虚拟现实技术及其在铁路教育培训中的应用

孙 煜 上海铁路局上海动车客车段

为适应高铁时代高素质职工队伍的要求，必须加快操作技能人才的培养，特别是一线职工的实际动手能力和解决实际问题的能力培养。虚拟现实技术可以虚拟出真实环境中难以实现的环境，可以使职工“真刀真枪”地参加生产实践，从而在由计算机与网络生成的模拟现实环境中直接得到技能训练。

1 虚拟现实技术的基本概念

1.1 虚拟现实的定义

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR技术)是利用计算机生成一种具有逼真视、听、触、力觉等的综合可感知的模拟现实的环境。学习者可以与这一虚拟的现实环境进行直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生交互，交互作用的结果与学习者在相应的真实环境中所体验的结果相同或相似。

1.2 虚拟现实的特点与重要意义

VR是发展到一定水平上的计算机技术与思维科学相结合的产物，它的出现为人类认识世界开辟了一条新途径。VR的最大特点是：用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人类除了亲身经历，就只能间接了解环境的模式，从而有效地扩展了自己的认知手段和领域。近年来，随着计算机硬件软件技术的发展以及人们越来越认识到它的重要作用，VR技术在各行各业都得到了不同程度的发展，并且越来越显示出广阔的应用前景。

2 虚拟现实技术在教育培训中的应用

VR应用于教育培训，既是VR自身的发展的要求，也是教育培训发展的需要。随着计算机技术的发展，教育培训的趋势将发生质的变化，因为虚拟教育培训环境拥有现实教育培训环境无可比拟的优势。教育培训借助于虚拟现实技术支持下的创景教育，不仅仅是为教育培训提供了一种全新的、前所未有的模式，而且将对远程教育乃至整个人类教育在思想观念上产生根本性革命。

2.1 设备维修中的应用

VR技术比较适合于机械专业的维修训练，由于铁路的许多系统涉及到机械设备，所以虚拟维修训练仿真系统是铁路的一个重要应用方向，目的是通过采用计算机仿真和虚拟现实技术在计算机上真实展现设备的维修过程，增强设备寿命周期各阶段关于维修的各种决策能力，包括维修分析、演示验证、过程核查、训练实施等；虚拟维修还可以通过仿真操作过程，统计维修作业的时间、维修工种的配置、维修工具的选择、设备部件拆卸组装的顺序、维修作业所需的空间、预计维修费用等；在设备维修之前，进行维修预演和仿真，可突破设备维修在空间和时间上的限制，可以实现逼真的设备拆装、故障维修等操作，提取生产设备的已有资料、状态数据，检验设备性能。这种在虚拟环境下从事设备维修的优势具体体现在以下几个方面。

2.1.1 抽象理论有形化

利用多媒体技术，将铁路各专业理论知识文本转化成用三维图形显示，利用互动式动画、声音使现场场景重现，利用现场摄制的视频使操作规程有形化等。例如：在设备维修培训中运用三维仿真技术，就可以更加形象和直观地实现设备外观展示、设备的结构展示以及设备的原理演示等，从而使培训系统中最令职工难以接受的内容变得非常直观易学，另外职工还可以对设备任意地旋转、放缩或者是平移，实现了从任何角度和方向观察模型，从而避免文字的枯燥，提高了学习的趣味性、可见性、互动性。

2.1.2 多种专业设备维修技能实战化

设备维修3D虚拟仿真技术，能够360°展示设备等事物的每个方向，以及随意缩放视距方便展示事物的每个细节。除了能够完美地展示事物的外观、内在，还可以演示工作原理、设备结构展示、设备安装指导、设备检修作业指导、操作注意事项、操作说明书，可反复练习设备各部件的拆卸及组装等功能而不影响行车安全甚至造成事故。

2.1.3 设备内部构成剖面化

由于铁路设备内部结构较复杂，受训人员无法通过肉眼直观地观察到设备内部结构，尤其运行过程、运行情况及运行状态无法了解。而通过虚拟仿真技术，可以把各种设备内部各种构件直观、逼真、形象地表现出来。虚拟仿真技术把内部结构、运行情况通过互动式动画形象地表达出来，达到内部构成剖面化，从而解决了传统的教学方法很难向学员展示机械装置的运行过程、状态和内部原理的难题。为学员提供全面的考察、操纵乃至维修的模拟训练机会，使培训得到事半功倍的效果。通过设备内部构成剖面化，支持维修训练与维修的实施，有效降低维修训练费用，提高维修的准确性与效率。

2.1.4隐性部件可视化

由于设备内部构造的复杂性，很多零部件无法在剖面图中展示。利用虚拟现实仿真技术，可以制作单元三维素材。当鼠标点击设备外壳时，设备外部逐渐透明，与此同时，内部构件逐渐清晰。点击局部隐性部件，还可以使隐性部件放大，使该隐性部件的结构、在工作过程中的运行状态以及运行原理得到充分的展示，从而使受训人员在学习过程中，一些无法展示的小部件通过单元三维素材可以得到充分的展示，真正达到了可视化。

2.1.5工艺流程系统化

工艺流程简介主要是以文字以及三维结构示意简图的形式向学员介绍有关的基础性知识；如：转向架轴箱弹簧检修作业包括工艺流程、施工工艺、环保安全要求、设备和工艺装备、轴箱弹簧检修工艺危害等内容。通过工艺流程系统化的描述VR化，使受训人员在学习时，不但能够系统地学习轴箱弹簧检修作业路径，还能学习各种设备操作以及安全注意事项等。

以上提到的应用，仅是虚拟现实技术在铁路上能够运用的极小一部分应用。事实上虚拟现实技术是模拟客观世界已知的客观规律，并利用这些客观规律进行现实运输生产中可以进行或无法进行的试验，从而获得更好的应用方案，节约资金和时间，并规避风险。利用虚拟现实技术对铁路运输生产进行虚拟仿真培训，能够使决策更加具有数据支持，从而具有更强的科学性，将会对铁路运输生产起到极大的促进作用。

关于模块化教学课题，目前铁路局现在进行的模块化教学和运用虚拟现实技术应用于我们铁路教育培训并不矛盾，模块化教学的某些系统也运用了虚拟现实技术，如：高铁动车组模拟驾驶和仿真故障处理系统、动车组机械师模拟检修系统和模块化教学培训考试系统、CRH2转向架3级修模拟仿真培训系统等。虚拟现实系统按交互程度和沉浸程度的不同可分为桌面式、沉浸式、增强式和分布式等四类。其中桌面式的虚拟现实技术非常简单，需要投入的成本也不高，而且在教育领域内可应用的范围很广，而沉浸式VR系统具有高度的实时性能和沉浸感，但它的成本较高。而我们的模块化教学的某些系统正是运用了虚拟现实系统的桌面式虚拟现实系统。

3 结论

为确保高铁运营持续安全稳定，虚拟现实技术在设备的维修、动车检修质量、有效的安全管理和安全教育培训、职工操作技能培训等方面有着广阔的应用前景。