虛擬仿真技術(shù)在軌道交通專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

張瑾，吳澄

蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州，215131

0 引言

我國早在2008年，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010～2020年)》，已經(jīng)指出：信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性的影響，必須予以高度重視。并且經(jīng)過十多年的建設(shè)，我國的教育信息化已經(jīng)具有較高水平，普及了數(shù)字校園建設(shè)、數(shù)字教學(xué)資源及應(yīng)用、國際文化交流平臺等，特別是在信息技術(shù)與教學(xué)深度融合的教學(xué)模式、方法和內(nèi)容創(chuàng)新應(yīng)用在各個專業(yè)進行了積極和有效的探索和實踐[1]。

以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)運而生，它借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道構(gòu)造虛擬場景并實現(xiàn)與真實場景的交互，是以信息技術(shù)優(yōu)化教學(xué)模式的又一巨大飛躍，為注重實踐教學(xué)的軌道交通專業(yè)教學(xué)提供了新的思路。軌道交通行業(yè)特定的應(yīng)用環(huán)境，往往是高危（如供電等）、不可隨意操作（軌道信號、運營調(diào)度等），高成本（專業(yè)控制系統(tǒng)及設(shè)備等）、高消耗（行車測試等）、屬于大型綜合性場景，而虛擬仿真實驗教學(xué)能夠提供可靠、安全、經(jīng)濟、可操作、可設(shè)置故障，易于更新等的應(yīng)用性實踐活動。

1 軌道交通行業(yè)及其專業(yè)教育的發(fā)展

軌道交通作為一種交通運輸方式，因其快速高效、低碳環(huán)保、安全穩(wěn)定、運力強大等優(yōu)點得到了國家產(chǎn)業(yè)政策的大力支持，為行業(yè)發(fā)展提供了良好的政策環(huán)境。截至2020年末，我國鐵路營運里程達14.6萬公里，其中高鐵運營里程達3.79萬公里，相當(dāng)于在“十三五”期間翻了近一番，穩(wěn)居世界第一[2]。2019年國務(wù)院外發(fā)《交通強國建設(shè)綱要》，要求至2035年全國基本形成“123出行圈”，推進干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通融合發(fā)展的進程。在軌道交通行業(yè)快速發(fā)展的背景下，行業(yè)專業(yè)人才和從業(yè)者呈現(xiàn)巨大的需求缺口。

目前，我國在軌道交通的專業(yè)教育方面實現(xiàn)了多層次，包括研究生、本科，?？?、職業(yè)院校等不同縱向性層次的教育體系；多專業(yè)，包括運營管理、信號控制、軌道車輛、軌道供電、工程測量、通信技術(shù)、乘務(wù)等橫向性教育方向，以滿足日益增長的行業(yè)需求，然而仍然呈現(xiàn)供不應(yīng)求的就業(yè)趨勢。

同時，軌道交通行業(yè)是一門應(yīng)用型科學(xué)，在其教育和人才的培養(yǎng)中極其注重實踐能力，因此緊跟行業(yè)發(fā)展，深入行業(yè)鍛煉成為十分必要的環(huán)節(jié)，而隨著軌道交通行業(yè)運營單位對安全管理的進一步強化，大量學(xué)生參與的實踐活動難以實現(xiàn)，更不可能在真實場景下進行應(yīng)用實操。因此，為解決軌道交通行業(yè)人才急需的問題，探索出高質(zhì)量、新形式的教學(xué)方法成為各高校在軌道交通專業(yè)教育的必然選擇。

2 軌道交通信號與控制專業(yè)虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)及優(yōu)勢

軌道交通信號與控制是軌道交通關(guān)乎運行安全的關(guān)鍵技術(shù)，因此本文以該專業(yè)的虛擬仿真實驗平臺建設(shè)及應(yīng)用作為切入點進行研究分析。目前，在各高校在軌道交通信號與控制專業(yè)培養(yǎng)的過程中都非常重視實驗實踐環(huán)節(jié)，在實驗方式和設(shè)備的發(fā)展中也呈現(xiàn)出不同發(fā)展階段和類型。

2.1 沙盤型仿真實驗平臺

沙盤型虛擬仿真實驗平臺，是現(xiàn)實場景微縮版的再現(xiàn)，特別適合軌道交通宏觀場景的仿真，結(jié)合相應(yīng)的實訓(xùn)功能，可以實現(xiàn)行車調(diào)度等相關(guān)專業(yè)的實踐學(xué)習(xí)。該類型實驗平臺，一般由硬件部分實物沙盤、電子沙盤模型，軟件部分軌道交通專業(yè)功能型模擬系統(tǒng)等組成。

