趙青，蘆旭熠,2，張逸涵,2，岳潤璞,2，單桂華,2＊

1．中國科學院計算機網絡信息中心，北京 100083

2．中國科學院大學，北京 100049

引 言

我國現(xiàn)代化鐵路的高質量快速發(fā)展，對確保鐵路系統(tǒng)的良性運轉、降低安全事故的發(fā)生概率提出了更高的要求。通過安全教育和培訓，能夠在專業(yè)性和規(guī)范性上進一步提高鐵路從業(yè)人員的事故預防、應急處理和救援能力，從而整體上提升技術業(yè)務和安全素質，減少人為事故的發(fā)生幾率。而虛擬現(xiàn)實的技術方法，能夠利用計算機對鐵路交通建設、運營中各種復雜情況進行系統(tǒng)模擬，提供交互性強、靈活度高的沉浸式培訓應用，節(jié)省現(xiàn)場模擬的成本，模擬非正常情況實驗，對鐵路安全教育有著極其重要的意義。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality: VR）通過計算機技術，模擬產生一個虛擬三維空間的世界，結合視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，將用戶與真實世界隔絕，構造一個完全虛擬的場景，使用者通過頭盔、手柄、數(shù)據手套等設備與計算機進行交互，能夠產生身臨其境一般的感覺。因此VR 技術常被定義一種全新的人機接口技術，一種高端的影像顯示技術，但隨著計算機技術的不斷發(fā)展，VR 技術已經集合了三維建模技術、網絡通信技術、傳感器技術等多種技術應用，有著更為而豐富的內涵。通常來說，一個VR 系統(tǒng)具有三個特性[1]：（1）沉浸感，即使用者對虛擬環(huán)境的逼真程度的感受；（2）交互性，即使用者使用交互設備與虛擬環(huán)境進行信息交互的特性；（3）想象性，即使用者對于虛擬環(huán)境的一種合理的想象的推理。早在1984年，美國就開始將VR 技術用于軍方對宇航員和飛行駕駛員的模擬訓練，此后VR 技術在研究和應用上都有不同程度技術積累與發(fā)展，進入21世紀，VR 技術的不斷創(chuàng)新導致了相關產業(yè)快速崛起，VR+工業(yè)、VR+教育、VR+醫(yī)療等多個產業(yè)的融合成為研究者們探討的主題和實驗。在此背景下，VR技術在鐵路教育中的應用成為必然趨勢。

隨著科技和社會的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術已經在游戲娛樂與工業(yè)培訓等多個領域涌現(xiàn)了成功案例，包括VR 游戲主題樂園、航空VR 訓練系統(tǒng)、VR 醫(yī)療手術訓練系統(tǒng)等。美國麻省理工學院和華盛頓大學華盛頓技術中心的人機界面技術實驗室在VR仿真技術和組合應用方面進行了多種類型的研究，并將虛擬現(xiàn)實技術研究引入到教育領域。日本是世界領先的VR 技術研發(fā)國家之一，其研究重點是大規(guī)模VR 知識庫的建設，并在虛擬現(xiàn)實的游戲方面也做了很多研究工作。中國在 1980年代引入 VR 技術，西安虛擬現(xiàn)實工程技術研究中心在國內率先開展VR實驗，專注于VR 模擬和虛擬化制造研究。浙江大學設計了一個通過改進漸進式網格漫游算法構建基于桌面的虛擬系統(tǒng)，與以前的桌面系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)允許更快的人機交互并提供更高的畫質。西南交通大學在整合VR 技術進入軌道列車司機培訓方面取得了一些進展[2]。中國科學院計算機網絡信息中心先進交互式技術與應用發(fā)展部在智能交互分析技術方面開展了VR 關鍵技術研究與應用，研發(fā)了一系列針對工業(yè)生產、教育科普、科學研究等領域的VR 技術產品，包括應用于多人協(xié)作、產品檢修等多種工業(yè)應用場景的工業(yè)協(xié)同交互系統(tǒng)，提供多人協(xié)同模塊。如今，虛擬現(xiàn)實技術已經成熟，正在被用于軍事、醫(yī)療、教育、娛樂和其他應用。

