王海燕　阮久宏　王守鋒

摘要：介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念及其在工業(yè)制造中的應(yīng)用；分析闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道車輛相關(guān)課程教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)及其在教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)用所存在的問(wèn)題，并給出了解決方案。

關(guān)鍵詞：軌道交通；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；應(yīng)用型人才；培養(yǎng)模式

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）14-0259-02

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展及其在工業(yè)制造中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)VR（Virtual Reality）即三維虛擬現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)仿真又稱為臨境技術(shù)，是集計(jì)算人機(jī)交互技術(shù)、機(jī)圖形學(xué)、傳感技術(shù)、人工智能等相關(guān)技術(shù)于一體，利用計(jì)算機(jī)生成三維的虛擬信息，使用戶借助技術(shù)設(shè)備，與虛擬世界進(jìn)行交互及情景體驗(yàn)[1]。

虛擬現(xiàn)實(shí)更加符合社會(huì)發(fā)展的需要。美國(guó)宇航局Ames實(shí)驗(yàn)室一直是眾多VR技術(shù)思想的生成地。Ames 實(shí)驗(yàn)室的研究人員Scott Fisher等人開發(fā)了虛擬界面環(huán)境工作站完善了頭盔式顯示器，并將VPL的數(shù)據(jù)手套工程化，增加設(shè)備的實(shí)用性[2]。波音公司；利用CATIA三維制圖軟件與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，建立飛機(jī)的虛擬結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的虛擬組裝和模擬實(shí)驗(yàn)的目的，然后直接進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)加工。Michigan大學(xué)VR實(shí)驗(yàn)室對(duì)一艘PD337海軍運(yùn)輸船利用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬器生產(chǎn)過(guò)程。研究的第一階段為船體建模及校驗(yàn)，首先用AutoCAD生成船的雙層底模型，然后將CAD模型轉(zhuǎn)換成虛擬原型，之后利用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入實(shí)物大小的船體模型中以觀察船體特性，發(fā)現(xiàn)并糾正在初始的CAD/CAM模型中所存在的問(wèn)題；第二階段的研究?jī)?nèi)容主要是船的裝配，通過(guò)造船廠標(biāo)準(zhǔn)裝配過(guò)程的真實(shí)模擬研究裝配的不同階段焊接操作過(guò)程和起吊機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及其他的程序步驟。沃爾沃公司借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)新型汽車內(nèi)部的儀表和控制部件的布置。英國(guó)Herriot-Watt大學(xué)機(jī)械與化學(xué)工程系，進(jìn)行虛擬環(huán)境中的對(duì)象形變研究和沖突檢測(cè)研究[3]。

