虚拟和增强现实技术在物流专业实践教学中的应用研究*

□ 宋作玲，孙 慧

(山东科技大学 交通学院，山东 青岛 266590)

1 虚拟和增强现实(VR/AR)技术概述

1.1 VR技术简介

1968年，伊凡·苏泽兰(Ivan Sutherland)和学生们设计出了由头戴显示器和简单线框渲染图像构成的虚拟现实系统。虚拟现实(Virtual Reality,VR)依靠交互式图像显示、感官识别及反馈、自然技能跟踪与模拟、传感及标定技术等，生动逼近现实的视觉、听觉乃至触觉，在特定范围下构建一种仿真交互环境。VR技术包括沉浸式和网络空间式两种，网络空间式适合远距离线上学习[1]。

沉浸性(Immersion)、构想性 (Imagination)、交互性(Interaction)被称为虚拟现实“3I” 特性[2]。虚拟技术市场主要包括硬件设备、软件资源以及集成解决方案服务等。VR硬件系统包括四部分：头戴式显示设备(Head Mount Display，HMD)、主机系统、追踪系统、控制器。主机系统一般由个人电脑、智能手机承担。追踪系统用来捕捉用户动作或行为，由传感器、陀螺仪和磁力计等部件组成，例如，仓库中分拣员带着HMD抬头，屏幕会切换成仓库顶棚，就是应用内置式追踪系统。控制器是一种手持设备，能够追踪用户的动作、手势。

1.2 AR技术简介

增强现实(Augmented Reality，AR)综合各种信息技术，将虚拟物体或场景等信息与真实环境进行实时叠加，通过专用设备，呈现出同一个相融合的空间影像。虚拟与现实有机结合、交互性和实时地三维对准是AR的关键技术特征。

AR设备一般具有全息投影屏幕、摄像头、定位仪、陀螺仪、距离传感器、语音交互、手势交互等功能。按照呈现空间跨度，AR可以分为头戴式(head-attached)、手持式(hand-held)、空间展示(spatial)三类[3]。AR技术是基于叠加原理实现基本成像，可以是多个虚拟图层的叠加，或者是虚拟图层与现实场景融合。

AR解决方案提供商有美国Infinite Z 公司开发的3D显示屏——Z Space；Metaio公司开发的Metaio SDK和Metaio Creator；Mobilizy 公司开发的Wikitude兼容主流移动设备操作系统；Waking APP的ENTiTi是基于云计算平台开发的简易可视化开发环境[4]。AR技术趋势之一是开源化设计与开发，使得底层代码透明化，基于组件开发甚至是鼠标拖动实现业务逻辑。例如，微软推出的MRTK(混合现实工具包)是一款兼容性较高的开源框架。通过降低开发门槛，可以吸引更多的工程师、教育者等使用者加入自主开发设计群体。

2 VR/AR技术应用

2.1 VR/AR应用领域

VR/AR技术产生以来已广泛应用于国防军事、航空航天、机械重工、智能制造、交通工程、能源基建、智慧城市、公共安全、教育培训、医疗卫生、建筑设计、电商零售、社交媒体等领域。据高盛报告预测，至2025年，VR/AR用户数预计达1500 万，产业营收乐观预计可达800亿美元。游戏和直播、娱乐等应用市场占比过半，并逐步形成规模化和平台化运营。2021年上半年，国内VR/AR行业获得资本青睐，累计融资超30亿元；国外信息巨头脸谱网、微软、索尼加大VR/AR研发投入和市场开拓。

医疗卫生方面，VR/AR已经成功应用于医生对患者的病史搜索、辅助专家系统用于诊断。建筑方面，工程师利用VR/AR进行主体构造、分层展示内部细节，与外部环境相适宜。疫情期间，VR/AR应用于远程医疗会诊、在线旅游、虚拟展会等。电视直播方面，央视运用VR技术展现“天宫二号”和“神舟十一号”交会对接，搭建虚拟环境全方位展示飞机控制室、组合体的内部构造、控制面板及监控数据；通过AR实现主播对空间实验室行进方向和转速的调控。

随着5G、云计算、物联网等新一代信息技术的改进，VR/AR在图像处理和信息传输方面的性能指标得到快速提升，优化了用户体验感，进而提升了接纳度，利于市场潜能的挖掘。