圖1 VR 應用領域Fig.1 Application fields of VR technology

本文針對VR 技術在鐵路安全教育中的應用進行了調研，闡述了現(xiàn)代化鐵路高速發(fā)展下新的需求背景，梳理歸納了VR 技術在教育培訓中的前沿應用，通過進一步分析鐵路教育的發(fā)展、教育內容、教育方式，討論了VR 教育培訓運用在鐵路安全教育的必要性，總結了VR 教育培訓的優(yōu)勢，為后續(xù)相關研究提供指導。

1 鐵路教育的發(fā)展

交通運輸?shù)目焖侔l(fā)展一定程度上激發(fā)和推動了鐵路安全教育培訓體系的建立和完善，引入虛擬現(xiàn)實技術的必要性在于對教育媒介以及培訓設備的變革帶來了新的思路，相對傳統(tǒng)培訓方式，VR 培訓方式避免了信息的死記硬背，Schofield 等人 (2001) 提出虛擬現(xiàn)實模擬提供了改善安全相關的機會，如采礦培訓，表明記憶安全信息的能力來自三維計算機世界將遠大于來自書面的信息，同時VR 培訓系統(tǒng)也避免了工人缺少參與機會的情況，給培訓人員提供了具有自主性、沉浸性的體驗[3]。我們以傳統(tǒng)培訓體系和VR 培訓體系切入，討論不同階段的鐵路安全教育發(fā)展。

圖2 培訓體系分類Fig.2 Classification of training system

傳統(tǒng)培訓體系，可分為純文字、圖文、視頻、仿真系統(tǒng)這幾類。基于純文字材料的培訓，即通過簡單或復雜的文字描述來對作業(yè)流程進行說明，對人員進行指導和培訓，這種方式一般優(yōu)點是成本低，對于普遍識字的用戶即可普及，但是缺點也顯而易見，由于文字材料的用詞表達的準確度存在偏差，學員的理解能力也存在差異，文字培訓難以達到滿意的效果?；趫D文材料的培訓是在單純文字難以描述復雜性操作的基礎上，選用大量的圖片進行豐富培訓材料，以結合文字進行更準確的培訓教育，而圖片則可以包括真實物體的照片、操作流程圖、動作示意圖等等，采用圖文并茂的方式進行講解培訓，也更有趣味性?；谝曨l材料的培訓，隨著工業(yè)生產制造的復雜度加大，培訓內容的難度也相應增大，靜態(tài)的圖文也難以滿足作為培訓素材的需要，而多媒體技術的發(fā)展、手機的普及使得視頻介質成為傳輸信息的通用介質，采用視頻進行培訓的優(yōu)勢在于動態(tài)地講解了操作的內容，保留了它的連貫性，允許學員同步操作、反復觀看?；谌S仿真系統(tǒng)的培訓，是通過計算機開發(fā)程序對相關人員進行更有針對性的培訓和訓練。這類系統(tǒng)的特點是通過三維建模還原真實場景，同時結合模擬仿真的技術開發(fā)培訓系統(tǒng)，允許學員自主選擇培訓內容，進行針對性的訓練。

當培訓系統(tǒng)發(fā)展到三維仿真訓練時，其實就已經開始搭建學習環(huán)境的情境性來幫助學員記憶培訓內容了，同時也具有一定的交互性。而基于VR 系統(tǒng)的培訓，則是在還原生產場景的基礎上具有強交互性、高靈活度，基于VR 的培訓體系與之前幾種培訓體系相比，它的突出特點在于極大還原了操作環(huán)境的空間信息，克服了仿真系統(tǒng)的三維模型只能在計算機的二維屏幕上輸出這個缺點，同時賦予了學員進行交互的自由度。同時，VR 作為一種有效的工具，已被證明具備有效地提供更好的理解和可視化能力。例如，在建筑教育和培訓中，學生可以通過感知不同的建筑空間3D 對象，而不是查看傳統(tǒng)圖紙。此外，教育培訓使用傳統(tǒng)的 3D 方法依賴于使用鼠標或鍵盤與計算機生成的結構形式。然而，在VR 環(huán)境中，直接的結果是交互式活動，例如拉和抓取，這意味著，在使用VR 進行培訓和安全教育的過程中需要一定形式的輸入來控制并與環(huán)境互動。

