混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道交通信號(hào)及控制專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用與探索

黃聰

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州545616）

軌道交通類專業(yè)是我國(guó)社會(huì)在現(xiàn)代化發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)重要產(chǎn)物，也是一項(xiàng)對(duì)實(shí)踐技能具有較高要求的技術(shù)性專業(yè)，在具體教學(xué)過(guò)程中實(shí)踐操作不僅是必不可少的教學(xué)內(nèi)容，也是提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)能力的重要途徑。教育部頒發(fā)的《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見(jiàn)》中明確指出，現(xiàn)代化高等職業(yè)院校開(kāi)展的校企合作模式，要將工作重點(diǎn)放在如何對(duì)校內(nèi)生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行建設(shè)，以及對(duì)相關(guān)建設(shè)措施積極探索等方面，通過(guò)在校內(nèi)積極開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬工藝、虛擬車間、虛擬工廠等活動(dòng)，確保在高等職業(yè)院校內(nèi)部組建一批具有較高水平的校內(nèi)生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)基地。在此過(guò)程中，高職軌道交通類專業(yè)在開(kāi)展相關(guān)教育教學(xué)活動(dòng)中具有的難再現(xiàn)、動(dòng)不了、看不到等問(wèn)題，均能通過(guò)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的有效開(kāi)展得到充分解決。

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

在我國(guó)現(xiàn)代化發(fā)展水平不斷提高的背景下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展能力不斷提升。虛擬技術(shù)是能夠?qū)⑷斯ぶ悄芗夹g(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)人機(jī)交互技術(shù)等眾多領(lǐng)域融為一體的新型技術(shù)，使用戶通過(guò)對(duì)相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的有效使用，有目標(biāo)地進(jìn)行情景體驗(yàn)和交互體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借自身的多元化優(yōu)勢(shì)能夠有效滿足現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展的多種需求，通過(guò)對(duì)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的有效應(yīng)用，美國(guó)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)專業(yè)人士研發(fā)了虛擬界面環(huán)境工作站，對(duì)頭盔式顯示器進(jìn)行了進(jìn)一步完善，并且對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)手套進(jìn)行了工程化改進(jìn)，進(jìn)一步提高相關(guān)設(shè)備的實(shí)用性。與此同時(shí)，美國(guó)波音公司通過(guò)對(duì)三維制圖軟件以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，為波音飛機(jī)建立了虛擬結(jié)構(gòu)模型，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)虛擬組裝的目標(biāo)，而且還可以對(duì)飛機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)波音飛機(jī)展開(kāi)批量式加工和生產(chǎn)。除此之外，該實(shí)驗(yàn)室不僅利用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)一艘海軍運(yùn)輸船只進(jìn)行了模擬器生產(chǎn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)，而且還開(kāi)展了針對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象沖突檢驗(yàn)和形變研究。

二、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道交通信號(hào)及控制專業(yè)中的優(yōu)勢(shì)

（一）復(fù)雜的軌道交通信號(hào)設(shè)備工作原理模擬

在給學(xué)生介紹軌道交通信號(hào)設(shè)備相關(guān)工作原理的過(guò)程中，如果采用傳統(tǒng)的教學(xué)理念和教學(xué)措施，很難保證學(xué)生對(duì)軌道交通信號(hào)設(shè)備的工作原理充分了解。通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的有效應(yīng)用，能夠清楚地表達(dá)出三維空間的意念，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)出相應(yīng)的虛擬對(duì)象，使學(xué)生直接與這些虛擬對(duì)象進(jìn)行交流與溝通。此種方式不僅能夠最大限度地提高學(xué)生對(duì)相關(guān)虛擬對(duì)象的自由控制度，而且還能確保整個(gè)教學(xué)環(huán)境具有較高的靈活性。在建立學(xué)習(xí)環(huán)境和實(shí)訓(xùn)基地的過(guò)程中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅能夠確保搭建出的教學(xué)氛圍能夠容納多維度的信息數(shù)據(jù)，而且還能引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)對(duì)直觀感覺(jué)的有效利用充分理解原理復(fù)雜的內(nèi)容。通過(guò)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的三維軌道交通信號(hào)設(shè)備模型，能夠使軌道交通信號(hào)設(shè)備在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的作用下，將實(shí)際工作流程真實(shí)地展示在學(xué)生面前，再結(jié)合教師對(duì)軌道交通信號(hào)設(shè)備相關(guān)工作原理展開(kāi)生動(dòng)講解，不僅能夠充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)的興趣，而且還能使教學(xué)效率得到進(jìn)一步提高。另外，學(xué)生可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)造出的虛擬環(huán)境，對(duì)軌道交通信號(hào)設(shè)備的各個(gè)零部件進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行有效的意義構(gòu)建。