2.2 VR/AR技术在高校教学中的应用

高校作为新技术的前沿应用阵地之一，引入VR/AR技术可以丰富教学手段、模式和资源。VR/AR技术能够提供研究对象的全息图像，设计虚拟实验任务、模拟虚拟实训环境等，有利于开展线上线下混合式、体验式、探究式教学，已形成医学解剖、航空航天、机械控制等学科教学案例等资源，实现操作训练和协同演练等。我校应用VR/AR进行党史仿真教学，重现经典历史事件场景，具有强烈的感染力，形成思政教育同频共振。

VR/AR技术有效提升了课堂和实践教学的质量。首先，为学生自主学习提供了有利条件，适合以学生为中心开展的教学、虚拟实验、实训和创新竞赛；其次，可以为学生提供更加逼真和立体化的情景，更具有直观的感知和体验感；再次，能够提高学生的学习兴趣和探索意愿，沉浸式、游戏式教学体验适合新生代学生特点；最后，有利于促进优质资源均衡化，克服空间、时间和资金障碍。

VR/AR技术与环境的应用与推广也存在一些障碍：从技术层面，计算机视觉技术的加速运算受制于底层算法，需要海量数据用于训练算法；从产品装备层面，终端硬件门槛高，价格居高不下，长期使用易疲劳，舒适度欠佳；从服务商层面，企业级市场进入壁垒相对较高，提供一体化、定制化解决方案的服务商未形成规模；从资源开发层面，开发主体以企业为主，没有形成引入教育主体的协同开发模式，优质资源供不应求，教学实际应用出现雷声大雨点小的状况。

2.3 VR与AR应用比较

与VR相比，应用AR技术无需佩戴沉重的眼镜、头盔、手套等，无需设置获取用户位置的定位装置，无需编制特定的空间边界；搭建AR环境仅需个人电脑配备摄像头，或者使用便携式平板或手机等日常配备的终端，即可实现虚实环境的交叠，AR技术硬件配置简单，易于学校落地实施，便于师生操作实验。VR对于计算机绘制高清虚拟图像能力要求较高，需要配备高性能图像处理器(GPU)；AR技术靠眼镜投射和摄像头拍摄，对GPU要求低，但是需要高性能CPU进行实时的虚实空间匹配等。同时，AR环境原理就是将虚拟的学习内容的虚拟信息与现实场景进行关联，更符合知行合一、学中做、做中学的理念。

与VR/AR相关的技术有混合现实(Mixed Reality，MR)与扩展现实(Expanded Reality，ER)。MR技术能够呈现包括物理实体和虚拟对象的世界，在虚实世界和用户之间构建交互反馈的信息回路，实现物理实体与数字对象的共生与实时交互，与AR更为接近。ER是VR与物联网深度融合的技术，在ER环境中，现实和虚拟的边界模糊化，例如一款达芬奇手术机器人可以作为“人替”给病人做手术。

3 VR/AR技术在物流实践教学中的应用

VR/AR可以营造炫酷的虚拟场景，通过描绘奇幻的世界使用户对事物、空间及环境产生悬念和探索欲，让学生有着强烈的学习冲动感和知识破解感。 物流行业和教学中存在诸多场景和操作流程，特别是自动化物流系统、智慧物流等，综合运用自动识别、物联网、智能控制等信息技术。VR/AR技术已在高科技物流企业得以应用，在高校等教育教学领域的应用实践也愈来愈受关注。

3.1 物流运营管理实践教学方面

仓储是物流工作量较多的环节，传统模式下仓储管理员应用手持终端进行出入库、分拣作业环节的扫描和信息采集，产生较多的冗余动作，作业枯燥乏味。通过佩戴 AR 头盔或眼镜，能够更方便地通过摄像头进行扫描，仓库管理员眼睛看到什么货物、设备或货架，扫描就可以识别这些对象，AR 设备基于全息投影技术，将虚拟的单证、导引路径与仓库货架及输送线等实体交叠融合。在AR技术加持下，仓库管理员可以通过智能眼镜扫视货物或中转箱条码，快速无负担感地完成信息采集，作业更加安全精准，同时，增强了员工工作舒适度，降低了疲劳度。统计数据表明，在数据采集环节，AR可为物流企业提高25%的作业效率。

仓储和配送是物流教学的核心课程，在开展配送中心分拣教学空间有限的实验室中，学生可以佩戴VR眼镜熟悉分拣流程、验证分拣策略、优化分拣路线。以往实习和实训，学生很难有机会去实际的配送中心和仓库实现操作，开展验证分拣策略的实验，基于VR的虚拟实验环境可以更加安全、更节省实验场地空间、更节约投入资金。可以设置VR环境下操作流程、分拣识别、路径导航、语音识别、流程优化、人体工学设计等虚拟实验和实训项目。同时，可以将货物收发、进出库操作、库存盘点、仓库安全作业、装箱优化、叉车操作、配送运输等相关和延伸环节的运营作业和流程管理集成于VR/AR环境开展教学。