實物沙盤包括臺體、車站、軌道、信號設(shè)備、列車等；電子沙盤模型是基于真實信號系統(tǒng)的行車綜合仿真軟件系統(tǒng)，一般包括ATS仿真、聯(lián)鎖仿真、區(qū)域控制仿真、線路及車輛仿真運行等；軌道交通專業(yè)功能型模擬系統(tǒng)，根據(jù)實物沙盤的線路設(shè)計實現(xiàn)調(diào)度中心、各車站等部門或場景的業(yè)務(wù)實訓(xùn)，實現(xiàn)線路運營和設(shè)備控制，如圖1（a）所示。由于軌道交通各專業(yè)實踐實訓(xùn)需求擴大，以沙盤類虛擬仿真平臺的設(shè)計為思路，進一步拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，不斷涌現(xiàn)出通過構(gòu)造1:1真實業(yè)務(wù)場景或仿真設(shè)備的虛擬仿真平臺，此處稱其為“類沙盤”概念的虛擬仿真平臺，如圖1（b）、（c）所示。

圖1 沙盤型虛擬仿真實驗平臺

通過軌道交通運營沙盤系統(tǒng)的建設(shè)，實現(xiàn)直觀、系統(tǒng)、可操作的行車組織等專業(yè)實訓(xùn)過程，為提高軌道交通專業(yè)人才的業(yè)務(wù)素質(zhì)提供良好的實驗培訓(xùn)手段，同時為運營管理人員進行行車分析和控制提供研究訓(xùn)練平臺[3]。

2.2 三維虛擬仿真實驗平臺

三維虛擬仿真實驗平臺是基于先進的三維仿真和三維動畫引擎技術(shù)，實現(xiàn)全電子化的虛擬仿真系統(tǒng)，該平臺以軟件系統(tǒng)為核心，具有較強的可視性和交互性，實現(xiàn)了人機互動學(xué)習(xí)方式，特別適合多終端的教學(xué)模式。

通過三維仿真可以對虛擬設(shè)備實現(xiàn)拆裝，對其組成部件及工作原理進行深入探究如圖2（a）、（b）所示、對虛擬控制系統(tǒng)實現(xiàn)不同條件下業(yè)務(wù)流程的組織與操作等如圖2（c）所示，根本解決了現(xiàn)場設(shè)備不能移動，實作訓(xùn)練工作不好開展的難題。一對多的教學(xué)模式，有效解決了“工、學(xué)”矛盾、場地受限及師資不足的問題。

除此之外，以軟件為核心的虛擬仿真平臺，用戶安裝、使用簡單，更加便于系統(tǒng)更新、升級，可以與實踐的需求緊密結(jié)合，設(shè)置非正常工況、不同故障等如圖2（d）所示，給學(xué)習(xí)者提供一個更高效的學(xué)習(xí)方法，不斷提高對設(shè)備系統(tǒng)的技術(shù)水平及分析、判斷、處理工況的能力，對專業(yè)人員解決實際問題的能力有很大的幫助。

圖2 三維虛擬仿真實驗平臺

在三維虛擬仿真平臺的設(shè)計中，也常采用“虛+實”形式，即采用部分真實設(shè)備，作為整體仿真場景中的局部控制對象，通過虛擬仿真實驗平臺對其進行控制。此種方式既避免全真實設(shè)備構(gòu)建實驗平臺的復(fù)雜和高成本，也使全軟件型的實驗平臺更加具有真實性。

2.3 VR虛擬仿真實驗平臺

VR虛擬仿真實驗平臺是運用三維虛擬與仿真技術(shù)構(gòu)建從軌道交通工具的設(shè)計制造到運行維護等各階段、各環(huán)節(jié)的三維環(huán)境，不同于圖2的平臺形式，它具有更好的體驗感，學(xué)習(xí)人員需佩戴硬件裝備如VR頭盔設(shè)備。在虛擬場景中可以 “沉浸式”投入到軌道交通站務(wù)、車務(wù)、維修、通號等多個專業(yè)所需的各種操作，實現(xiàn)分角色、按事件不同維度的實踐訓(xùn)練。同時，教師也支持統(tǒng)一控制所有VR一體機，操作方便、相較于三維虛擬仿真平臺成本稍高，但可以提升實踐人員受訓(xùn)的真實性，強化實驗訓(xùn)練效果和質(zhì)量，如圖3所示。

