摘要：文章提出一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的線上道路檢測實驗教學(xué)系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)開展道路抗滑性能、平整度和壓實度的線上檢測實訓(xùn)。基于對比實訓(xùn)前后學(xué)生開展實驗的操作時長實測數(shù)據(jù)，結(jié)果表明通過系統(tǒng)訓(xùn)練可縮短學(xué)生線下操作時長約30%～40%，具有良好的提升效果。該系統(tǒng)的開發(fā)旨在提高學(xué)生的實踐能力和安全意識，降低線下實驗的人力、時間及物資成本，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：道路檢測；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；壓實度；平整度；抗滑性能

中圖分類號：U495" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）18-0056-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

高校實驗室作為高校開展實驗教學(xué)和科學(xué)研究的重要場所，涉及諸如化學(xué)、機械、電氣等眾多方面的危險因素，具有較高的危險性，對學(xué)生和教師都存在一定的人身安全風(fēng)險。近年來，國內(nèi)高校各類大大小小的火災(zāi)、爆炸和毒害性事故頻繁發(fā)生，雖然相關(guān)部門也采取了加大宣傳、安全管理等預(yù)防措施，但各類事故的發(fā)生還是為實驗室的使用者和行政管理部門敲響了警鐘[1]，如何降低或避免安全事故的發(fā)生越來越受到重視。

作為教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動的具體體現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)越來越受到高教界的重視。在機械類行業(yè)，寧君等[2]通過對船舶操縱與避碰過程開展虛擬仿真教學(xué)課程的開發(fā)實踐，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)在設(shè)計安排、學(xué)生主動性的激發(fā)和差異化培養(yǎng)等方面的問題。趙大軍等[3]對地質(zhì)中的鉆探設(shè)備進(jìn)行了虛擬仿真實驗設(shè)計，解決了工科專業(yè)中的真實教學(xué)難題；在醫(yī)學(xué)類行業(yè)中，王航等[4]以血脂檢查為突破口構(gòu)建了虛擬仿真實驗教學(xué)課程，解決了檢測指標(biāo)少、缺乏臨床性和樣本難以獲取等不足缺陷。周旭等[5]以醫(yī)學(xué)圖像處理課程為例，采用虛擬仿真的教學(xué)方式，解決了醫(yī)學(xué)圖像分割教學(xué)中實踐性不足的問題。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中具有一定的應(yīng)用價值。

基于上述虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校實驗教學(xué)中的價值，本文基于Unity 3D開發(fā)引擎自主研發(fā)線上道路工程檢測虛擬仿真實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含道路平整度、壓實度和抗滑檢測三個模塊。通過實驗的設(shè)計和運行，可以幫助學(xué)生更好地理解道路檢測的原理和方法，提高他們的實踐能力和安全意識，節(jié)省師生的時間和精力，提高教學(xué)效率。

1 相關(guān)前期工作

道路檢測是對道路工程質(zhì)量進(jìn)行評定的重要手段，是道路工程施工技術(shù)管理和質(zhì)量管理的重要組成部分，也是控制工程質(zhì)量和評定竣工驗收的科學(xué)依據(jù)。它包括對路面狀況、承載力、材料性能及安全功能的全方位檢查與測試。具體來說，道路檢測包括路面、基層和墊層的原材料質(zhì)量檢查、壓實度、彎沉與表觀破損等道路性能的綜合性檢查與分析。其目的是對道路的使用狀況進(jìn)行評估以及預(yù)測剩余壽命，給相關(guān)管理養(yǎng)護(hù)部門提供決策依據(jù)與參考。通過檢測結(jié)果，對道路采取相應(yīng)的維修養(yǎng)護(hù)措施，預(yù)防或降低道路病害擴展，保障道路安全運營，延長使用壽命。常見的道路檢測范圍主要包括對高速公路、國省干道的路況檢測。其中，道路的抗滑性能、壓實度和平整度都是日常檢測的重要內(nèi)容。

發(fā)達(dá)國家由于交通運輸業(yè)起步較早，在道路的運維管養(yǎng)方面積累了豐富的經(jīng)驗，道路檢測技術(shù)也較為成熟。依托先進(jìn)機械設(shè)備與持續(xù)研發(fā)投入，其道路檢測處于領(lǐng)先水平。在歐美地區(qū)，自動化、智能化檢測設(shè)備基本全面覆蓋道路檢測行業(yè)，激光雷達(dá)、無線通信等新型檢測技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。宋波等[6]揭示了既有路面的長壽命結(jié)構(gòu)性能的檢測內(nèi)容。由此可知，發(fā)達(dá)國家通過完善監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)筑智能化路網(wǎng)，已基本實現(xiàn)了道路數(shù)據(jù)與狀態(tài)的實時監(jiān)測與存儲分析。