（二）復(fù)雜的軌道交通信號(hào)設(shè)備部件裝配模擬

在三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，零部件的裝配不僅是不可缺少的重要環(huán)節(jié)之一，同時(shí)也對(duì)零部件的有效裝備起到了重要作用。然而，目前我國(guó)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)展停留在將零部件組裝成為整體設(shè)備的水平上，無(wú)法模擬各個(gè)零部件在裝配過(guò)程中的實(shí)際情況。為了解決這個(gè)問(wèn)題，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)合理引入其中，能確保軌道交通零部件虛擬裝配技術(shù)得到有效實(shí)現(xiàn)。比如，作為軌道交通信號(hào)設(shè)備的重要組成元素之一，轉(zhuǎn)轍機(jī)是由多個(gè)零部件組成的，不僅具有較為復(fù)雜的組成結(jié)構(gòu)，而且相關(guān)零部件的類型具有多元化特點(diǎn)。如果僅觀看視頻以及圖片，很難確保學(xué)生明確掌握各個(gè)零部件之間的關(guān)系與位置，更加無(wú)法掌握各零部件的作用機(jī)理以及在什么場(chǎng)合運(yùn)用什么類型的轉(zhuǎn)向架。而通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可視化功能的有效應(yīng)用，能夠?qū)⑾嚓P(guān)零部件的可裝配性能充分展示出來(lái)，使學(xué)生深入了解各部件的安裝位，從而對(duì)各零部件的作用機(jī)理充分掌握。另外，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的有效應(yīng)用還能使學(xué)生具備結(jié)合實(shí)際情況對(duì)軌道交通相關(guān)設(shè)備零部件的形狀進(jìn)行改進(jìn)的意識(shí)與能力，研究出有效降低相關(guān)裝備配置具有的復(fù)雜性的方法，簡(jiǎn)化連接方式的可行性等，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高其主動(dòng)性。

（三）復(fù)雜的軌道交通信號(hào)設(shè)備模擬

軌道交通信號(hào)設(shè)備設(shè)計(jì)以及模擬，主要是通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中數(shù)字模型功能的有效應(yīng)用，全面替代傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備中的物理原型，從而對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的功能展開(kāi)分析評(píng)價(jià)。在對(duì)軌道交通信號(hào)設(shè)備進(jìn)行加工設(shè)計(jì)模擬時(shí)，主要以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及領(lǐng)域知識(shí)等內(nèi)容作為關(guān)鍵支撐，通過(guò)對(duì)不同分析方法和檢驗(yàn)方法的有效利用，對(duì)最終的設(shè)計(jì)結(jié)果反復(fù)校對(duì)并對(duì)存在的問(wèn)題逐步改進(jìn)。在開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)傳統(tǒng)產(chǎn)品的過(guò)程中，大多時(shí)候由于在前期設(shè)計(jì)階段沒(méi)有對(duì)后期多元化的影響因素進(jìn)行綜合考量，設(shè)計(jì)方案在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中需要不斷修正，相關(guān)設(shè)備的開(kāi)發(fā)周期延長(zhǎng)。為了有效解決這個(gè)問(wèn)題，將產(chǎn)品并行開(kāi)發(fā)的方式融入其中，對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間、產(chǎn)品成本、產(chǎn)品質(zhì)量等能對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)造成影響的多元化因素在前期設(shè)計(jì)階段夠展開(kāi)綜合分析，從根源上解決相關(guān)設(shè)備在后期開(kāi)發(fā)階段存在重大問(wèn)題的情況。該方式通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的有效應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)建立一個(gè)對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生能夠在虛擬實(shí)驗(yàn)室中親身體驗(yàn)到設(shè)計(jì)成果的實(shí)際表現(xiàn)，從而對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行判斷［1］。

三、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道交通信號(hào)及控制專業(yè)教學(xué)中存在的問(wèn)題及解決方案