圖3 VR 虛擬仿真實驗平臺

綜上所述，軌道交通實踐實訓(xùn)教學(xué)中三種主要的虛擬仿真平臺形式，相對于在真實場景或以真實設(shè)備構(gòu)造實驗場景，共同的優(yōu)點就是造價低、維護成本小、易于升級迭代、不受時間和空間限制、隨時隨地開展實訓(xùn)、并且具有配套的指導(dǎo)教學(xué)功能如圖4所示，可支持自學(xué)，多次學(xué)習(xí)，不會影響現(xiàn)場設(shè)備、秩序和人員的安全，更適合實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生容易接受，也大大豐富了教育資源。

圖4 虛擬仿真平臺的教學(xué)功能

3 虛擬仿真實踐教學(xué)未來發(fā)展的建議

虛擬仿真實驗平臺是依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)構(gòu)建的高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，完成專業(yè)化實驗實踐活動，是學(xué)校培養(yǎng)高質(zhì)高量以及創(chuàng)新型人才的重要保障環(huán)節(jié)[4]。

而隨著國家對于現(xiàn)代教學(xué)的發(fā)展要求，通過對現(xiàn)有軌道交通專業(yè)教學(xué)在虛擬仿真實驗平臺的應(yīng)用分析，對未來進一步發(fā)展的方向提出以下幾項建議：

3.1 注重虛擬仿真實驗平臺的整體規(guī)劃和充分利用

目前，高校在虛擬實驗平臺建設(shè)時，通常是各系統(tǒng)逐步引進，由不同的生產(chǎn)商提供，由此帶來后期各系統(tǒng)獨立工作，造成實驗資源不易整合，相關(guān)性強的實驗設(shè)備或系統(tǒng)難以聯(lián)合應(yīng)用，不能實現(xiàn)完整，閉環(huán)的實驗效果。因此，學(xué)校要根據(jù)教學(xué)特色、專業(yè)重點和學(xué)科發(fā)展進行合理規(guī)劃，制定本校虛擬仿真實驗教學(xué)及綜合平臺的總體設(shè)計，實現(xiàn)擴展性強，可資源整合與優(yōu)化的功能集約、運作高效的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，開發(fā)各系統(tǒng)及聯(lián)合性的實驗項目，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗平臺作用[5]。

3.2 從業(yè)務(wù)型向原理型實驗內(nèi)容及形式的探索

為了滿足軌道交通各專業(yè)實驗教學(xué)的需求，現(xiàn)有的虛擬仿真實驗系統(tǒng)或平臺產(chǎn)品多種多樣，其內(nèi)容主要聚焦于操作性業(yè)務(wù)和技能的訓(xùn)練，這也是虛擬仿真實驗平臺最初的設(shè)計目標(biāo)，但隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展和成熟，虛擬實驗平臺教學(xué)的不斷普及和推進，可以考慮將比較抽象的原理性專業(yè)知識也“動”起來和“活”起來，使下一階段的虛擬仿真實驗平臺從業(yè)務(wù)層內(nèi)容深入至原理層，打造符合專業(yè)內(nèi)容更為全面和完整的實驗教學(xué)新模式。而伴隨原理性實驗條件和內(nèi)容的增加，也為科研項目的試驗和測試提供了契機，為實驗教學(xué)輔助科研，科研帶動教學(xué)奠定了基礎(chǔ)[6]。同時，可以依托特色專業(yè)優(yōu)勢，將建設(shè)示范性實驗教學(xué)中心為目標(biāo)，使其發(fā)揮更大的教育意義。

4 結(jié)語

軌道交通專業(yè)實踐中應(yīng)用虛擬仿真平臺，更突出的優(yōu)勢在于能夠模擬真實、危險操作，或再現(xiàn)故障環(huán)境，拆解復(fù)雜甚至不可見的內(nèi)部機械構(gòu)造，通過實驗項目設(shè)計和實訓(xùn)目標(biāo)的制定，針對教學(xué)要點及常見故障處理，為學(xué)生提供“勤學(xué)多練”的教學(xué)條件，提升專業(yè)技能認知，強化學(xué)習(xí)實踐效率，夯實實踐實訓(xùn)能力。因此，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到軌道交通專業(yè)的教學(xué)上，對學(xué)校提高實驗實踐教學(xué)效率，降低實訓(xùn)成本，確保教學(xué)高質(zhì)量地完成具有重要意義，也順應(yīng)目前現(xiàn)代教學(xué)信息化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢。

而虛擬仿真實驗平臺的應(yīng)用，可以有效地整合高校信息化實驗教學(xué)資源，實現(xiàn)軌道交通專業(yè)設(shè)備及系統(tǒng)的共享式教學(xué)，極大地提高了實驗資源利用率、拓展實驗領(lǐng)域、改革實驗教學(xué)方法，促進高效、綠色，可持續(xù)發(fā)展的實驗教學(xué)體系的建設(shè)和不斷優(yōu)化發(fā)展。