虚拟现实技术在轨道交通信号实验教学中的应用研究
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作者:孔德龙 王蓉彬 段锐
摘 要：目前轨道交通类专业课程实验教学过程中存在教学手法相对单一、实验效果较差等问题，虚拟现实技术通过三维建模与场景重现提供了一条可行的解决方案。该文主要阐述基于虚拟现实技术的轨道交通信号专业实验教学建设思路，着重在实验教学建设过程中的基本思路、主要内容、建设方向等方面进行分析说明;对应用型高校轨道交通信号专业人才的培养具有一定的借鉴意义。
关键词：虚拟现实 轨道交通 实验教学 三维建模
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）10（a）-0070-02
Abstract： At present， there are some problems in the experimental teaching process of rail transit specialty courses， such as relatively single teaching methods and poor experimental results. Virtual reality technology provides a feasible solution through three-dimensional modeling and scene reproduction. This paper mainly elaborates the idea of experimental teaching construction of rail transit signal specialty based on virtual reality technology， focusing on the analysis and explanation of the basic ideas， main contents and construction direction in the process of experimental teaching construction， which has certain reference significance for the training of rail transit signal specialists in applied universities.
Key Words： Virtual reality; Rail transit; Experimental Teaching; Three-dimensional Modeling
隨着我们轨道交通行业的迅速发展，对轨道交通信号专业人才的需求也越来越高。但在轨道交通信号专业实验教学过程中存在教学手法单一、实验效果差等问题[1，2]。由于设备普遍体积较大、价格昂贵，因此教学过程中只能采取图片、视频等方式，学生不能直观地了解设备的结构和原理。加之场地因素，教育资源存在浪费的情况，更重要的是，往往针对一个轨道交通信号实验过程中容易出现零件丢失、损坏，更有甚者容易出现砸伤、碰伤等安全事故，给实验教学带来诸多安全问题。
随着虚拟现实技术的出现与发展，为轨道交通信号实验教学带来了一次革新。不仅使学生能够交互式的实现理论和实物的联系，更好地理解和掌握该专业基础知识，而且激发学生的学习热情，从而提高轨道交通信号专业实验教质量与效果。
1 虚拟现实技术概述
虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中[3]。通过多源信息的重建和融合，在计算机中仿真重现三维动态场景和实体行为，使用户在该场景中可交互式的实现任意操作并得到场景最真实的反馈。利用交互式设备将三维虚拟场景实物化，变成可观察可触摸的实物，从而获得与真实场景一致的体验。但由于实现成本较大、硬件要求较高等问题，虚拟现实技术还处在初级阶段。然而随着计算机行业的快速发展，硬件处理能力的提高与价格的下降，使该技术得发展也得到了长足的进步。目前该技术在医疗、航空、军事等领域得到了广泛应用[4]。
将虚拟现实技术应用于实验教学是教育行业的又一次技术革命，打破了传统实验教学的固定模式，不仅能使教学内容更加生动、形象，丰富教学手段，而且能充分调动学生的学习热情，增强理论知识与实践的结合，提高教学效果。此外，虚拟现实技术还可突破传统实验教学的时空限制，促进教学资源的合理配置。
2 实验教学建设思路
基于虚拟现实技术的实验教学目的是为提高实验教学的质量并尽可能地激发学生的学习热情。是为轨道交通信号专业人才培养方案中相应的课程与实验服务的。要求将理论与实践相结合，在提升实验教学质量的前提下，充分提高学生的实践能力水平。因此基于虚拟仿真技术的轨道交通信号实验教学平台建设基本思路为以下几点：
（1）满足现有人才培养方案的需求，并适度增加实践课时比例。实践内容的建设应以社会基本需求为导向，同时考虑不同学校的性质与学生的学习基础与实际需求。
