綜合各種信息技術，將虛擬物體或場景等信息與真實環境進行實時疊加，通過專用設備，呈現出同一個相融合的空間影像。虛擬與現實有機結合、交互性和實時地三維對準是AR的關鍵技術特征。

AR設備一般具有全息投影屏幕、攝像頭、定位儀、陀螺儀、距離傳感器、語音交互、手勢交互等功能。按照呈現空間跨度，AR可以分為頭戴式(head-attached)、手持式(hand-held)、空間展示(spatial)三類[3]。AR技術是基于疊加原理實現基本成像，可以是多個虛擬圖層的疊加，或者是虛擬圖層與現實場景融合。

AR解決方案提供商有美國Infinite Z 公司開發的3D顯示屏——Z Space；Metaio公司開發的Metaio SDK和Metaio Creator；Mobilizy 公司開發的Wikitude兼容主流移動設備操作系統；Waking APP的ENTiTi是基于云計算平臺開發的簡易可視化開發環境[4]。AR技術趨勢之一是開源化設計與開發，使得底層代碼透明化，基于組件開發甚至是鼠標拖動實現業務邏輯。例如，微軟推出的MRTK(混合現實工具包)是一款兼容性較高的開源框架。通過降低開發門檻，可以吸引更多的工程師、教育者等使用者加入自主開發設計群體。

2 VR/AR技術應用

2.1 VR/AR應用領域

VR/AR技術產生以來已廣泛應用于國防軍事、航空航天、機械重工、智能制造、交通工程、能源基建、智慧城市、公共安全、教育培訓、醫療衛生、建筑設計、電商零售、社交媒體等領域。據高盛報告預測，至2025年，VR/AR用戶數預計達1500 萬，產業營收樂觀預計可達800億美元。游戲和直播、娛樂等應用市場占比過半，并逐步形成規模化和平臺化運營。2021年上半年，國內VR/AR行業獲得資本青睞，累計融資超30億元；國外信息巨頭臉譜網、微軟、索尼加大VR/AR研發投入和市場開拓。

醫療衛生方面，VR/AR已經成功應用于醫生對患者的病史搜索、輔助專家系統用于診斷。建筑方面，工程師利用VR/AR進行主體構造、分層展示內部細節，與外部環境相適宜。疫情期間，VR/AR應用于遠程醫療會診、在線旅游、虛擬展會等。電視直播方面，央視運用VR技術展現“天宮二號”和“神舟十一號”交會對接，搭建虛擬環境全方位展示飛機控制室、組合體的內部構造、控制面板及監控數據；通過AR實現主播對空間實驗室行進方向和轉速的調控。

隨著5G、云計算、物聯網等新一代信息技術的改進，VR/AR在圖像處理和信息傳輸方面的性能指標得到快速提升，優化了用戶體驗感，進而提升了接納度，利于市場潛能的挖掘。

2.2 VR/AR技術在高校教學中的應用

高校作為新技術的前沿應用陣地之一，引入VR/AR技術可以豐富教學手段、模式和資源。VR/AR技術能夠提供研究對象的全息圖像，設計虛擬實驗任務、模擬虛擬實訓環境等，有利于開展線上線下混合式、體驗式、探究式教學，已形成醫學解剖、航空航天、機械控制等學科教學案例等資源，實現操作訓練和協同演練等。我校應用VR/AR進行黨史仿真教學，重現經典歷史事件場景，具有強烈的感染力，形成思政教育同頻共振。

VR/AR技術有效提升了課堂和實踐教學的質量。首先，為學生自主學習提供了有利條件，適合以學生為中心開展的教學、虛擬實驗、實訓和創新競賽；其次，可以為學生提供更加逼真和立體化的情景，更具有直觀的感知和體驗感；再次，能夠提高學生的學習興趣和探索意愿，沉浸式、游戲式教學體驗適合新生代學生特點；最后，有利于促進優質資源均衡化，克服空間、時間和資金障礙。