2 基于VR 技術的安全教育概述

安全教育培訓旨在通過合適的培訓手段，使得人們在進行某些具有危險性的生產活動時，可以正確操作相關工具或正確完成工作流程，保證個人安全，并使得生產活動順利進行。安全教育在高危行業(yè)得到眾多研究者和從業(yè)者的關注，通過預先的操作培訓、安全教育，可以大幅減少危險的發(fā)生。鐵路是國民經濟的大動脈，它的安全管理對運輸效能、經濟效率以及社會很多方面都有重要影響。因此，在鐵路領域制定完善的安全教育培訓體系是尤為重要的。

基于VR 技術的安全教育系統(tǒng)應實現(xiàn)3 個任務，分別是操作培訓、場景模擬和設計原則。操作培訓任務是指安全教育系統(tǒng)需要有使用戶獲得在危險場景下進行正確的安全操作或行為的意識和技能的能力，用戶可以將在系統(tǒng)中學習的技能應用到現(xiàn)實場景中，并達到良好的規(guī)避或處理危險情景的效果。由于VR 安全教育系統(tǒng)虛擬環(huán)境的獨特性，場景模擬任務就顯得尤為重要。VR 安全教育系統(tǒng)需要在虛擬世界中構造一個與現(xiàn)實世界極其相似的場景，逼真的虛擬場景更容易讓用戶有代入感，并且場景中關鍵細節(jié)的模擬逼真度會在很大程度上影響用戶的學習效果。設計原則任務是指VR 安全教育系統(tǒng)在最初的設計時需要遵從某些理論和原則，構建合適的安全教育指導體系，從而保證安全教育系統(tǒng)的可用性和教學效果。

多年以來，除了在應用上的進步，VR 領域還對控制器和其他類型的輸入設備進行了許多引入、改進和重新設計，這些設備旨在與視頻游戲和虛擬世界進行交互。從操縱桿、控制器和游戲板、方向盤和踏板，到鼠標和鍵盤等，輸入設備經歷了多次迭代[4]。Birk 等人[5]的調研結果顯示控制器對玩家體驗需求滿意度的能力、自主性、相關性、沉浸感和直觀控制存在影響。

頭戴顯示器的出現(xiàn)開拓了VR 技術可實現(xiàn)的應用范圍，并推動了VR 安全教育領域的進步。Deb 等人[6]使用HTC Vive 頭戴顯示器和Unity 軟件開發(fā)了一種新的行人模擬器。當參與者試圖安全地穿過虛擬信號交叉口時，其可以對行人頭部位置和方向進行跟蹤。McComas 等人[7]也使用了頭部追蹤裝置以確定頭部運動，特別是檢測兒童過馬路前是否做出L-R-L 的動作。在鐵路事故恢復培訓場景，Xu 等人[8]開發(fā)了一個模擬器，設計一套特定任務的手勢(由HTC Vive 追蹤)來操作鐵路起重機的擺動、變幅、吊裝、伸長和移動等動作。用戶實驗結果表明，與傳統(tǒng)手持式控制器相比，基于手勢的控制器能夠更高效、更易于處理復雜的交互。

與傳統(tǒng)教學技術相比，新興的 VR 技術將更好地滿足培訓人員的需要。通過在沉浸式的環(huán)境中使用 VR 技術，學生可以更快地理解抽象的概念，激發(fā)學習復雜過程的興趣和動機。與此同時，VR 技術提供真實性、互動性和娛樂性的創(chuàng)新教學方法，也有助于提高課程的質量。

3 基于VR 技術的安全教育內容

操作培訓、場景模擬和設計原則作為3 個基本任務，是VR 技術應用于安全教育領域時首先要考慮的問題。我們對已經在VR 安全教育方面得到應用成果的行業(yè)領域進行總結,對3 個任務的具體內容進行充分闡述,并對進一步優(yōu)化和發(fā)展的方向進行思考。

3.1 操作培訓

對從業(yè)人員在操作器械的培訓可以提高使用熟練度，降低危險發(fā)生的可能性。在VR 發(fā)展的早期，由于VR 在安全教育方面的研究尚未展開以及硬件的限制，研究者們從簡單的模擬入手，追求虛擬上的、與2D 不同的體驗，能有操作感的VR 實現(xiàn)即認為成功。Qi-Zhong L 等人對于VR 在安全培訓中的初步探索時沒有盲目冒進，未設計復雜的VR 環(huán)境和復雜的作業(yè)機械，而是采用叉車這一具有典型代表性的簡單作業(yè)機械，從而讓工人可以較輕松地入手VR式安全培訓[9]。在VR 環(huán)境中設計整個機械模型往往較為復雜，且?guī)聿槐匾墓ぷ髁?。Wang Z 等人在VR 中設計控制臺和鐵路前方景象[10]，可設置障礙考驗駕駛技術，這樣的設計就能通過模擬駕駛達到訓練功能。Marzano A 等人特別探討了VR 中與裝配和拆卸有關的部分，設計了VR_MATE 來滿足可維護性和可組裝性可用于設計鐵路客車的組裝[11]。