我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)近年來(lái)迅猛發(fā)展[4]。清華大學(xué)CIMS工程研究中心設(shè)有虛擬制造研究室。西安交通大學(xué)設(shè)有CAD/CAM研究所。2005年3月，上海理工大學(xué)宣布成立了虛擬制造技術(shù)研究院。北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)與多媒體研究實(shí)驗(yàn)室在DVENET上開發(fā)了適合坦克用的虛擬仿真器、適合直升機(jī)用的虛擬仿真器、用于虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的觀察器及計(jì)算機(jī)兵力生成器；成功連接了裝甲兵工程學(xué)院設(shè)計(jì)的坦克仿真器；完成了 DVENET下分布式交互仿真環(huán)境下使用的真實(shí)地形；并連接了多家單位合力開發(fā)的F22，F(xiàn)16，J7及單兵等虛擬仿生器[5]。上海的一家汽車齒輪廠在換檔機(jī)構(gòu)和變速器總成的生產(chǎn)制造過(guò)程中采用了虛擬裝配技術(shù)。虛擬裝配技術(shù)在輕型客車的底盤設(shè)計(jì)與制造中也有著廣泛的應(yīng)用[5]。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道交通機(jī)車車輛相關(guān)課程教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于軌道交通運(yùn)輸生產(chǎn)部門（主要指鐵路和城市軌道交通）來(lái)說(shuō)，學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)必須安全，軌道交通相關(guān)專業(yè)所需實(shí)訓(xùn)設(shè)備種類繁多，現(xiàn)有條件下在學(xué)校建立實(shí)訓(xùn)工廠、實(shí)訓(xùn)基地一般是行不通的[4]。講授設(shè)備結(jié)構(gòu)原理、工作性能及專有設(shè)備的運(yùn)行、調(diào)度、運(yùn)用、檢修等內(nèi)容時(shí)，通常借助圖片輔助，學(xué)生被動(dòng)接受。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所特有的直觀性使得理論學(xué)習(xí)過(guò)程容納了實(shí)踐活動(dòng)的直觀特性，可以將實(shí)踐教學(xué)的符號(hào)化信息轉(zhuǎn)換為學(xué)生易于接受的直觀表現(xiàn)形式，避免了原始狀態(tài)條件下虛擬思維對(duì)象的抽象性，解決了現(xiàn)實(shí)建立原型對(duì)象所面臨的諸多局限。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容主要包括：（1）動(dòng)態(tài)環(huán)境的建模技術(shù)，它包括實(shí)際環(huán)境條件下三維數(shù)據(jù)的獲取方法、非接觸式視覺(jué)的建模技術(shù)等；（2）實(shí)時(shí)、限時(shí)條件的三維動(dòng)畫技術(shù)，即實(shí)時(shí)三維圖案的生成技術(shù)；（3）立體顯示及傳感技術(shù)，包括頭盔式的三維立體顯示器、數(shù)據(jù)手套、力覺(jué)傳感器和觸覺(jué)傳感器技術(shù)的開發(fā)研究；（4）快速、高精的三維跟蹤技術(shù)；（5）系統(tǒng)高度集成技術(shù)，包括數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)及語(yǔ)音合成技術(shù)等[6]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是新的認(rèn)知工具和知識(shí)載體，不僅有助于知識(shí)結(jié)構(gòu)重新構(gòu)建，更有助于學(xué)習(xí)者心理學(xué)上的重新建構(gòu)[7]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道交通車輛相關(guān)課程中的應(yīng)用主要有：

1.復(fù)雜零部件的工作原理模擬。采用傳統(tǒng)教學(xué)手段介紹空氣制動(dòng)機(jī)的工作原理，學(xué)生很難理解三通閥的工作機(jī)理。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能將三維空間的意念清楚地表達(dá)出來(lái)，使學(xué)生直接地與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所創(chuàng)設(shè)的各種虛擬對(duì)象進(jìn)行交互，獲得最大范圍的控制自由度和操作整個(gè)環(huán)境的靈活性。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)呈現(xiàn)的多維信息搭建虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境和實(shí)訓(xùn)環(huán)境，有助于學(xué)生借助直觀感覺(jué)理解復(fù)雜的動(dòng)作原理。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的三維空氣制動(dòng)機(jī)模型，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)空氣制動(dòng)機(jī)進(jìn)行虛擬裝配、剖解、觀看空氣制動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程，結(jié)合教師對(duì)原理的講解可激發(fā)興趣，提高效率。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的虛擬環(huán)境中，對(duì)空氣制動(dòng)機(jī)相關(guān)的零部件進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或縮放操作，可以進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生完成所學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu)[8]。

