虚拟现实技术在轨道交通车辆相关课程教学中的应用

王海燕　阮久宏　王守锋

摘要：介绍了虚拟现实技术的概念及其在工业制造中的应用；分析阐述了虚拟现实技术在轨道车辆相关课程教学中的优势及其在教学实践中应用所存在的问题，并给出了解决方案。

关键词：轨道交通；虚拟现实技术；应用型人才；培养模式

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）14-0259-02

一、虚拟现实技术发展及其在工业制造中的应用

虚拟现实技术VR（Virtual Reality）即三维虚拟现实和虚拟现实仿真又称为临境技术，是集计算人机交互技术、机图形学、传感技术、人工智能等相关技术于一体，利用计算机生成三维的虚拟信息，使用户借助技术设备，与虚拟世界进行交互及情景体验[1]。

虚拟现实更加符合社会发展的需要。美国宇航局Ames实验室一直是众多VR技术思想的生成地。Ames 实验室的研究人员Scott Fisher等人开发了虚拟界面环境工作站完善了头盔式显示器，并将VPL的数据手套工程化，增加设备的实用性[2]。波音公司；利用CATIA三维制图软件与虚拟现实技术相结合，建立飞机的虚拟结构模型，实现飞机的虚拟组装和模拟实验的目的，然后直接进行实际生产加工。Michigan大学VR实验室对一艘PD337海军运输船利用沉浸式虚拟现实技术模拟器生产过程。研究的第一阶段为船体建模及校验，首先用AutoCAD生成船的双层底模型，然后将CAD模型转换成虚拟原型，之后利用沉浸式虚拟现实技术进入实物大小的船体模型中以观察船体特性，发现并纠正在初始的CAD/CAM模型中所存在的问题；第二阶段的研究内容主要是船的装配，通过造船厂标准装配过程的真实模拟研究装配的不同阶段焊接操作过程和起吊机的运动过程以及其他的程序步骤。沃尔沃公司借助虚拟现实技术设计新型汽车内部的仪表和控制部件的布置。英国Herriot-Watt大学机械与化学工程系，进行虚拟环境中的对象形变研究和冲突检测研究[3]。

我国虚拟现实技术近年來迅猛发展[4]。清华大学CIMS工程研究中心设有虚拟制造研究室。西安交通大学设有CAD/CAM研究所。2005年3月，上海理工大学宣布成立了虚拟制造技术研究院。北京航空航天大学虚拟现实与多媒体研究实验室在DVENET上开发了适合坦克用的虚拟仿真器、适合直升机用的虚拟仿真器、用于虚拟战场环境的观察器及计算机兵力生成器；成功连接了装甲兵工程学院设计的坦克仿真器；完成了 DVENET下分布式交互仿真环境下使用的真实地形；并连接了多家单位合力开发的F22，F16，J7及单兵等虚拟仿生器[5]。上海的一家汽车齿轮厂在换档机构和变速器总成的生产制造过程中采用了虚拟装配技术。虚拟装配技术在轻型客车的底盘设计与制造中也有着广泛的应用[5]。

二、虚拟现实技术在轨道交通机车车辆相关课程教学中的优势

对于轨道交通运输生产部门（主要指铁路和城市轨道交通）来说，学生现场教学必须安全，轨道交通相关专业所需实训设备种类繁多，现有条件下在学校建立实训工厂、实训基地一般是行不通的[4]。讲授设备结构原理、工作性能及专有设备的运行、调度、运用、检修等内容时，通常借助图片辅助，学生被动接受。虚拟现实技术所特有的直观性使得理论学习过程容纳了实践活动的直观特性，可以将实践教学的符号化信息转换为学生易于接受的直观表现形式，避免了原始状态条件下虚拟思维对象的抽象性，解决了现实建立原型对象所面临的诸多局限。

虚拟现实技术的关键内容主要包括：（1）动态环境的建模技术，它包括实际环境条件下三维数据的获取方法、非接触式视觉的建模技术等；（2）实时、限时条件的三维动画技术，即实时三维图案的生成技术；（3）立体显示及传感技术，包括头盔式的三维立体显示器、数据手套、力觉传感器和触觉传感器技术的开发研究；（4）快速、高精的三维跟踪技术；（5）系统高度集成技术，包括数据的转换、语音识别技术及语音合成技术等[6]。虚拟现实技术是新的认知工具和知识载体，不仅有助于知识结构重新构建，更有助于学习者心理学上的重新建构[7]。虚拟现实技术在轨道交通车辆相关课程中的应用主要有：

