孫 煜 上海鐵路局上海動車客車段

為適應高鐵時代高素質(zhì)職工隊伍的要求，必須加快操作技能人才的培養(yǎng)，特別是一線職工的實際動手能力和解決實際問題的能力培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以虛擬出真實環(huán)境中難以實現(xiàn)的環(huán)境，可以使職工“真刀真槍”地參加生產(chǎn)實踐，從而在由計算機與網(wǎng)絡生成的模擬現(xiàn)實環(huán)境中直接得到技能訓練。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本概念

1.1 虛擬現(xiàn)實的定義

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR技術(shù))是利用計算機生成一種具有逼真視、聽、觸、力覺等的綜合可感知的模擬現(xiàn)實的環(huán)境。學習者可以與這一虛擬的現(xiàn)實環(huán)境進行直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生交互，交互作用的結(jié)果與學習者在相應的真實環(huán)境中所體驗的結(jié)果相同或相似。

1.2 虛擬現(xiàn)實的特點與重要意義

VR是發(fā)展到一定水平上的計算機技術(shù)與思維科學相結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)為人類認識世界開辟了一條新途徑。VR的最大特點是：用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進行交互操作，改變了過去人類除了親身經(jīng)歷，就只能間接了解環(huán)境的模式，從而有效地擴展了自己的認知手段和領域。近年來，隨著計算機硬件軟件技術(shù)的發(fā)展以及人們越來越認識到它的重要作用，VR技術(shù)在各行各業(yè)都得到了不同程度的發(fā)展，并且越來越顯示出廣闊的應用前景。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育培訓中的應用

VR應用于教育培訓，既是VR自身的發(fā)展的要求，也是教育培訓發(fā)展的需要。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，教育培訓的趨勢將發(fā)生質(zhì)的變化，因為虛擬教育培訓環(huán)境擁有現(xiàn)實教育培訓環(huán)境無可比擬的優(yōu)勢。教育培訓借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持下的創(chuàng)景教育，不僅僅是為教育培訓提供了一種全新的、前所未有的模式，而且將對遠程教育乃至整個人類教育在思想觀念上產(chǎn)生根本性革命。

2.1 設備維修中的應用

VR技術(shù)比較適合于機械專業(yè)的維修訓練，由于鐵路的許多系統(tǒng)涉及到機械設備，所以虛擬維修訓練仿真系統(tǒng)是鐵路的一個重要應用方向，目的是通過采用計算機仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機上真實展現(xiàn)設備的維修過程，增強設備壽命周期各階段關(guān)于維修的各種決策能力，包括維修分析、演示驗證、過程核查、訓練實施等；虛擬維修還可以通過仿真操作過程，統(tǒng)計維修作業(yè)的時間、維修工種的配置、維修工具的選擇、設備部件拆卸組裝的順序、維修作業(yè)所需的空間、預計維修費用等；在設備維修之前，進行維修預演和仿真，可突破設備維修在空間和時間上的限制，可以實現(xiàn)逼真的設備拆裝、故障維修等操作，提取生產(chǎn)設備的已有資料、狀態(tài)數(shù)據(jù)，檢驗設備性能。這種在虛擬環(huán)境下從事設備維修的優(yōu)勢具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1.1 抽象理論有形化

利用多媒體技術(shù)，將鐵路各專業(yè)理論知識文本轉(zhuǎn)化成用三維圖形顯示，利用互動式動畫、聲音使現(xiàn)場場景重現(xiàn)，利用現(xiàn)場攝制的視頻使操作規(guī)程有形化等。例如：在設備維修培訓中運用三維仿真技術(shù)，就可以更加形象和直觀地實現(xiàn)設備外觀展示、設備的結(jié)構(gòu)展示以及設備的原理演示等，從而使培訓系統(tǒng)中最令職工難以接受的內(nèi)容變得非常直觀易學，另外職工還可以對設備任意地旋轉(zhuǎn)、放縮或者是平移，實現(xiàn)了從任何角度和方向觀察模型，從而避免文字的枯燥，提高了學習的趣味性、可見性、互動性。