2.零件加工設(shè)計(jì)模擬。零件加工設(shè)計(jì)模擬是采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)借助數(shù)字模型代替物理原型進(jìn)行產(chǎn)品的分析與評(píng)價(jià)。零件加工設(shè)計(jì)模擬過(guò)程以產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，以領(lǐng)域知識(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)等關(guān)鍵技術(shù)為支撐，采用不同的分析、校驗(yàn)方法，反復(fù)檢驗(yàn)并逐步改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)果。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程，在設(shè)計(jì)的前期階段對(duì)后期因素考慮不全面，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程中需要反復(fù)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，拖延開發(fā)的周期。采用產(chǎn)品并行開發(fā)的方法，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就要求盡可能全面地考慮產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品成本及產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間等后續(xù)環(huán)節(jié)的影響因素，從而減少由于產(chǎn)品開發(fā)的后期階段所出現(xiàn)的重大問(wèn)題的反饋，但是這種方法縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的作用非常有限[4]。在軌道車輛零部件設(shè)計(jì)相關(guān)的教學(xué)中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在多媒體計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)室。學(xué)習(xí)者可以身臨其境般地體驗(yàn)設(shè)計(jì)的零部件在疲勞試驗(yàn)中的表現(xiàn)，判斷設(shè)計(jì)是否合理。不消耗器材，也不受場(chǎng)地、環(huán)境等外界條件的限制，不會(huì)因?yàn)椴僮魇д`、零部件的失效而造成不必要的人身事故。

3.部件裝配模擬。零部件的裝配是三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一個(gè)不可或缺的重要功能，但是，目前的三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)大多只能直接將零部件裝配成為整體設(shè)備，而不能模擬各個(gè)零部件的裝配過(guò)程，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入裝配技術(shù)就可以形成零部件的虛擬裝配技術(shù)[5]。

轉(zhuǎn)向架一般由側(cè)架（構(gòu)架）、搖枕、輪對(duì)、軸箱裝置、彈簧減振裝置組成，是鐵路車輛走行部的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、類型多樣。單憑圖片、視頻很難掌握各部件的位置關(guān)系，透徹理解各部分的作用機(jī)理及不同類型轉(zhuǎn)向架的適用場(chǎng)合。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包括生產(chǎn)制造、裝配部分以及各個(gè)環(huán)節(jié)信息的綜合。借助虛擬裝配技術(shù)以可視化方式展示設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可裝配性，便于學(xué)生熟知各部件的安裝位置，更好理解各部分的作用機(jī)理。還可以通過(guò)對(duì)零部件形狀進(jìn)行改進(jìn)研究降低裝配的復(fù)雜性的方法，簡(jiǎn)化連接方式的可行性等，激發(fā)學(xué)生激情，提高其主動(dòng)性。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在課程教學(xué)應(yīng)用中存在的問(wèn)題及解決方案

軌道車輛零部件→三維模型→虛擬現(xiàn)實(shí)，多媒體技術(shù)發(fā)展需要我們共同參與。但大部分教師沒(méi)有思想準(zhǔn)備，需要做好培訓(xùn)工作，盡快更新傳統(tǒng)教育觀念，掌握新的教學(xué)設(shè)計(jì)原理及多媒體的設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用等相關(guān)基礎(chǔ)技能。

機(jī)車車輛制造商不可能為我們提供現(xiàn)有車型零部件的三位模型和詳細(xì)尺寸，因此需要以現(xiàn)有機(jī)車車輛為模板，根據(jù)各部件的外形及安裝尺寸，利用三維軟件繪制簡(jiǎn)化的零件圖，構(gòu)建零件庫(kù)。單純利用教研室或者一個(gè)系的力量構(gòu)建并及時(shí)更新零件庫(kù)比較困難。為建立以現(xiàn)有車型為基礎(chǔ)的、適時(shí)更新的機(jī)車車輛零部件虛擬仿真模型庫(kù)，開設(shè)軌道交通車輛課程的相關(guān)院所需要建立有效的合作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)零部件庫(kù)的共建、共享。吸引學(xué)生參加到零件圖的繪制、部件的裝配中。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使教師從煩瑣的教學(xué)準(zhǔn)備中解放出來(lái)，但削弱了教師的作用，教師必須提高綜合素質(zhì)，由知識(shí)傳授型向指導(dǎo)型、研究型教師轉(zhuǎn)化。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)了專業(yè)教學(xué)的內(nèi)容、方法及手段的變革。但是并不能完全取代現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐教學(xué)體系，應(yīng)將兩者進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，開創(chuàng)實(shí)踐教學(xué)體系的新模式。

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