VR/AR技術與環境的應用與推廣也存在一些障礙：從技術層面，計算機視覺技術的加速運算受制于底層算法，需要海量數據用于訓練算法；從產品裝備層面，終端硬件門檻高，價格居高不下，長期使用易疲勞，舒適度欠佳；從服務商層面，企業級市場進入壁壘相對較高，提供一體化、定制化解決方案的服務商未形成規模；從資源開發層面，開發主體以企業為主，沒有形成引入教育主體的協同開發模式，優質資源供不應求，教學實際應用出現雷聲大雨點小的狀況。

2.3 VR與AR應用比較

與VR相比，應用AR技術無需佩戴沉重的眼鏡、頭盔、手套等，無需設置獲取用戶位置的定位裝置，無需編制特定的空間邊界；搭建AR環境僅需個人電腦配備攝像頭，或者使用便攜式平板或手機等日常配備的終端，即可實現虛實環境的交疊，AR技術硬件配置簡單，易于學校落地實施，便于師生操作實驗。VR對于計算機繪制高清虛擬圖像能力要求較高，需要配備高性能圖像處理器(GPU)；AR技術靠眼鏡投射和攝像頭拍攝，對GPU要求低，但是需要高性能CPU進行實時的虛實空間匹配等。同時，AR環境原理就是將虛擬的學習內容的虛擬信息與現實場景進行關聯，更符合知行合一、學中做、做中學的理念。

與VR/AR相關的技術有混合現實(Mixed Reality，MR)與擴展現實(Expanded Reality，ER)。MR技術能夠呈現包括物理實體和虛擬對象的世界，在虛實世界和用戶之間構建交互反饋的信息回路，實現物理實體與數字對象的共生與實時交互，與AR更為接近。ER是VR與物聯網深度融合的技術，在ER環境中，現實和虛擬的邊界模糊化，例如一款達芬奇手術機器人可以作為“人替”給病人做手術。

3 VR/AR技術在物流實踐教學中的應用

VR/AR可以營造炫酷的虛擬場景，通過描繪奇幻的世界使用戶對事物、空間及環境產生懸念和探索欲，讓學生有著強烈的學習沖動感和知識破解感。 物流行業和教學中存在諸多場景和操作流程，特別是自動化物流系統、智慧物流等，綜合運用自動識別、物聯網、智能控制等信息技術。VR/AR技術已在高科技物流企業得以應用，在高校等教育教學領域的應用實踐也愈來愈受關注。

3.1 物流運營管理實踐教學方面

倉儲是物流工作量較多的環節，傳統模式下倉儲管理員應用手持終端進行出入庫、分揀作業環節的掃描和信息采集，產生較多的冗余動作，作業枯燥乏味。通過佩戴 AR 頭盔或眼鏡，能夠更方便地通過攝像頭進行掃描，倉庫管理員眼睛看到什么貨物、設備或貨架，掃描就可以識別這些對象，AR 設備基于全息投影技術，將虛擬的單證、導引路徑與倉庫貨架及輸送線等實體交疊融合。在AR技術加持下，倉庫管理員可以通過智能眼鏡掃視貨物或中轉箱條碼，快速無負擔感地完成信息采集，作業更加安全精準，同時，增強了員工工作舒適度，降低了疲勞度。統計數據表明，在數據采集環節，AR可為物流企業提高25%的作業效率。

倉儲和配送是物流教學的核心課程，在開展配送中心分揀教學空間有限的實驗室中，學生可以佩戴VR眼鏡熟悉分揀流程、驗證分揀策略、優化分揀路線。以往實習和實訓，學生很難有機會去實際的配送中心和倉庫實現操作，開展驗證分揀策略的實驗，基于VR的虛擬實驗環境可以更加安全、更節省實驗場地空間、更節約投入資金。可以設置VR環境下操作流程、分揀識別、路徑導航、語音識別、流程優化、人體工學設計等虛擬實驗和實訓項目。同時，可以將貨物收發、進出庫操作、庫存盤點、倉庫安全作業、裝箱優化、叉車操作、配送運輸等相關和延伸環節的運營作業和流程管理集成于VR/AR環境開展教學。

3.2 物流系統規劃實踐教學方面

在建筑領域，運用虛擬現實技術，設計者可以在虛擬空間構建、裝飾并呈現方案，可以調整觀測視角，進行全景沉浸式設計。仿照此應用案例，將VR用于交通場站等基礎設施、物流園區、配送中心、無人倉、無人車間、自動分揀系統等的規劃設計，方便設計者仿真和調整方案。同時，探索VR/AR與數字孿生相結合，可用于支持智能制造、智慧交通、智慧物流系統升級。