圖3 模擬駕駛場景[10]Fig.3 Simulated driving scenario[10]

隨著研究的不斷深入，VR 在安全教育上不斷擴展其應用范圍，并注重與理論的結合，令設計有效且更令人信服。Papa S 等人通過設置不同的車輛儀表盤來進行多樣化訓練[12]。Zhang K 等人在設計VR 安全教育系統(tǒng)時結合教育理論，如建構主義理論、流式理論、游戲化學習、學習遷移等，結合知識與實踐[13]，結合VR 環(huán)境與傳統(tǒng)學習模式中的優(yōu)勢方面，提升了系統(tǒng)的有效性。

在廣度之上，研究的深度也得到更多研究者的重視。研究者開始回顧過去的設計，給將來提供指導，并關注更加細粒度的設計。Sim Z H 等人在VR 模擬時還原車間和車間內的機器、工具，讓真實度提高，進一步減少意外發(fā)生的可能性[14]。在鐵路安全方面，危險品鐵路運輸是其中一項需要關注的工作，運輸危險品相對一般物品對于鐵路工作人員有著更高的要求，而從實際中鍛煉工人不僅是對生命的威脅，也對社會有著惡劣的影響。?wil M 等人對VR 在鐵路模擬器方面的應用成果進行了三年的調查分析[15]，調查不僅表明了VR 的有效性，同時發(fā)現(xiàn)使用者反饋數(shù)量較多的模擬控制器較數(shù)量少的模擬控制器差，原因則是駕駛訓練任務變得更困難。Xu J 等人關注了手持控制器操作上的缺陷，提出了基于手勢的鐵路事故協(xié)同救援虛擬現(xiàn)實訓練模擬器，可以更有效地處理復雜的交互[8]。除此之外，Xu J 等人同時允許多用戶操作，協(xié)同工作，令訓練環(huán)境更加逼真。為驗證VR 中裝配、拆卸的實際效能，Yang J 等人[2]通過對專業(yè)學生進行VR 學習環(huán)境和傳統(tǒng)教學的比較實驗驗證了VR 在操作技能獲得上的積極作用，有助于減輕學生的認知負荷。

當前VR 在各領域的安全教育方面都有了一定的應用，能夠與理論結合進行設計，有對細粒度的探索，也有對過去研究的回顧，可以看出其發(fā)展的興旺。但目前的研究缺乏了通用性的框架與平臺，可擴展性差。每更改部分環(huán)境或應用場景，就得進行全盤重新的設計與實現(xiàn)，所耗費的精力是巨大的。

3.2 場景模擬

另一種培訓模式是不單單對單一操作機械進行VR 模擬，而是通過設置整個VR 場景，對實體環(huán)境進行模擬。在核產業(yè)，任務往往是在放射性區(qū)域執(zhí)行。在越短的時間內完成任務可以越有效地減少放射性的危害。早在2002年，Sebok A 等人將VR 式的安全培訓引入對在放射性區(qū)域工作的人員的操作培訓中，幫助新員工了解該區(qū)域的布局和輻射情況，并將VR 方式分為引導式和非引導式，并與傳統(tǒng)的地圖訓練方法進行比較，證明了非引導式VR 訓練的有效性[16]。

隨著技術的發(fā)展，交互這一重要機制被引入VR安全培訓的設計中。一系列研究[6-7,17]都采取讓參與者在VR 場景中執(zhí)行固定事件，通過追蹤裝置檢測參與者行為，并給予即時反饋的方式讓參與者獲得安全意識。Zhao D 等人設計了一種方案，讓使用者完成模擬場景中的所有交互培訓事件，通過這些訓練模擬，使用者可以在潛移默化中學習到相關技能并留下深刻印象[18]。此外，場景內的觸發(fā)器是可重復的，使用者可以重復使用，以加強訓練內容。