3.2 物流系统规划实践教学方面

在建筑领域，运用虚拟现实技术，设计者可以在虚拟空间构建、装饰并呈现方案，可以调整观测视角，进行全景沉浸式设计。仿照此应用案例，将VR用于交通场站等基础设施、物流园区、配送中心、无人仓、无人车间、自动分拣系统等的规划设计，方便设计者仿真和调整方案。同时，探索VR/AR与数字孪生相结合，可用于支持智能制造、智慧交通、智慧物流系统升级。

3.3 电子商务实务实践教学方面

应用VR/AR开发电子商务展示类、操作类和综合类实验，因为电子商务与传统商务相比缺少感知度。商品的体验即沉浸感也可以称为空间临场感，对于促进消费者购买意愿具有积极作用，有助于消费行为达成。例如，淘宝推出的虚拟现实产品——Buy+，打造出了一种沉浸式虚拟购物体验场景，顾客购买衣物时可以虚拟换装，直观地增加产品感知，提升购物愉悦感。

VR/AR技术还可以打造虚拟购物空间。在虚实结合的购物场景中进行商品货架摆放与管理、未来超市模式下商品买卖。消费者、卖家、第三方平台共同参与直观性的共享空间，而不是枯燥的平面空间[5]。同时，还支持多主体分布式协同共享虚拟空间，实现多种信息技术集成，完成自动结算、实时购物车、可视化统计等智能商务任务序列。

3.4 港口航运物流实践教学方面

在现实生活中，由于安全等问题，学生无法遨游大海、驾驶船舶、操作大型港口设备，高校搭建港口和航运类实验室投资巨大，一般没有条件采用实体实验设备和环境。VR技术可以提供场景化海运地理资源，根据港口实际测绘，建立虚拟集装箱港口操作的场景和港口机械等。坐乘智能操作台、戴上头盔或眼镜、操纵手柄模拟操作或驾驶设备，可以从各个角度近距离观察起重机、集装箱搬运设备，航行于经典航线，停泊装卸船，穿梭于堆场、货运站等，传统集装箱港口进入参观难、无法近距离参观等问题得以解决。

VR/AR可以用于培训和考核船员、港口机械工程师和技术工人，对于船舶装载、船舶装卸、港口起重机、AGV等装备的构造、操作实务以及系统集成和协同控制等有切实的感知和体验式训练。

3.5 物流自动化系统实践教学方面

教学中引用VR/AR有浅度引用(简单的显示功能)、中度引用(有明显的空间转换痕迹)、高度引用(故事叙事与空间叙事同步)和深度引用(与课程无痕迹转换)四种[6]。物流自动化系统包括自动化立体仓库(AS/RS)、自动分拣系统(ASS)、自动导引车(AGV)等智能装备和信息系统，涉及操作流程、机械原理、控制算法、软件操作等。有些智能物流系统需要空间想象力才容易理解，大型实验室成本高、维护难，全自动化实习实训基地稀缺，因此，可以采用深度引入VR / AR提高教学效果。例如，定位一个实训仓库，给出仓库流程、货架、设备、信息系统等介绍，再通过 VR 技术生成叉车式、堆垛机式、穿梭车+升降机式等类型立体仓库，并与虚拟货架及设备进行交互。

此外，VR/AR还可以与“ABCD”即人工智能、区块链、云计算、大数据以及5G、数字孪生等相融合，一方面深度开展物流信息技术综合应用和系统集成，另一方面增强新技术革命背景下学习者形象思维及创新创业实践能力。

4 总结

虚拟现实和增强现实技术是多种先进信息技术的应用以及多学科知识交叉融合，通过主动探索、动手实践、创新设计、跨界融合来学习新知识和掌握新技能。VR/AR技术在游戏文娱、智能制造、医疗、建筑等行业和教育领域的应用案例较多，可以作为开展物流领域教学实践的思路和方案。VR/AR技术可以应用于物流运营、物流系统规划设计、国际物流、物流自动化系统等具有技术可行性和市场化前景，将物流仓库、交通运输网络、港口等构建出虚拟场景与现实世界相结合，通过在虚拟叠加空间里交流互动，增强学生工程实践能力，营造开展体验式和探究式智慧教学的环境。同时，论文给出的物流教学应用思路也为虚拟仿真企业开发教学资源提供思路，需要产学研融合的模式促进VR/AR的资源开发和市场开拓。