3.3 電子商務實務實踐教學方面

應用VR/AR開發電子商務展示類、操作類和綜合類實驗，因為電子商務與傳統商務相比缺少感知度。商品的體驗即沉浸感也可以稱為空間臨場感，對于促進消費者購買意愿具有積極作用，有助于消費行為達成。例如，淘寶推出的虛擬現實產品——Buy+，打造出了一種沉浸式虛擬購物體驗場景，顧客購買衣物時可以虛擬換裝，直觀地增加產品感知，提升購物愉悅感。

VR/AR技術還可以打造虛擬購物空間。在虛實結合的購物場景中進行商品貨架擺放與管理、未來超市模式下商品買賣。消費者、賣家、第三方平臺共同參與直觀性的共享空間，而不是枯燥的平面空間[5]。同時，還支持多主體分布式協同共享虛擬空間，實現多種信息技術集成，完成自動結算、實時購物車、可視化統計等智能商務任務序列。

3.4 港口航運物流實踐教學方面

在現實生活中，由于安全等問題，學生無法遨游大海、駕駛船舶、操作大型港口設備，高校搭建港口和航運類實驗室投資巨大，一般沒有條件采用實體實驗設備和環境。VR技術可以提供場景化海運地理資源，根據港口實際測繪，建立虛擬集裝箱港口操作的場景和港口機械等。坐乘智能操作臺、戴上頭盔或眼鏡、操縱手柄模擬操作或駕駛設備，可以從各個角度近距離觀察起重機、集裝箱搬運設備，航行于經典航線，停泊裝卸船，穿梭于堆場、貨運站等，傳統集裝箱港口進入參觀難、無法近距離參觀等問題得以解決。

VR/AR可以用于培訓和考核船員、港口機械工程師和技術工人，對于船舶裝載、船舶裝卸、港口起重機、AGV等裝備的構造、操作實務以及系統集成和協同控制等有切實的感知和體驗式訓練。

3.5 物流自動化系統實踐教學方面

教學中引用VR/AR有淺度引用(簡單的顯示功能)、中度引用(有明顯的空間轉換痕跡)、高度引用(故事敘事與空間敘事同步)和深度引用(與課程無痕跡轉換)四種[6]。物流自動化系統包括自動化立體倉庫(AS/RS)、自動分揀系統(ASS)、自動導引車(AGV)等智能裝備和信息系統，涉及操作流程、機械原理、控制算法、軟件操作等。有些智能物流系統需要空間想象力才容易理解，大型實驗室成本高、維護難，全自動化實習實訓基地稀缺，因此，可以采用深度引入VR / AR提高教學效果。例如，定位一個實訓倉庫，給出倉庫流程、貨架、設備、信息系統等介紹，再通過 VR 技術生成叉車式、堆垛機式、穿梭車+升降機式等類型立體倉庫，并與虛擬貨架及設備進行交互。

此外，VR/AR還可以與“ABCD”即人工智能、區塊鏈、云計算、大數據以及5G、數字孿生等相融合，一方面深度開展物流信息技術綜合應用和系統集成，另一方面增強新技術革命背景下學習者形象思維及創新創業實踐能力。

4 總結

虛擬現實和增強現實技術是多種先進信息技術的應用以及多學科知識交叉融合，通過主動探索、動手實踐、創新設計、跨界融合來學習新知識和掌握新技能。VR/AR技術在游戲文娛、智能制造、醫療、建筑等行業和教育領域的應用案例較多，可以作為開展物流領域教學實踐的思路和方案。VR/AR技術可以應用于物流運營、物流系統規劃設計、國際物流、物流自動化系統等具有技術可行性和市場化前景，將物流倉庫、交通運輸網絡、港口等構建出虛擬場景與現實世界相結合，通過在虛擬疊加空間里交流互動，增強學生工程實踐能力，營造開展體驗式和探究式智慧教學的環境。同時，論文給出的物流教學應用思路也為虛擬仿真企業開發教學資源提供思路，需要產學研融合的模式促進VR/AR的資源開發和市場開拓。