隨著設備的更新和新設備的出現(xiàn)，研究者開始考慮不同設備與當前培訓的適配性和有效性。Buttussi F 等人在考慮VR 安全培訓時考慮了三種不同類型的VR 方式：桌面虛擬現(xiàn)實、窄視野HMD 和寬視野HMD[19]，在檢測其存在感與參與度時不僅考慮了使用后的即時感受，還進行了兩周的跟蹤調研，證明了VR 的展示方式影響著安全教育的程度。

鐵路安全教育中，對于鐵路事故的緊急救援也是重要的培訓內容之一，而還原鐵路事故救援場景的工程量大且成本較高，因此在VR 中進行鐵路事故場景模擬是進行緊急救援培訓的高效途徑。如何讓事故現(xiàn)場的場景更快地在VR 中重建是研究點之一。Nie Y 等人提出了一種基于圖像的重建框架[20]，基于改進的約束非線性最小二乘優(yōu)化，如圖4所示，該框架可以在短時間內自動對只有一張全景圖的事故現(xiàn)場進行建模。救援人員可以使用集成的頭戴式設備驗證救援計劃，幫助救援人員做出可靠的救援決策，減少列車事故造成的損失。

圖4 原始圖片和重建后的虛擬場景[20]Fig.4 Original images and reconstructed virtual scenes[20]

VR 安全培訓在場景模擬上經歷了初步還原、有效性研究、快速建模等多個歷程，從不同角度切入增強該領域的研究廣度和深度。目前的場景模擬后的使用對象仍然是小基數(shù)的專業(yè)人群，對于擴展性仍有更多研究的空間。

3.3 設計原則與方法指導

實現(xiàn)有效的VR 安全培訓需要構建合適的安全教育系統(tǒng)的方法指導，在VR 中構建鐵路安全教育系統(tǒng)，既要保證安全教育系統(tǒng)的完整性和教育效果，又要發(fā)揚VR 環(huán)境的優(yōu)勢，增強安全教育的趣味性、真實性、可靠性等。

首先，安全教育系統(tǒng)需要有基礎的認知構建能力。在VR 環(huán)境中，認知構建能力可以通過使用戶在高還原度的模擬場景中不斷體驗相關安全操作步驟和流程來構建在某種危險場景下的應對措施，在VR 環(huán)境中學習到的安全意識和技能可以自然地轉移到現(xiàn)實中。例如行人安全中，針對兒童進行的穿越十字路口的VR 培訓顯示出VR 技術在學習行人安全技能方面的有效性[7]。該項目旨在教育和訓練兒童安全穿越十字路口。具體而言，目標是確定兒童在虛擬環(huán)境中是否可以有效學習行人安全技能，以及在虛擬環(huán)境中學習的行人安全技能是否可以應用到現(xiàn)實世界中。軟件還集成了一個反饋組件，給兒童予以相關提示和警告危險。結果表明，即使短暫接觸VR 軟件，兒童也可以學習到穿越十字路口所需的安全行為。相似的，Luke 等人[17]介紹了一個名為"Motion Rail"的VR 系統(tǒng)，用于培訓兒童穿越鐵路的安全行為，如圖5所示。兒童需要使用頭戴式VR設備和控制器來執(zhí)行任務，他們將在 VR 環(huán)境中的顯示屏上收到關于通過或阻塞的即時反饋。結果顯示，兒童喜歡基于VR 的訓練系統(tǒng)，并表現(xiàn)出相當大的學習興趣，研究結果進一步強調了兒童能夠從VR環(huán)境中抓取和保留信息。VR 被認為是傳統(tǒng)引導訓練方法的有效替代方案[21]。Angelia 等人[16]評估了不同的訓練方法(地圖訓練、引導式VR 訓練和非引導式VR 訓練)的有效性，認為VR 在訓練轉移方面是有效的，其效果相當于或優(yōu)于基于地圖的培訓。

圖5 鐵路虛擬場景和佩戴VR 頭戴顯示器的參與者[17]Fig.5 Railway virtual scenes and participants wearing VR headmounted displays[17]