近年來，隨著交通強國戰(zhàn)略的提出，國內(nèi)的道路檢測水平也得到了長足發(fā)展。黃若昀[7]等綜述了當(dāng)前國內(nèi)依托無人機開展路面施工和噪聲檢測的相關(guān)研究，可以看出，無人機、智能機器人與自動化檢測車等新型檢測設(shè)備與技術(shù)的應(yīng)用能進(jìn)一步提升道路檢查的效率與精確度。并且，隨著當(dāng)前云計算、大數(shù)據(jù)的發(fā)展，如何將日常的檢測數(shù)據(jù)通過深度學(xué)習(xí)、圖像處理等方式進(jìn)行反演、挖掘和預(yù)測其演變規(guī)律是當(dāng)前以及未來一段時間內(nèi)道路檢測的新趨勢。此外，各級政府部門也大力支持開展智慧交通的相關(guān)研究。

1.1 現(xiàn)有方法中的不足

當(dāng)前道路檢測行業(yè)發(fā)展迅速，隨著檢測技術(shù)的完善，檢測方式也從傳統(tǒng)的人工目檢、設(shè)備檢測發(fā)展到當(dāng)下的半自動化檢測階段。傳統(tǒng)的人工目檢作為最直觀的道路檢測方式，在道路建設(shè)階段為提升工程質(zhì)量提供了較大幫助，但人工檢測存在人力、物力耗費大和效率低下的問題，并且其主觀性較強、檢測環(huán)境差異大等原因也限制了此類方法的進(jìn)一步推廣。隨著道路規(guī)模的擴大、路面狀態(tài)復(fù)雜程度的提升，常規(guī)的人工目檢+相機采集的設(shè)備檢測方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前道路檢測的需求。近年來，隨著智能化、信息化路網(wǎng)的構(gòu)建，對于道路檢測的常規(guī)檢測項目，已基本實現(xiàn)了自動化、數(shù)智化檢測。但對于一些特殊復(fù)雜的道路問題，如檢測深度限制、數(shù)據(jù)解讀和分析的復(fù)雜性以及成本和時間因素的考量等，都是當(dāng)前以及未來一段時間內(nèi)道路檢測發(fā)展的方向。

1.2 高校實驗教學(xué)中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用

高校是人才培養(yǎng)的主戰(zhàn)場，承擔(dān)著人才培養(yǎng)的主要職能。工程認(rèn)證教育標(biāo)準(zhǔn)中明確要求學(xué)生必須掌握使用現(xiàn)代工具解決復(fù)雜工程問題。但當(dāng)前受限于教育經(jīng)費不足，大多數(shù)應(yīng)用型高校的實驗教學(xué)設(shè)備較為落后，對學(xué)生的創(chuàng)新性培養(yǎng)與動手能力的提升具有較大限制。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引入對當(dāng)前實驗教學(xué)具有良好的改變，借助電子計算機等設(shè)備使得這一技術(shù)能夠突破實驗條件和課時限制，在道路檢測教學(xué)實踐中按照人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，突出學(xué)生的主體地位，讓學(xué)生真正動起來、思考起來，采用理實一體化兩段式教學(xué)，學(xué)生可以在任何時間、任何地點進(jìn)行模擬訓(xùn)練。這項技術(shù)的特點是在降低或避免安全事故的發(fā)生的同時突出實踐，學(xué)生可以進(jìn)行實時考核與知識弱點的反復(fù)練習(xí)，掌握必要的檢測技能，增強團隊協(xié)作和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊庾R，逐步培養(yǎng)實際動手操作能力和數(shù)據(jù)處理能力，使學(xué)生獨立思考和解決問題的能力進(jìn)一步提高，從而促進(jìn)道路檢測實驗教學(xué)質(zhì)量的提升，因此這項技術(shù)起到了承上啟下的作用。

2 線下實驗介紹

道路的抗滑性能、壓實度和平整度檢測實驗的標(biāo)準(zhǔn)均參照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG 3450—2019） 開展。本節(jié)主要介紹線下實驗的開展內(nèi)容，以此為后續(xù)的虛擬實驗對比提供參照標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 道路抗滑檢測實驗

根據(jù)現(xiàn)行公路工程質(zhì)量檢驗評價的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，評價道路抗滑性能的技術(shù)指標(biāo)通常是采用擺式摩擦系數(shù)測定儀測得的路面抗滑值、構(gòu)造深度等參數(shù)來確定。依托擺式摩擦儀測定瀝青路面、標(biāo)線或其他材料試件的抗滑值，以評定路面或路面材料試件在潮濕狀態(tài)下的抗滑能力。

2.2 道路壓實度檢測實驗

與抗滑檢測實驗類似，道路壓實度檢測實驗亦基于壓實度、干密度等指標(biāo)來評價路面材料的密實程度。其中，鉆芯法是一種常見的路面壓實度測試方法，通過路面鉆芯取樣開展結(jié)構(gòu)性能評估，為后續(xù)路面維修養(yǎng)護(hù)提供參考。