目前，大部分軌道交通信號(hào)設(shè)備制造企業(yè)無(wú)法為高職院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供現(xiàn)有軌道交通信號(hào)設(shè)備零部件的詳細(xì)尺寸以及三維立體模型。因此，在對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行講解的過(guò)程中，需要將真實(shí)的軌道交通信號(hào)設(shè)備零部件作為模板。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)軌道交通信號(hào)設(shè)備的安裝尺寸和外形，利用三維畫(huà)圖軟件制作出簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)圖，并創(chuàng)建結(jié)構(gòu)圖庫(kù)。然而，這一操作如果只憑借高職院校某一系或者教研室的力量，很難對(duì)零件庫(kù)進(jìn)行有效構(gòu)建和及時(shí)更新。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以將現(xiàn)有的軌道交通信號(hào)設(shè)備以及需要及時(shí)更新的零部件作為基礎(chǔ)建立對(duì)應(yīng)的虛擬仿真模擬庫(kù)，并且鼓勵(lì)所有開(kāi)設(shè)軌道交通信號(hào)設(shè)備課程的院校展開(kāi)積極合作，從而使軌道交通信號(hào)設(shè)備和零部件庫(kù)的共建、共享目標(biāo)得到有效實(shí)現(xiàn)。學(xué)校應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與到對(duì)軌道交通信號(hào)設(shè)備和零部件的裝配以及繪圖活動(dòng)中［2］。

四、軌道交通專業(yè)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用

（一）軌道交通信號(hào)及控制專業(yè)實(shí)訓(xùn)應(yīng)用場(chǎng)景

對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而言，可以通過(guò)建立虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)模擬“認(rèn)識(shí)工作任務(wù)”這一目標(biāo)。根據(jù)對(duì)軌道交通專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)展開(kāi)的大量實(shí)際調(diào)查研究可知，相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景具有以下幾個(gè)特征：

第一，相關(guān)場(chǎng)景具有較高的復(fù)雜程度，在進(jìn)行反復(fù)操作實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的過(guò)程中具有較高難度。比如，開(kāi)展調(diào)度實(shí)訓(xùn)和軌道交通信號(hào)設(shè)備故障處理實(shí)訓(xùn)。

第二，相關(guān)場(chǎng)景的危險(xiǎn)程度較高，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)具有較高的安全性要求。比如，開(kāi)展的接觸網(wǎng)作業(yè)以及調(diào)車作業(yè)。

第三，相關(guān)場(chǎng)景要能經(jīng)常開(kāi)展破壞性較高的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)。比如，火災(zāi)應(yīng)急演練和事故緊急處理演習(xí)。

第四，相關(guān)場(chǎng)景開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)需要能夠滿足變化周期較長(zhǎng)的需求。比如，開(kāi)展線路施工作業(yè)。

第五，相關(guān)場(chǎng)地還要開(kāi)展對(duì)運(yùn)用傳統(tǒng)操作方式無(wú)法完成或無(wú)法輕易完成的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)以及對(duì)變化過(guò)程無(wú)法有效控制的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)。比如，開(kāi)展事故救援等活動(dòng)。

為了有效實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)目標(biāo)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到軌道交通實(shí)訓(xùn)中，通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)作用和優(yōu)勢(shì)的有效應(yīng)用，能夠使實(shí)訓(xùn)教學(xué)的課前環(huán)節(jié)、課中環(huán)節(jié)、課后環(huán)節(jié)有效開(kāi)展，確保相關(guān)教學(xué)目標(biāo)得到有效實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，進(jìn)一步提高軌道交通專業(yè)學(xué)生的能力和素養(yǎng)［4］。

（二）軌道交通信號(hào)及控制專業(yè)校內(nèi)實(shí)訓(xùn)應(yīng)用

在對(duì)軌道交通專業(yè)學(xué)生進(jìn)行校內(nèi)實(shí)訓(xùn)的過(guò)程中，為確保最終實(shí)訓(xùn)目標(biāo)得到有效實(shí)現(xiàn)，可以將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用其中，利用虛擬實(shí)訓(xùn)對(duì)學(xué)生的技能展開(kāi)規(guī)范訓(xùn)練。比如，結(jié)合具體教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)能力在校內(nèi)建立完善的軌道交通信號(hào)設(shè)備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)和軌道交通信號(hào)設(shè)備模擬裝置，使學(xué)生熟練操作模擬系統(tǒng)，提升自身對(duì)軌道交通信號(hào)設(shè)備的操控能力，及時(shí)有效地解決軌道交通信號(hào)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障問(wèn)題，甚至可以訓(xùn)練學(xué)生在軌道交通信號(hào)設(shè)備毀壞、故障等非正常狀態(tài)下采取及時(shí)有效措施的能力。與此同時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況將軌道運(yùn)輸運(yùn)營(yíng)虛擬教學(xué)系統(tǒng)引入具體教學(xué)環(huán)節(jié)中，并且在對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練沙盤(pán)上將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、底層聯(lián)鎖邏輯、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖軟件的運(yùn)行狀態(tài)和變化過(guò)程有效結(jié)合并展示出來(lái)，從而提供一個(gè)具有較高真實(shí)性和直觀性的實(shí)訓(xùn)仿真環(huán)境，供學(xué)生學(xué)習(xí)和觀摩，從而使學(xué)生在此環(huán)境下訓(xùn)練相關(guān)設(shè)備在正常、非正常、調(diào)車、單操等情況下的接車和發(fā)車操作技能。比如，在地鐵軌道交通運(yùn)營(yíng)和調(diào)度的實(shí)踐過(guò)程中，將軌道交通綜合仿真系統(tǒng)運(yùn)用其中，對(duì)各種列車的運(yùn)行狀態(tài)以及線路的分布狀態(tài)進(jìn)行模擬，不僅能夠使學(xué)生對(duì)相關(guān)列車的調(diào)度規(guī)范以及操作規(guī)程熟練掌握，而且還能使學(xué)生的安全生產(chǎn)意識(shí)得到進(jìn)一步提升［5］。