2.1.2 多種專業(yè)設備維修技能實戰(zhàn)化

設備維修3D虛擬仿真技術(shù)，能夠360°展示設備等事物的每個方向，以及隨意縮放視距方便展示事物的每個細節(jié)。除了能夠完美地展示事物的外觀、內(nèi)在，還可以演示工作原理、設備結(jié)構(gòu)展示、設備安裝指導、設備檢修作業(yè)指導、操作注意事項、操作說明書，可反復練習設備各部件的拆卸及組裝等功能而不影響行車安全甚至造成事故。

2.1.3 設備內(nèi)部構(gòu)成剖面化

由于鐵路設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復雜，受訓人員無法通過肉眼直觀地觀察到設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其運行過程、運行情況及運行狀態(tài)無法了解。而通過虛擬仿真技術(shù)，可以把各種設備內(nèi)部各種構(gòu)件直觀、逼真、形象地表現(xiàn)出來。虛擬仿真技術(shù)把內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運行情況通過互動式動畫形象地表達出來，達到內(nèi)部構(gòu)成剖面化，從而解決了傳統(tǒng)的教學方法很難向?qū)W員展示機械裝置的運行過程、狀態(tài)和內(nèi)部原理的難題。為學員提供全面的考察、操縱乃至維修的模擬訓練機會，使培訓得到事半功倍的效果。通過設備內(nèi)部構(gòu)成剖面化，支持維修訓練與維修的實施，有效降低維修訓練費用，提高維修的準確性與效率。

2.1.4隱性部件可視化

由于設備內(nèi)部構(gòu)造的復雜性，很多零部件無法在剖面圖中展示。利用虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)，可以制作單元三維素材。當鼠標點擊設備外殼時，設備外部逐漸透明，與此同時，內(nèi)部構(gòu)件逐漸清晰。點擊局部隱性部件，還可以使隱性部件放大，使該隱性部件的結(jié)構(gòu)、在工作過程中的運行狀態(tài)以及運行原理得到充分的展示，從而使受訓人員在學習過程中，一些無法展示的小部件通過單元三維素材可以得到充分的展示，真正達到了可視化。

2.1.5工藝流程系統(tǒng)化

工藝流程簡介主要是以文字以及三維結(jié)構(gòu)示意簡圖的形式向?qū)W員介紹有關(guān)的基礎性知識；如：轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧檢修作業(yè)包括工藝流程、施工工藝、環(huán)保安全要求、設備和工藝裝備、軸箱彈簧檢修工藝危害等內(nèi)容。通過工藝流程系統(tǒng)化的描述VR化，使受訓人員在學習時，不但能夠系統(tǒng)地學習軸箱彈簧檢修作業(yè)路徑，還能學習各種設備操作以及安全注意事項等。

以上提到的應用，僅是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在鐵路上能夠運用的極小一部分應用。事實上虛擬現(xiàn)實技術(shù)是模擬客觀世界已知的客觀規(guī)律，并利用這些客觀規(guī)律進行現(xiàn)實運輸生產(chǎn)中可以進行或無法進行的試驗，從而獲得更好的應用方案，節(jié)約資金和時間，并規(guī)避風險。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對鐵路運輸生產(chǎn)進行虛擬仿真培訓，能夠使決策更加具有數(shù)據(jù)支持，從而具有更強的科學性，將會對鐵路運輸生產(chǎn)起到極大的促進作用。

關(guān)于模塊化教學課題，目前鐵路局現(xiàn)在進行的模塊化教學和運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于我們鐵路教育培訓并不矛盾，模塊化教學的某些系統(tǒng)也運用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，如：高鐵動車組模擬駕駛和仿真故障處理系統(tǒng)、動車組機械師模擬檢修系統(tǒng)和模塊化教學培訓考試系統(tǒng)、CRH2轉(zhuǎn)向架3級修模擬仿真培訓系統(tǒng)等。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)按交互程度和沉浸程度的不同可分為桌面式、沉浸式、增強式和分布式等四類。其中桌面式的虛擬現(xiàn)實技術(shù)非常簡單，需要投入的成本也不高，而且在教育領域內(nèi)可應用的范圍很廣，而沉浸式VR系統(tǒng)具有高度的實時性能和沉浸感，但它的成本較高。而我們的模塊化教學的某些系統(tǒng)正是運用了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

3 結(jié)論

為確保高鐵運營持續(xù)安全穩(wěn)定，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在設備的維修、動車檢修質(zhì)量、有效的安全管理和安全教育培訓、職工操作技能培訓等方面有著廣闊的應用前景。