2.3 道路平整度檢測實驗

此外，道路的平整度檢測也是道路檢測中非常重要的組成部分。依托規(guī)范要求，對道路的凹凸情況開展檢測，其技術(shù)指標(biāo)通常是對路面關(guān)鍵點開展深度測試，統(tǒng)計其最大間隙（m）、標(biāo)準(zhǔn)差（σ） 等方式，判斷其平整度是否滿足行車的舒適、平穩(wěn)要求，是對道路表面平整性進(jìn)行評估檢測的一項重要測試項目。與前述道路抗滑性能、壓實度檢測共同組成道路綜合檢測的常規(guī)三大指標(biāo)檢測項目。

3 本文軟件介紹

基于高校實驗教學(xué)需求，本文建立了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的道路工程檢測試驗虛擬仿真教學(xué)項目（Road Engineering Inspection amp; Testing Virtual Reality） 。在REIT-VR系統(tǒng)中，學(xué)生可以便捷地開展道路檢測實驗。與傳統(tǒng)的線下道路檢測實驗相比，它提供了一個可以測試學(xué)生專業(yè)能力與操作水平的平臺。同時，REIT-VR提供數(shù)據(jù)查看、工具背包、步驟引導(dǎo)和環(huán)境設(shè)置等各種輔助工具，能夠為學(xué)生順利完成實驗提供技術(shù)支持。

3.1 系統(tǒng)介紹

REIT-VR系統(tǒng)包含前端界面、平臺操作和后臺管理等部分。前端界面由登錄界面、項目引導(dǎo)區(qū)和項目描述區(qū)組成，主要通過實驗介紹和項目引導(dǎo)視頻等方式了解相關(guān)實驗原理、使用儀器、實驗方法與考核要求等。平臺操作主要包含道路抗滑檢測、道路壓實度檢測和道路平整度檢測的線上實驗交互式操作開展。后臺管理能夠?qū)崟r掌握學(xué)生信息、成績、實驗時間等。學(xué)生在登錄界面輸入賬號和密碼登錄系統(tǒng)，隨后跳轉(zhuǎn)至可視化操作界面查看實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗儀器設(shè)備、教學(xué)實驗方法、操作步驟、實驗結(jié)果與結(jié)論要求和考核要求等內(nèi)容，具體系統(tǒng)界面與評價體系如圖1所示。

圖1所示的實驗系統(tǒng)匯聚在線教學(xué)、在線練習(xí)、實驗過程記錄和考核評價，充分體現(xiàn)了先進(jìn)性、綜合性、可操作性、多元化、遞進(jìn)式，強化學(xué)生的工程思維能力訓(xùn)練，特別是加強了從實驗方法選擇、實驗資源選擇到實驗過程質(zhì)量控制等施工全過程的系統(tǒng)思維，實現(xiàn)學(xué)生知識與能力的提升，達(dá)到創(chuàng)新性與高階性并重。

3.2 實驗選擇系統(tǒng)與后臺管理

進(jìn)入REIT-VR系統(tǒng)后，可開展道路抗滑檢測、道路壓實度檢測和道路平整度檢測三個系列的虛擬仿真實驗。通過后臺管理系統(tǒng)，可以實時查看參與實驗的學(xué)生人數(shù)和參與實驗次數(shù)，導(dǎo)出學(xué)生信息，查看學(xué)生答題分?jǐn)?shù)，使授課教師能夠掌握學(xué)生的參與情況與完成度。

3.3 案例對比驗證

為驗證并評價REIT-VR系統(tǒng)的教學(xué)效果，在某高校選取一段長約400米的校園內(nèi)部道路開展路面平整度性能的測試。主要關(guān)注學(xué)生開展現(xiàn)場實驗測試的操作速度、準(zhǔn)確度和熟練程度，繼而對比虛擬仿真實驗對學(xué)生技能的提升效果。通過REIT-VR系統(tǒng)的實測效果對比情況如表1所示。

由表1可知，通過REIT-VR系統(tǒng)訓(xùn)練后，學(xué)生在各類實驗項目的完成時間均會減少。其中，道路抗滑檢測的花費時間由13.2分鐘減少到8.3分鐘，減少約37%。道路壓實度檢測的花費時間由12.5分鐘減少到8.7分鐘，減少約30%。道路平整度檢測的花費時間由15.4分鐘減少到9.2分鐘，減少約40%。這一結(jié)果反映該系統(tǒng)具有較好的訓(xùn)練效果。

4 總結(jié)

隨著當(dāng)前教育智能化的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)越來越受到教育界的重視。在這一背景下，開展虛擬仿真實驗教學(xué)的研究具有重要的應(yīng)用意義。本文依托道路檢測實驗課程，自主研發(fā)了REIT-VR系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，能縮短學(xué)生開展線下實驗30%～40%的時間，并且仿真實驗也具有較好的安全性能。后續(xù)，本文相關(guān)成果也可進(jìn)一步對接深度學(xué)習(xí)、機器視覺等AI技術(shù)，開展數(shù)據(jù)訓(xùn)練與路面損傷識別的智能化教學(xué)研究。

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