基于VR技术的高铁应急操作训练设计研究

吴凡，刘杨

摘要：目的 以中车高铁驾驶舱环境及操作设备为对象，合理运用VR技术的高仿真功能进行应急操作训练设计研究，从而来降低高铁应急操作训练的实际成本和风险，保障训练者的操作安全。方法 借助虚拟现实技术构建高速列车三维可视化展示平台，同时在该平台上实现驾驶舱室内环境虚拟体验，达到在紧急突发情况下的操作模拟训练功能。结论  针对高铁应急操作训练，提出基于VR技术下的高仿真应急训练，将训练者置于沉浸式的紧急情境，并在安全且真实的虚拟环境中应对紧急情况，提高其面对突发情况的随机应变能力。

关键词：VR技术;应急操作训练;高铁;安全

中图分类号：TP311     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）20-0110-02

近些年我国高铁凭借技术领先、安全可靠、性价比高，一度成了中国高端制造业的“黄金名片”，让世界对中国的制造业刮目相看。而国外相继出现的高铁安全事故也给我们敲响警钟，在高铁应急方面给予充分重视，不断提高其风险预防水平，注重紧急情况的应急操作训练。但是在实际操作训练中存在着消耗成本高、问题反馈迟、应急训练模式单一等显著问题。因此，想要进一步提升工作人员对于应急事件的处理能力，就必须借助更加现代化的训练手段。基于VR技术的高铁应急操作训练系统能够改变传统的应急训练模式，在高度安全的前提下，打破训练时空限制，提高训练者的参与积极性，凭借其现代化的交互操作特性，让训练者进行多层次、多角度的操作模拟训练。

1 虚拟现实技术及其特征

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实是由美国VPL公司创建人拉尼尔在20世纪80年代初提出的，它是由虚拟仿真技术、显示技术、传感技术和人工智能等多种计算机技术生成的高技术模拟系统。 [1]虚拟现实技术可以让参与者以第一视角的身份进入到计算机图形构成的虚拟情境中，参与者通过一定的VR硬件设备在虚拟环境中进行多层次的交互体验。由于自身的特性其被广泛运用到航天、军事、医学、应急救援等多个领域。因此将虚拟技术应用到高铁应急系统是切实可行的，并且也符合时代发展的趋势。

1.2 虚拟现实技术特征

虚拟现实技术是需要依托相应的硬件设备，其特征主要有三点。

（1）沉浸式虚拟体验。利用一定技术手段将用户参与的场景发生置换，给用户营造出沉浸式的虚拟环境，从而让参与者置身于视、听、触觉一体化的虚拟空间中，并且沉浸到创造出的环境中进而达到身临其境的效果。

（2）多维度想象。用户凭借在虚拟世界中获得的各种信息以及其在训练系统中的相应行为，自身通过一定的想象、逻辑思维的判断，对系统整体运行的状态变化可以进行多维度想象，从而获取更加丰富的知识、对于系统深层次的运动机理和规律特点也有越发全面的自我认识。

（3）交互性。将用户作为虚拟环境中主体对象，把用户的操作行为和策略通过相应的VR硬件设备输入到可操作界面中，进而实时反馈给系统，这样就能在虚拟环境下呈现出用户对象的交互行为和交互关系。

2 高铁应急操作虚拟训练的必要性

我国高铁事业发展迅猛，传统的高铁应急操作训练模式已经难以满足现代化安全建设的要求。一方面局限于人为模拟，训练方式较为单一且易受时间和空间的约束，训练结果总是差强人意;另一方面传统高铁应急训练不具备应急情境，无法令受训者在实际应急训练中感受到真实感。在VR技术的结合下，高铁应急操作训练可以依托于虚拟空间，在高度安全的前提下，打破传统的人为模拟特性，不受时空限制，快速取得应急演练结果，进行演练评估和改进。并且受训人员可以根据自己的培训效果重复演练，掌握受训主动权，大大提高了演练效果，更好地体现了虚拟应急的自主性。

此外长期在單一的应急训练环境中做出的反应，某种程度上会让训练者形成固定的反应思维。但是VR虚拟演练系统可以模拟各种演练情况，让受训者可以置身于各种复杂和突发环境中，有针对性地进行训练，提高自身的应变能力与相关处理技能。最后就是传统的高铁应急训练方式在训练成本和安全方式管理上存在较大的问题，成本高、安全管理困难极大阻碍了应急训练的进行。而VR虚拟应急借助虚拟现实技术对高铁应急的实际场景和情境进行多样化采集和存储，这样大幅降低了实际应急场景训练所带来的高额成本，也可以更系统地观察和管理应急操作训练系统，让应急训练符合现代化的应急需求。要想让训练者在应急操作训练中表现得更为真实，现存的高铁应急操作就必须颠覆现有训练模式，进行创新升级，敢于采用VR虚拟现实技术，凭借VR虚拟现实技术及其硬件设备真实模拟出应急系统，从而让受训练者和紧急情境产生真实的交互行为，让训练者能够身临其境。VR技术下的高铁应急操作训练在现代技术的帮助下能够完美重现紧急情境，给高铁应急训练模式开拓了新的途径。

3 VR技术下的高铁应急操作体现

《应急管理信息化发展战略规划框架（2018-2022年）》）指出，要想实现应急管理信息化跨越式的发展就需要制定应急管理信息化发展战略规划，同时还强调着要“充分运用云计算技术、物联网技术、大数据分析、人工智能、移动互联等新一代新兴技术，推动现代化信息技术与应急管理业务流程深度融合，从而令应急管理信息化得到跨越式发展” [2]。现阶段，在高铁虚拟应急操作训练构建的过程中，需要深度运用新兴技术，进而加强高铁虚拟应急管理的技术创新，拓宽高铁虚拟应急训练交互形式途径，保证高铁应急的安全。

3.1 参与者与训练环境的交互体现

“在应急训练者，通过设置虚拟演练场景、存储典型预案信息，演练人员可通过虚拟场景完成人机交互，让应急人员能够及时发现问题所在，快速提高应急人员的处置能力”[3]所以高铁的应急训练需借用VR虚拟技术来设置典型的高铁紧急演练场景，来让高铁应急的演练人员在这样的虚拟场景中来进行人机交互，从而实现用户和空间的融合。因此高铁应急操作训练应该是一个多元化的展示空间，由多个不同的信息载体来构成虚拟的高铁应急演练场景。场景中的色彩、材料、情景变化都可以作为信息传递给用户，不同的空间信息会给演练者带来不同的训练感受。高铁虚拟应急场景特征如图1。