虛擬現(xiàn)實技術(shù)在軌道交通信號實驗教學中的應用研究

孔德龍 王蓉彬 段銳

摘? 要：目前軌道交通類專業(yè)課程實驗教學過程中存在教學手法相對單一、實驗效果較差等問題，虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過三維建模與場景重現(xiàn)提供了一條可行的解決方案。該文主要闡述基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的軌道交通信號專業(yè)實驗教學建設思路，著重在實驗教學建設過程中的基本思路、主要內(nèi)容、建設方向等方面進行分析說明;對應用型高校軌道交通信號專業(yè)人才的培養(yǎng)具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實? 軌道交通? 實驗教學? 三維建模

中圖分類號：TP391 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）10（a）-0070-02

Abstract： At present， there are some problems in the experimental teaching process of rail transit specialty courses， such as relatively single teaching methods and poor experimental results. Virtual reality technology provides a feasible solution through three-dimensional modeling and scene reproduction. This paper mainly elaborates the idea of experimental teaching construction of rail transit signal specialty based on virtual reality technology， focusing on the analysis and explanation of the basic ideas， main contents and construction direction in the process of experimental teaching construction， which has certain reference significance for the training of rail transit signal specialists in applied universities.

Key Words： Virtual reality; Rail transit; Experimental Teaching; Three-dimensional Modeling

隨著我們軌道交通行業(yè)的迅速發(fā)展，對軌道交通信號專業(yè)人才的需求也越來越高。但在軌道交通信號專業(yè)實驗教學過程中存在教學手法單一、實驗效果差等問題[1，2]。由于設備普遍體積較大、價格昂貴，因此教學過程中只能采取圖片、視頻等方式，學生不能直觀地了解設備的結(jié)構(gòu)和原理。加之場地因素，教育資源存在浪費的情況，更重要的是，往往針對一個軌道交通信號實驗過程中容易出現(xiàn)零件丟失、損壞，更有甚者容易出現(xiàn)砸傷、碰傷等安全事故，給實驗教學帶來諸多安全問題。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，為軌道交通信號實驗教學帶來了一次革新。不僅使學生能夠交互式的實現(xiàn)理論和實物的聯(lián)系，更好地理解和掌握該專業(yè)基礎知識，而且激發(fā)學生的學習熱情，從而提高軌道交通信號專業(yè)實驗教質(zhì)量與效果。

1? 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，使用戶沉浸到該環(huán)境中[3]。通過多源信息的重建和融合，在計算機中仿真重現(xiàn)三維動態(tài)場景和實體行為，使用戶在該場景中可交互式的實現(xiàn)任意操作并得到場景最真實的反饋。利用交互式設備將三維虛擬場景實物化，變成可觀察可觸摸的實物，從而獲得與真實場景一致的體驗。但由于實現(xiàn)成本較大、硬件要求較高等問題，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還處在初級階段。然而隨著計算機行業(yè)的快速發(fā)展，硬件處理能力的提高與價格的下降，使該技術(shù)得發(fā)展也得到了長足的進步。目前該技術(shù)在醫(yī)療、航空、軍事等領域得到了廣泛應用[4]。

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于實驗教學是教育行業(yè)的又一次技術(shù)革命，打破了傳統(tǒng)實驗教學的固定模式，不僅能使教學內(nèi)容更加生動、形象，豐富教學手段，而且能充分調(diào)動學生的學習熱情，增強理論知識與實踐的結(jié)合，提高教學效果。此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可突破傳統(tǒng)實驗教學的時空限制，促進教學資源的合理配置。

2? 實驗教學建設思路

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗教學目的是為提高實驗教學的質(zhì)量并盡可能地激發(fā)學生的學習熱情。是為軌道交通信號專業(yè)人才培養(yǎng)方案中相應的課程與實驗服務的。要求將理論與實踐相結(jié)合，在提升實驗教學質(zhì)量的前提下，充分提高學生的實踐能力水平。因此基于虛擬仿真技術(shù)的軌道交通信號實驗教學平臺建設基本思路為以下幾點：

（1）滿足現(xiàn)有人才培養(yǎng)方案的需求，并適度增加實踐課時比例。實踐內(nèi)容的建設應以社會基本需求為導向，同時考慮不同學校的性質(zhì)與學生的學習基礎與實際需求。

（2）緊密結(jié)合理論知識，做到在工程實際場景中分析和說明基本科學問題。所采用的場景數(shù)據(jù)與數(shù)學模型應符合實際情況，滿足一個或幾個科學問題的教學與實驗。并通過對應課程資源包建設與實驗軟硬件設備的購置與升級，為學生提供良好的體驗感受與實驗條件。

（3）實驗教學平臺應具有良好的交互性。實驗教學的目的是使學生在理論知識學習的基礎上提升實踐能力，因此基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗教學應突出交互性與操作性，不只停留在演示性實驗層面中。

（4）實驗教學平臺還應滿足一定的科研需求。通過實際場景的虛擬化與數(shù)字化，滿足部分實際不易實現(xiàn)科學問題的驗證和仿真模擬，為教師的科研與實驗提供一個良好的平臺。

2.1 實驗教學建設內(nèi)容

軌道交通信號的目的是為了在保障行車安全的前提下，提高列車的行車效率[5]。因此，軌道交通信號專業(yè)主要分為兩大基礎部分，分別為基礎控制設備的原理與列車控制技術(shù)?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)的實驗教學平臺建設主要內(nèi)容也應遵循這兩個基本版塊。

