论VR技术在牵引变电所教学中的应用

尚晶　赵建文

摘要：VR 技术既虚拟现实技术是当今最红的多媒体技术，是一种能有效地模拟人在环境中的各种感知系统行为的高级的人机交互技术。其拥有的即沉浸感、交互性和构想的特性，使它天生在教学领域就具有无可比拟的优势。VR 技术在铁路牵引供电专业接触网课程的教学中得以应用，大大的提高了教学质量和教学效果，激发了课堂兴趣，并促进了学生的动手能力和思考能力。

关键词：VR技术；接触网教学；职业教育

在当今铁路发展的大背景下， 始建于1958年的电气化铁路正在迎来历史性的变革， 高速铁路的发展推动了以电牵引为动力方式的电气化化铁路向着更快更好的方向发展，也催生了巨大的电气化方面的人才需求。但是由于现场设备更新快、资金投入大等原因，铁路牵引供电专业人才培养面临的主要问题如下：

（1）牵引供电系统设备多、连接关系复杂、设备智能化程度逐步提高，全面良好的掌握必要的知识难度高。

（2）受到场地、资金和运营条件等限制，大部分学校无法为学生提供现场实习条件。

（3）教师缺乏高效、丰富的教学手段。

（4）学员缺乏对系统全面、连续、整体认识，无法应实际工作。

（5）学员对于未来的工作环境、工作内容缺乏了解，对未来感到迷惑

而VR技术的出现，则给这些问题给出了近乎完美的解决办法， 通过运用牵引变电所专业技术、虚拟现实技术、三维建模技术、数据库技术、网络技术等先进科技手段，构建一个先进的、可视化直观的、满足接触网课程高水平教学要求的模拟仿真教学环境。

1.VR技术

虚拟现实技术（Viaual Reality，VR），即利用计算机技术模拟产生三维的虚拟世界，让使用者及时、无限制地感知虚拟空间的事物。虚拟环境通常是由计算机生成并控制的，使用户身临其境地感知虚拟环境中的物体，通过虚拟现实的三维设备与物体接触，从而真正地实现人机交互。此技术一经应用就就向人们展示了诱人的前景，目前所涉及的研究应用领域已经包括分子建模、神经系统重建、航空航天驾驶、外科手术训练、军事训练、工程训练等方面。VR技术已经被公认为是21世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。

1968年在国外电力系统中变电所的运营与检修方面人员的培训学习就已经采用了数字计算机的仿真培训系统。我国直到上世纪八十年代才由华北电力学院由美国的SIMCON公司购进了第一套变电所仿真培训系统用于对变电所值班员的培训， 此后华北电力学院、山东电力设计院、天津大学等院校大力发展VR技术在此领域的发展，目前都已经具备了非常成熟的技术手段。而对于采用特殊供电方式的电气化铁道系统来讲，现阶段采用的值班人员的实操培训主要由沙盘演示和”跑图”结合来进行的， 虚拟仿真系统还没有真正的在国内的运营企业得到重视现在国内的一些高等院校已经开始涉猎该领域并取得了一些成果， 2014年武汉铁路职业技术学院同武汉铁路局共同合作研发了国内第一套以普铁为蓝本的牵引变电所虚拟仿真实训系统。现在阶段国内高铁为蓝本的牵引变电所虚拟仿真实训系统还是空白。

2.现今牵引变电所教学培训中存在的问题

铁路供电系统的特性决定了不能在实际运营设备上进行学员的培训工作， 在实际变电所运行人员的培训中，大多是理论讲解和变电站跟班学习，通过实际操作经验的积累来完成的，现场的运行设备是不能随意操作的，一些技术工作大多由生产骨干来完成。有些故障只能在实际发生时才能得到实际操作的机会，致使受训人员只有感性认识，没有实际操作的经验。受训人员一旦真正担负起值班运行人员的职责，往往对一些临时操作和事故处理显得束手无策，时常出现误操作和事故扩大等严重后果。因此怎么找到一条经济、实用的途径来提高操作人员和维护调试人员的技能水平，保证铁路牵引供电系统的安全、优质、经济的运行，具有相当大的现实意义。

3.VR技术在牵引变电所仿真实训系统中的作用

基于VR技术所具有的仿真性、针对性、开放性、自由性和安全性的特点，采用的是仿真的情景化教学模式，学生根据自己的课程知识进行软件的操作。采用虚拟仿真软件的方式完成高铁牵引变电所值班员和助理值班员的实训演练，系统培训架构基于牵引供电系统的功能结构，使值班员、助理值班员能够按照现实的关系进行协作演练、故障处理等，符合学员各自的职业环境及作业流程。具有如下作用：

（1） 采用VR技术构建虚拟牵引变电所的方式，使学员犹如在真实工作环境中的操作设备既降低投资造价，有不减弱培训效果。

（2） 可以解决高压、高温等危险环境的培训问题，演练过程安全、培训效率高。

（3） 能够使学员安全、准确、高效、直观的了解变电所的设备构造、标准作业流程、多用户协同配合作业、故障处理等能力。

（4） 将虚拟现实牵引变电所放置在网络服务器上，其采购成本远低于实际设备，维护费用几乎为零且管理方便；设备利用率高，不受学员人数限制即可进行培训。

（5） 可以通过学校内网络将系统平台共享，打破课堂的限制，使学生可以24小时随时登陆系统进行学习，将学习延伸至课堂外。

4.结论

通过在牵引变电所教学中加入对VR技术的应用，在以下三个方面取得了十分明显的良好效果。学生学习方面：模拟实务的真实环境，将理论知识与实践操作通过三维可视化方式展现出来，使学生产生身临其境的直观感觉，弥补学生不能够深度参与企业动手排除故障的缺陷，提高学生学习兴趣。教师教学方面：能将理论知识通过三维可视化的方式展现出来，进行综合性授课、进行网络化考核，便于深层次知识的讲解和阐述。实训基地建设方面：解决企业培训和学校设备需求与资源不足的有效手段。能有效的缓解学生数量增长与实训场地不足之间的矛盾。这足以说明VR技术在牵引变电所教学中还有长足的发展空间，它对于提高教学质量、改善实验实训环境、减少资金投入和提高学生兴趣都有着重要作用。

参考文献：

[1]姜芳芳， 来文青， 龚庆武， 姜季萍， 虚拟现实在变电站仿真系统中的应用， 高电压技术， 2005， 31（7）：68-70.

[2]李雪玲，车军，基于虚拟现实的牵引变电所培训系统，企业技术开发：学术版，2014， 33（11）：31-32.

[3]张炳达，张瀑，虚拟现实开发平台在变电站仿真系统中的应用， 高电压技术， 2008， 34（2）：338-341.