而VR 環(huán)境中認知構建的過程可以采用各種不同的方式，使得認知構建過程更有趣味性，提高用戶學習的積極性和有效性。近幾年，通過基于VR技術的嚴肅游戲（Serious Game）來進行情景訓練變得非常流行。嚴肅游戲是指在提供娛樂性的同時用于教育人們了解這些情景的游戲[22-23]。除了具有教育意義[24]，嚴肅游戲還能夠提供與虛擬環(huán)境的交互體驗，并指導用戶制定方案、使用他們的知識和技能[25]。Le 等人[26]提供了在線社交VR 系統(tǒng)，讓學生進行角色扮演、對話學習和社交互動，進行建筑安全健康教育。Zhang K 等人[13]結合相關教育理論，構建滅火器、消防栓等模型進行情景再現(xiàn)教學。該系統(tǒng)引導學生探索和交互各種消防安全場景，并提供互動反饋以幫助糾正錯誤和構建認知。對于鐵路安全培訓，設計相應的游戲環(huán)節(jié)來情景再現(xiàn)鐵路環(huán)境，可以增強培訓過程的趣味性，使使用者愿意主動學習，提高學習效率。

其次，與傳統(tǒng)培訓相比，VR 技術具有可以提供個人反饋和更多情感參與的優(yōu)勢[24]，在VR 安全教育系統(tǒng)中加入豐富的感官反饋可以增強真實感并吸引用戶，使他們更認真地對待安全教育。壓力和恐懼等情緒喚醒以及游戲元素帶來的愉快體驗，增強了用戶的存在感和參與感[25]。Smith 等人[27]使用沉浸式VR 來幫助孩子們了解火災危險和練習逃生技術。其采用游戲界面交互技術，建立了包含幾種火災危險的虛擬房屋。孩子們可以在虛擬環(huán)境中活動，并使用游戲手柄和識別器與虛擬物體互動。游戲中還添加了環(huán)境聲音和互動技術，能夠以更積極的方式吸引用戶。

隨著VR 安全教育系統(tǒng)在越來越多的領域得到應用，研究者們開始在更宏觀的角度制定和評估安全教育系統(tǒng)構建時應考慮的準則和規(guī)范。在建筑安全與健康教育上，Le Q T 等人提出了在線社交虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)框架[26]，該框架包括三個方面：協(xié)同分布式安全學習用以了解事故發(fā)生的根本原因；風險檢查和安全認知用以反思安全理論；基于游戲的主動安全學習用以提高實踐能力。知識傳播、知識反思和知識評估這三個模塊屬于宏觀對安全教育系統(tǒng)的指導，在建設鐵路安全教育系統(tǒng)時可以考慮以這三個方面作為指導。Haj-Bolouri A 等人根據行為設計調研（ADR）從鐵路VR 安全教育案例的第一階段，即問題制定、構建、干預和評估、反思和學習中探究蘊涵的VR 安全培訓設計原則的特定領域含義[28]。四大特定原則包括風險感知、多模態(tài)反饋、安全認識和危害檢查，它們要求在設計VR 環(huán)境時要提供參與者交互信號來指示安全等級，要基于參與者行為提供即時反饋和整體反饋，要基于參與者職業(yè)提供檢查不安全條件的可能性。?akiro?lu ü 等人提出了基于VR 的行為技能訓練(BST)并結合現(xiàn)場培訓(IST)和評估構成了一套用以教授消防安全基本行為的安全教育系統(tǒng)[29]。該系統(tǒng)論證了在VR 環(huán)境中使用IST 支持BST 對于增強正確的行為是非常重要的。該結論同樣可應用到鐵路安全教育系統(tǒng)的構建當中。Zhang H 等人運用層次分析法(AHP)和模糊邏輯技術對虛擬現(xiàn)實礦山安全培訓系統(tǒng)進行了綜合評價，從而實現(xiàn)系統(tǒng)改進、保證培訓效果[30]。該評價方法具有參考作用，可以評估其評價指標作為鐵路安全教育系統(tǒng)評價的參考。

盡管已經有很多研究者在基于VR 技術的安全教育系統(tǒng)方面進行了嘗試，但是還很少有足夠完善和成熟的系統(tǒng)得到推廣和應用。為了使VR 安全教育系統(tǒng)得到廣泛的實際應用，需要制定完備的原則和規(guī)范，給予設計者指導，讓VR 安全教育達到其應有的成效。讓宏觀的指導原則結合具體的設計內容，并輔以有效的評價體系，才能實現(xiàn)一個落地到實處的VR 鐵路安全教育系統(tǒng)。