（2）紧密结合理论知识，做到在工程实际场景中分析和说明基本科学问题。所采用的场景数据与数学模型应符合实际情况，满足一个或几个科学问题的教学与实验。并通过对应课程资源包建设与实验软硬件设备的购置与升级，为学生提供良好的体验感受与实验条件。
（3）实验教学平台应具有良好的交互性。实验教学的目的是使学生在理论知识学习的基础上提升实践能力，因此基于虚拟现实技术的实验教学应突出交互性与操作性，不只停留在演示性实验层面中。
（4）实验教学平台还应满足一定的科研需求。通过实际场景的虚拟化与数字化，满足部分实际不易实现科学问题的验证和仿真模拟，为教师的科研与实验提供一个良好的平台。 2.1 实验教学建设内容
轨道交通信号的目的是为了在保障行车安全的前提下，提高列车的行车效率[5]。因此，轨道交通信号专业主要分为两大基础部分，分别为基础控制设备的原理与列车控制技术。基于虚拟现实技术的实验教学平台建设主要内容也应遵循这两个基本版块。
（1）基础控制设备原理。
列车控制是通过基础控制设备实现的，因此要求学生对如信号机、转辙机、计轴、轨道电路等基础控制设备的原理、结构有一定的认识，并且需完成部分设备的拆卸与安装。因此，基于虚拟现实技术的实验教学平台应实现轨道交通基础场景的搭建，并在该场景下完成基础控制设备的三维建模。使学生可交互式的完成设备原理、结构分析、基本元件拆装与工作状态的情景再现。
（2）列车控制技术。
列车控制技术是轨道交通信号的核心内容，通过不同控制设备的联动与相互制约，实现列车各种行车作业的办理，从而整体提高列车的行车效率。其中列车控制系统的核心是各种控制设备之间的制约联动与数据通信，因此基于虚拟现实技术的实验教学平台应首先直观地展现各列车控制设备之间的关系与联动;其次还应展现各控制设备之间的数据通信方式与方向;最后还应使学生可交互式的实现列车各种进路的操作办理与列车的模拟驾驶。
2.2 建设方向研究
（1）3D虚拟场景的搭建与设备建模。
为使虚拟场景具有真实性，应严格根据实际测量数据或工程设计图纸实现场景与设备的建模。对于可直接测量设备可利用精确测量工具获得相应数据，而对一些不易直接测量获得的数据，可通过与相关设计单位、设备厂商或铁路运营单位合作开发的方式获得。虚拟场景中各设备的物理与电气参数与原理可通过数学建模方式实现，所用数学模型需符合基本物理原理。建模完成后，进行材质渲染及优化以提升场景的真实性。部分模型可通过贴图方式实现优化，以减少平台规模有利于不同通信平台上的应用。
（2） 沉浸式交互協同的设计。
基于虚拟现实技术的实验教学平台应突出交互功能，各元件的动作展现与平台交互功能设计可通过虚拟仿真软件脚本文件的编程实现。可充分利用数字手套、虚拟头盔等硬件接入设备，真正使学生可在平台中实现互动与操作。实验教学平台还应在互动过程中对学生的各个操作步骤做出正确的评判与合理的提示，辅助完成实验。除此之外为增加实验教学趣味性，并使虚拟场景更加生动，可对虚拟场景设置背景音乐、背景颜色及贴图等。
（3）单一展现式至综合设计式的转化。
实验教学平台的建设应避免理论知识单一展现式的设计思路，应通过实际工程案例与应用场景的再现，将基础理论与工程实践紧密结合起来。通过综合设计式的平台设计，增加学生的自主设计性与互动性，有利于学生掌握本行业技术和发展动态，增加学生的社会适应与动手实践能力。
（4）合理的虚实结合实现。
虚拟现实平台还应充分体现“能实不虚、虚实结合”的方针，将虚拟与现实紧密结合。对一些不易现实获得的设备与控制原理以虚拟的方式直观展现，并通过物联网形式实现虚拟与现实设备的联动，进一步提高实验教学的质量与效果。
（5）线上、线下混合式教学的实现。
为充分利用教育资源，可将虚拟现实平台移植至电脑、手机等不同平台中，建成线上、线下混合式的实验教学平台并对外开放，提高教学资源的利用率与社会贡献度。
3 结语
将虚拟现实技术引入轨道交通专业实验教学中，可解决传统实验教学过程中教学手法相对单一、实验成本较高、教育资源利用率不足等问题。在对基于虚拟现实技术的轨道交通信号实验教学平台的基本建设思路、主要内容和建设方向等方面进行了分析，并提出相应的建设方案。以期提高实验教学质量与学生的学习热情，为传统实验教学方式提供了新的思路。
参考文献
[1] 杨武东.轨道交通信号基础设备实验课程体系建设[J].实验科学与技术，2015，13（5）：117-118.
[2] 周妮娜，陈启香，姜苏英.轨道交通信号与控制专业应用型人才的培养[J].科技经济导刊，2018，26（8）：114-115.
[3] 刘德建，刘晓琳，张琰，等.虚拟现实技术教育应用的潜力、进展与挑战[J].开放教育研究，2016，22（4）：25-31.
[4] 张凤军，戴国忠，彭晓兰.虚拟现实的人机交互综述[J].中国科学：信息科学，2016，46（12）：1711-1736.
[5] 户国，魏丽丽，李立明.轨道交通信号与控制专业实践课程体系构建与实践[J].实验室研究与探索，2017，36（9）：199-202.
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