1.复杂零部件的工作原理模拟。采用传统教学手段介绍空气制动机的工作原理，学生很难理解三通阀的工作机理。虚拟现实技术能将三维空间的意念清楚地表达出来，使学生直接地与虚拟现实技术所创设的各种虚拟对象进行交互，获得最大范围的控制自由度和操作整个环境的灵活性。利用虚拟现实技术呈现的多维信息搭建虚拟的学习环境和实训环境，有助于学生借助直观感觉理解复杂的动作原理。借助虚拟现实技术建立的三维空气制动机模型，利用虚拟现实技术对空气制动机进行虚拟装配、剖解、观看空气制动机的工作过程，结合教师对原理的讲解可激发兴趣，提高效率。在虚拟现实技术构建的虚拟环境中，对空气制动机相关的零部件进行移动、旋转或缩放操作，可以进一步促进学生完成所学知识的意义建构[8]。

2.零件加工设计模拟。零件加工设计模拟是采用虚拟现实技术借助数字模型代替物理原型进行产品的分析与评价。零件加工设计模拟过程以产品三维设计模型为基础，以领域知识和虚拟现实等关键技术为支撑，采用不同的分析、校验方法，反复检验并逐步改进设计结果。传统的产品设计开发过程，在设计的前期阶段对后期因素考虑不全面，导致设计过程中需要反复改进设计方案，拖延开发的周期。采用产品并行开发的方法，在产品的设计阶段就要求尽可能全面地考虑产品质量、产品成本及产品开发时间等后续环节的影响因素，从而减少由于产品开发的后期阶段所出现的重大问题的反馈，但是这种方法缩短产品开发周期的作用非常有限[4]。在轨道车辆零部件设计相关的教学中，利用虚拟现实技术，在多媒体计算机上建立虚拟实验室。学习者可以身临其境般地体验设计的零部件在疲劳试验中的表现，判断设计是否合理。不消耗器材，也不受场地、环境等外界条件的限制，不会因为操作失误、零部件的失效而造成不必要的人身事故。

3.部件装配模拟。零部件的装配是三维设计系统的一个不可或缺的重要功能，但是，目前的三维设计系统大多只能直接将零部件装配成为整体设备，而不能模拟各个零部件的装配过程，将虚拟现实技术引入装配技术就可以形成零部件的虚拟装配技术[5]。

转向架一般由侧架（构架）、摇枕、轮对、轴箱装置、弹簧减振装置组成，是铁路车辆走行部的重要组成部分，其结构复杂、类型多样。单凭图片、视频很难掌握各部件的位置关系，透彻理解各部分的作用机理及不同类型转向架的适用场合。虚拟现实技术包括生产制造、装配部分以及各个环节信息的综合。借助虚拟装配技术以可视化方式展示设计产品的可装配性，便于学生熟知各部件的安装位置，更好理解各部分的作用机理。还可以通过对零部件形状进行改进研究降低装配的复杂性的方法，简化连接方式的可行性等，激发学生激情，提高其主动性。

三、虚拟现实技术在课程教学应用中存在的问题及解决方案

轨道车辆零部件→三维模型→虚拟现实，多媒体技术发展需要我们共同参与。但大部分教师没有思想准備，需要做好培训工作，尽快更新传统教育观念，掌握新的教学设计原理及多媒体的设计、开发与应用等相关基础技能。

机车车辆制造商不可能为我们提供现有车型零部件的三位模型和详细尺寸，因此需要以现有机车车辆为模板，根据各部件的外形及安装尺寸，利用三维软件绘制简化的零件图，构建零件库。单纯利用教研室或者一个系的力量构建并及时更新零件库比较困难。为建立以现有车型为基础的、适时更新的机车车辆零部件虚拟仿真模型库，开设轨道交通车辆课程的相关院所需要建立有效的合作机制，实现零部件库的共建、共享。吸引学生参加到零件图的绘制、部件的装配中。

虚拟现实技术使教师从烦琐的教学准备中解放出来，但削弱了教师的作用，教师必须提高综合素质，由知识传授型向指导型、研究型教师转化。虚拟现实技术促进了专业教学的内容、方法及手段的变革。但是并不能完全取代现场的实践教学体系，应将两者进行有机的结合，开创实践教学体系的新模式。

参考文献：

[1]徐媛.增强现实技术的教学应用研究[J].中国远程教育，2007，（10）：68-70.

[2]张克敏.基于虚拟现实的机器人仿真研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[3]吴凤娟.虚拟现实技术应用状况[J].科技视界，2015，（7）：104-104.

[4]陆超.虚拟现实技术：解决专业教学与生产安全矛盾的新思路[J].职业教育研究，2010，（5）：150-151.

[5]魏安顺，周印，谢叻.虚拟现实技术及其在制造业的应用[J].模具技术，2004，（5）：54-58.

[6]李敏，韩丰.虚拟现实技术综述[J].软件导刊，2010，（6）：142-144.

[7]周玉海.先进制造技术中虚拟现实技术的应用与开发研究[J].南方职业教育学刊，2012，2（2）：23-26.

[8]跃明.虚拟现实技术在教育中的应用[M].北京：科学出版社，2007.