4 虛擬現(xiàn)實技術在鐵路安全教育培訓方面的總結與展望

基于VR 的鐵路安全教育系統(tǒng)具有高沉浸感、真實準確模擬、安全實用、無風險，低投入、可定制、可拓展等優(yōu)點，能夠針對不同培訓內容、不同考核方式、不同培訓群體搭建有效的培訓系統(tǒng)。VR技術應用于安全教育培訓，可以通過增強模擬環(huán)境的逼真度、設計游戲、增加多種感官反饋并提供多種互動技術來提高鐵路安全培訓的趣味性和有效性，在對用戶進行操作培訓和安全認知構建方面有著獨特優(yōu)勢。同時，VR 技術的應用保證了在危險場景下進行培訓的安全性。

VR 技術應用于鐵路的安全教育培訓時，應發(fā)揮出其體驗式教育上獨有的優(yōu)勢，對鐵路安全防護、鐵路交通事故應急處理、鐵路交通事故救援、鐵路安全監(jiān)控等重點內容開展形象、直觀的體驗教學，實現(xiàn)日常作業(yè)主要內容要點的全覆蓋，提高培訓力度和觀摩學習效率，學習正規(guī)的作業(yè)規(guī)范，強化安全關鍵風險控制，促進人員熟悉突發(fā)事件處理程序，增強員工安全責任意識，培養(yǎng)遵守管理標準與作業(yè)標準的良好習慣，為鐵路職工相關教育領域提供一種全新的指導教育模式，從而加快教育效率，提高職工學習積極性，大幅降低工作風險。

在VR 技術不斷成熟的同時，與之相似的新興技術也在產生和蓬勃發(fā)展。增強現(xiàn)實(Augmented Reality,AR)技術是將虛擬信息加在真實環(huán)境中，來增強真實環(huán)境；混合現(xiàn)實(Mixed Reality,MR)將真實世界和虛擬世界混合在一起，來產生新的可視化環(huán)境，環(huán)境中同時包含了物理實體與虛擬信息。AR可以視為MR 的一種形式。在工業(yè)維護[31]、職業(yè)實踐[32]、建筑安全[33]和制造培訓[34]等領域，研究人員對AR 和MR 的應用進行了初步探索。與VR 相比，AR 和MR 擁有不同的教學功能，如疊加的文本插圖、觸覺手環(huán)、基于3D 視覺的跟蹤等，它們有助于增強用戶對培訓任務的認知理解。此外，基于VR 的培訓系統(tǒng)保真度較低，在某種程度上，場景或機器的還原還不夠現(xiàn)實，無法完全取代傳統(tǒng)的面對面培訓；而AR 和MR 使得物理和數(shù)字對象共存并實時交互，大大減少建模所需時間，縮小用戶的感知差距，并可以實現(xiàn)更高水平的保真度，從而使沉浸式數(shù)字培訓更加切實。在鐵路安全培訓教育領域，可以對復雜場景以及需要更真實靈活交互的場景應用AR 和MR 技術。

元宇宙(Metaverse)是一種融合了多種新技術的新型互聯(lián)網應用和社會形態(tài)，創(chuàng)造了一個真實世界的鏡像，允許人們在另一個虛擬世界中玩耍、工作和社交。元宇宙應用于視頻游戲、藝術、商業(yè)等眾多領域，VR,AR,MR 是構建元宇宙的技術支柱之一，此外元宇宙還需要腦機接口、全息圖像等技術來實現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實世界的空間融合，因此元宇宙仍處于穩(wěn)健發(fā)展階段，在元宇宙中建設鐵路安全教育培訓可以擁有身臨其境的體驗，模擬場景逼真，促進對學習內容的理解，并且可以避免現(xiàn)實培訓中的危險情景。

本文作者團隊在海洋、天文、生物等領域有著豐富的可視化經驗積累，并在這些領域實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術應用，如基于VR 技術的協(xié)同海洋渦旋可視化分析應用，多名用戶可同時置身于模擬的海洋底部世界，并可協(xié)同交互操作海洋流線，進行實時同步觀察。這些成功應用與實踐說明VR 技術與可視化技術可以開創(chuàng)全新的學習培訓情景，提供嶄新的培訓手段，為基于VR 的鐵路安全培訓奠定基礎。

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關系。