（1）基礎控制設備原理。

列車控制是通過基礎控制設備實現(xiàn)的，因此要求學生對如信號機、轉(zhuǎn)轍機、計軸、軌道電路等基礎控制設備的原理、結(jié)構(gòu)有一定的認識，并且需完成部分設備的拆卸與安裝。因此，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗教學平臺應實現(xiàn)軌道交通基礎場景的搭建，并在該場景下完成基礎控制設備的三維建模。使學生可交互式的完成設備原理、結(jié)構(gòu)分析、基本元件拆裝與工作狀態(tài)的情景再現(xiàn)。

（2）列車控制技術(shù)。

列車控制技術(shù)是軌道交通信號的核心內(nèi)容，通過不同控制設備的聯(lián)動與相互制約，實現(xiàn)列車各種行車作業(yè)的辦理，從而整體提高列車的行車效率。其中列車控制系統(tǒng)的核心是各種控制設備之間的制約聯(lián)動與數(shù)據(jù)通信，因此基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗教學平臺應首先直觀地展現(xiàn)各列車控制設備之間的關系與聯(lián)動;其次還應展現(xiàn)各控制設備之間的數(shù)據(jù)通信方式與方向;最后還應使學生可交互式的實現(xiàn)列車各種進路的操作辦理與列車的模擬駕駛。

2.2 建設方向研究

（1）3D虛擬場景的搭建與設備建模。

為使虛擬場景具有真實性，應嚴格根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)或工程設計圖紙實現(xiàn)場景與設備的建模。對于可直接測量設備可利用精確測量工具獲得相應數(shù)據(jù)，而對一些不易直接測量獲得的數(shù)據(jù)，可通過與相關設計單位、設備廠商或鐵路運營單位合作開發(fā)的方式獲得。虛擬場景中各設備的物理與電氣參數(shù)與原理可通過數(shù)學建模方式實現(xiàn)，所用數(shù)學模型需符合基本物理原理。建模完成后，進行材質(zhì)渲染及優(yōu)化以提升場景的真實性。部分模型可通過貼圖方式實現(xiàn)優(yōu)化，以減少平臺規(guī)模有利于不同通信平臺上的應用。

（2） 沉浸式交互協(xié)同的設計。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗教學平臺應突出交互功能，各元件的動作展現(xiàn)與平臺交互功能設計可通過虛擬仿真軟件腳本文件的編程實現(xiàn)?？沙浞掷脭?shù)字手套、虛擬頭盔等硬件接入設備，真正使學生可在平臺中實現(xiàn)互動與操作。實驗教學平臺還應在互動過程中對學生的各個操作步驟做出正確的評判與合理的提示，輔助完成實驗。除此之外為增加實驗教學趣味性，并使虛擬場景更加生動，可對虛擬場景設置背景音樂、背景顏色及貼圖等。

（3）單一展現(xiàn)式至綜合設計式的轉(zhuǎn)化。

實驗教學平臺的建設應避免理論知識單一展現(xiàn)式的設計思路，應通過實際工程案例與應用場景的再現(xiàn)，將基礎理論與工程實踐緊密結(jié)合起來。通過綜合設計式的平臺設計，增加學生的自主設計性與互動性，有利于學生掌握本行業(yè)技術(shù)和發(fā)展動態(tài)，增加學生的社會適應與動手實踐能力。

（4）合理的虛實結(jié)合實現(xiàn)。

虛擬現(xiàn)實平臺還應充分體現(xiàn)“能實不虛、虛實結(jié)合”的方針，將虛擬與現(xiàn)實緊密結(jié)合。對一些不易現(xiàn)實獲得的設備與控制原理以虛擬的方式直觀展現(xiàn)，并通過物聯(lián)網(wǎng)形式實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實設備的聯(lián)動，進一步提高實驗教學的質(zhì)量與效果。

（5）線上、線下混合式教學的實現(xiàn)。

為充分利用教育資源，可將虛擬現(xiàn)實平臺移植至電腦、手機等不同平臺中，建成線上、線下混合式的實驗教學平臺并對外開放，提高教學資源的利用率與社會貢獻度。

3? 結(jié)語

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入軌道交通專業(yè)實驗教學中，可解決傳統(tǒng)實驗教學過程中教學手法相對單一、實驗成本較高、教育資源利用率不足等問題。在對基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的軌道交通信號實驗教學平臺的基本建設思路、主要內(nèi)容和建設方向等方面進行了分析，并提出相應的建設方案。以期提高實驗教學質(zhì)量與學生的學習熱情，為傳統(tǒng)實驗教學方式提供了新的思路。

參考文獻

[1] 楊武東.軌道交通信號基礎設備實驗課程體系建設[J].實驗科學與技術(shù)，2015，13（5）：117-118.

[2] 周妮娜，陳啟香，姜蘇英.軌道交通信號與控制專業(yè)應用型人才的培養(yǎng)[J].科技經(jīng)濟導刊，2018，26（8）：114-115.

[3] 劉德建，劉曉琳，張琰，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)教育應用的潛力、進展與挑戰(zhàn)[J].開放教育研究，2016，22（4）：25-31.

[4] 張鳳軍，戴國忠，彭曉蘭.虛擬現(xiàn)實的人機交互綜述[J].中國科學：信息科學，2016，46（12）：1711-1736.

[5] 戶國，魏麗麗，李立明.軌道交通信號與控制專業(yè)實踐課程體系構(gòu)建與實踐[J].實驗室研究與探索，2017，36（9）：199-202.