論VR技術(shù)在牽引變電所教學中的應用

尚晶　趙建文

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

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；接觸網(wǎng)教學；職業(yè)教育

在當今鐵路發(fā)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(fā)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(fā)展，也催生了巨大的電氣化方面的人才需求。但是由于現(xiàn)場設(shè)備更新快、資金投入大等原因，鐵路牽引供電專業(yè)人才培養(yǎng)面臨的主要問題如下：

（1）牽引供電系統(tǒng)設(shè)備多、連接關(guān)系復雜、設(shè)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(xiàn)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(tǒng)全面、連續(xù)、整體認識，無法應實際工作。

（5）學員對于未來的工作環(huán)境、工作內(nèi)容缺乏了解，對未來感到迷惑

而VR技術(shù)的出現(xiàn)，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(yè)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、三維建模技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進科技手段，構(gòu)建一個先進的、可視化直觀的、滿足接觸網(wǎng)課程高水平教學要求的模擬仿真教學環(huán)境。

1.VR技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Viaual Reality，VR），即利用計算機技術(shù)模擬產(chǎn)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(huán)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(huán)境中的物體，通過虛擬現(xiàn)實的三維設(shè)備與物體接觸，從而真正地實現(xiàn)人機交互。此技術(shù)一經(jīng)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(lǐng)域已經(jīng)包括分子建模、神經(jīng)系統(tǒng)重建、航空航天駕駛、外科手術(shù)訓練、軍事訓練、工程訓練等方面。VR技術(shù)已經(jīng)被公認為是21世紀重要的發(fā)展學科以及影響人們生活的重要技術(shù)之一。

1968年在國外電力系統(tǒng)中變電所的運營與檢修方面人員的培訓學習就已經(jīng)采用了數(shù)字計算機的仿真培訓系統(tǒng)。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(tǒng)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(shè)計院、天津大學等院校大力發(fā)展VR技術(shù)在此領(lǐng)域的發(fā)展，目前都已經(jīng)具備了非常成熟的技術(shù)手段。而對于采用特殊供電方式的電氣化鐵道系統(tǒng)來講，現(xiàn)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(jié)合來進行的， 虛擬仿真系統(tǒng)還沒有真正的在國內(nèi)的運營企業(yè)得到重視現(xiàn)在國內(nèi)的一些高等院校已經(jīng)開始涉獵該領(lǐng)域并取得了一些成果， 2014年武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學院同武漢鐵路局共同合作研發(fā)了國內(nèi)第一套以普鐵為藍本的牽引變電所虛擬仿真實訓系統(tǒng)?，F(xiàn)在階段國內(nèi)高鐵為藍本的牽引變電所虛擬仿真實訓系統(tǒng)還是空白。

2.現(xiàn)今牽引變電所教學培訓中存在的問題

鐵路供電系統(tǒng)的特性決定了不能在實際運營設(shè)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(jīng)驗的積累來完成的，現(xiàn)場的運行設(shè)備是不能隨意操作的，一些技術(shù)工作大多由生產(chǎn)骨干來完成。有些故障只能在實際發(fā)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(jīng)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(xiàn)誤操作和事故擴大等嚴重后果。因此怎么找到一條經(jīng)濟、實用的途徑來提高操作人員和維護調(diào)試人員的技能水平，保證鐵路牽引供電系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟的運行，具有相當大的現(xiàn)實意義。

3.VR技術(shù)在牽引變電所仿真實訓系統(tǒng)中的作用

基于VR技術(shù)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(jù)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(tǒng)培訓架構(gòu)基于牽引供電系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，使值班員、助理值班員能夠按照現(xiàn)實的關(guān)系進行協(xié)作演練、故障處理等，符合學員各自的職業(yè)環(huán)境及作業(yè)流程。具有如下作用：

（1） 采用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬牽引變電所的方式，使學員猶如在真實工作環(huán)境中的操作設(shè)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(huán)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(shè)備構(gòu)造、標準作業(yè)流程、多用戶協(xié)同配合作業(yè)、故障處理等能力。

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

（5） 可以通過學校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)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(tǒng)進行學習，將學習延伸至課堂外。

4.結(jié)論

通過在牽引變電所教學中加入對VR技術(shù)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(huán)境，將理論知識與實踐操作通過三維可視化方式展現(xiàn)出來，使學生產(chǎn)生身臨其境的直觀感覺，彌補學生不能夠深度參與企業(yè)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(xiàn)出來，進行綜合性授課、進行網(wǎng)絡(luò)化考核，便于深層次知識的講解和闡述。實訓基地建設(shè)方面：解決企業(yè)培訓和學校設(shè)備需求與資源不足的有效手段。能有效的緩解學生數(shù)量增長與實訓場地不足之間的矛盾。這足以說明VR技術(shù)在牽引變電所教學中還有長足的發(fā)展空間，它對于提高教學質(zhì)量、改善實驗實訓環(huán)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：

[1]姜芳芳， 來文青， 龔慶武， 姜季萍， 虛擬現(xiàn)實在變電站仿真系統(tǒng)中的應用， 高電壓技術(shù)， 2005， 31（7）：68-70.

[2]李雪玲，車軍，基于虛擬現(xiàn)實的牽引變電所培訓系統(tǒng)，企業(yè)技術(shù)開發(fā)：學術(shù)版，2014， 33（11）：31-32.

[3]張炳達，張瀑，虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺在變電站仿真系統(tǒng)中的應用， 高電壓技術(shù)， 2008， 34（2）：338-341.