（三）基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)軌道交通信號(hào)及控制專業(yè)實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)

相關(guān)人員在進(jìn)行軌道交通混合實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)過(guò)程中需要注意，虛實(shí)結(jié)合的建設(shè)方式不僅要充分結(jié)合不同實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目在專業(yè)方案框架下的虛擬形式與真實(shí)形式，而且還要確保同一個(gè)項(xiàng)目?jī)?nèi)部具有的真實(shí)物理設(shè)備以及虛擬仿真設(shè)備能夠得到充分結(jié)合。同時(shí)還需要注意，開(kāi)展的各項(xiàng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目在真實(shí)性以及虛擬性充分結(jié)合的基礎(chǔ)上，還應(yīng)發(fā)揮互相促進(jìn)的作用。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要從以下幾個(gè)方面入手：

第一，針對(duì)校內(nèi)原有的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目而言，可以通過(guò)對(duì)虛擬補(bǔ)缺補(bǔ)差技術(shù)的有效應(yīng)用，建立虛擬的圖像或場(chǎng)景，對(duì)其中由于技術(shù)問(wèn)題、場(chǎng)地問(wèn)題、資金問(wèn)題所導(dǎo)致無(wú)法建設(shè)的生產(chǎn)材料、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝進(jìn)行有效補(bǔ)充。

第二，通過(guò)對(duì)虛實(shí)結(jié)合技術(shù)的充分應(yīng)用，確保在開(kāi)展實(shí)訓(xùn)教學(xué)的過(guò)程中，其形象化功能和直觀性功能得到充分發(fā)揮。這樣不僅能夠使生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝的透明度大幅度提高，生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝的復(fù)雜程度有效簡(jiǎn)化，而且還能促使學(xué)生通過(guò)對(duì)有效空間和時(shí)間的利用掌握更多理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。長(zhǎng)此以往，不僅能夠使學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)的速度和強(qiáng)度全面提升，而且還能確保教學(xué)效果達(dá)到令人滿意的程度［6］。

五、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上針對(duì)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軌道交通信號(hào)及控制專業(yè)教學(xué)中的有效應(yīng)用途徑展開(kāi)的詳細(xì)分析和系統(tǒng)性研究，能更加明確地認(rèn)識(shí)到，在高職院校軌道交通類專業(yè)實(shí)訓(xùn)活動(dòng)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越普遍。為了進(jìn)一步促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的作用和價(jià)值能充分發(fā)揮到高職院校軌道交通類專業(yè)教育教學(xué)中，相關(guān)教育人士還應(yīng)通過(guò)高職軌道交通類實(shí)踐教學(xué)的有效開(kāi)展，不斷開(kāi)發(fā)和完善虛擬仿真系統(tǒng)，從而使教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有的綜合性能進(jìn)一步提升。在此基礎(chǔ)上，使虛擬實(shí)訓(xùn)資源具有的共享目標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的輔助下得到有效實(shí)現(xiàn)，最大程度避免重復(fù)建設(shè)情況發(fā)生。與此同時(shí)，在實(shí)際運(yùn)用虛擬仿真系統(tǒng)的過(guò)程中，要對(duì)理論教學(xué)的各個(gè)過(guò)程進(jìn)行緊密結(jié)合，不斷拓展學(xué)生的實(shí)際技能訓(xùn)練，使學(xué)生擁有更加真實(shí)的體驗(yàn)感，在激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維的同時(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，最終為軌道交通信號(hào)及控制專業(yè)教學(xué)水平的進(jìn)一步提高以及學(xué)生專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)的全面提升提供積極幫助。