VR技术在铁道工程认识实习中的应用研究*

沈宇鹏 ，蔡小培 ，时 瑾 ，陈 曦

（1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2.北京交通大学 土木工程国家级实验教学示范中心，北京 100044）

一、引言

实习环节是学生实现理论联系实践的重要过程，也是使学生能够充分理解课堂所无法掌握的具体内容的重要手段之一。北京交通大学铁道工程专业学生的认识实习安排在一年级结束后的小学期，由于在这一阶段如《铁道工程概论》等专业课程还没有开展，学生的认知状态局限于个人对铁道工程知识的认识，没有形成铁道工程系统的专业思维。

通过认识实习，使学生能够理论联系实际，将书本知识与现场实际运用相结合，勤于对现场进行调查、研究，培养学生分析问题和解决问题的能力；具有工程技术人员的基本素质，为从事道路、铁路和城市轨道交通设计、施工和管理等方面的工作打下良好的专业基础，培养学生认真严谨、团队合作和吃苦耐劳的精神[1]。同时，由于学生的第一印象会对后期的认识和学习过程起很大的决定性作用，因此良好的认识实习过程也可以进一步提高铁道工程专业学生学习的积极性。

为了让学生理解铁道工程的系统知识，以及考虑了各方面的综合条件，笔者选择了京张铁路青龙桥车站作为实习地点，该实习地点涉及到铁路线路、轨道和路基结构等方面的知识，能让学生全面理解铁道工程的作业过程，同时能让学生了解实习线路的自然条件、运量及主要技术标准，理解轨道结构的组成、施工方法和养护维修技术，理解路基、支挡构筑物及其附属工程的结构形式、工程材料与施工方法，理解路面的结构形式、材料和施工过程，了解铁路与轨道交通工程其他线下构筑物（桥、隧、涵等）的结构形式及施工方法。但在实习过程中，如果仅仅是通过教师的讲解来进行，整个实习将会比较单一枯燥，导致学生的积极性不高，因此，可以引进VR（Virtual Reality）技术让学生直观地理解各个结构组成。

本文通过阐述VR技术优点及发展历程，结合青龙桥车站的线路和结构特点，探讨利用VR技术应用于认识实习教学环节中的可行性。

二、VR技术的优点及发展历程

VR技术是可将现实世界和虚拟世界进行连接的接口设备，其主要通过利用计算机的图形系统来使VR设备的使用者身临其境，给使用者提供视觉、听觉甚至触觉的感官模拟，是一种先进的仿真模拟技术[2]。

1.VR技术的优点

交互性、沉浸性和想象性是VR技术的三大特性，同时也是其所具有的三大优势。

VR技术的交互性是通过传感设备来实现的，通过传感设备，使用者可以在虚拟环境中体验感官模拟，例如当使用者去触碰虚拟环境中的物品时会有真实的触觉，甚至可以感受到物品的具体轮廓；由于VR技术是通过计算机的三维立体图形系统来为使用者创造虚拟环境的，因此使用者在体验VR产品时会如同置身于真实的客观世界中一样，这即是VR技术沉浸性的体现；VR技术的想象性体现在使用者体验VR产品时不仅可以提高其理性的认识，而且可以提高其感性的认识，从而可以激发使用者的新联想，锻炼使用者的创造性思维[3]。

2.VR技术的发展历程

VR技术的发展历程主要分为三个阶段，分别是初创阶段、技术积累阶段及技术推广阶段（见图1）。VR技术最早起源于1960年，由于科技水平及技术的限制，初创阶段的VR设备大都体积庞大；VR技术的技术积累阶段是在1980年至1990年间，此时计算机技术已经取得了很大的进步，同时显示技术也有了提升，推动了VR眼镜和VR头盔等便捷化设备的产生，提高了使用者的体验性；从2013年至今是VR技术的推广阶段，由于计算机3D建模能力的提升、显示器分辨率的提高等各方面科技的进步，使VR设备逐渐趋于便捷化、精细化和轻量化，且VR技术已经在各行各业有了广泛的应用。

图1 VR技术的发展过程

三、铁道认识实习的VR应用

铁道工程是一个组成复杂、涉及多个专业且技术性要求较强的专业，由于参加认识实习的学生专业知识基础比较薄弱，且知识层次不同，在教学实践过程中学生对铁路基本知识的兴趣点不高，导致其对知识的掌握程度会有所区别。为解决这一问题，并提高学生在实习过程中的参与度及积极性，引进VR技术无疑是一个很好的选择。

首先，VR技术的封闭式显示方式能减少外部环境对观影体验的影响，主要是排除了外部光线、嘈杂的声音等的影响，使得VR产品使用者能更好地代入到虚拟环境中去，营造更深入的沉浸式体验；其次，VR技术具有的仿真程度相比其他多媒体技术要高得多，3D环绕式立体影像为使用者提供了更加真实的体验；再次，当VR技术应用于教学时，可以为使用者提供更多的观察角度，且还可以在VR产品中增加一些有趣的项目，增添教学过程的趣味性；最后，VR技术还具有针对性和可操作性，在实践教学中，针对学生所要掌握的知识点可以设置相应的操作项目，使学生能进行针对性的学习，且由于在应用VR产品时操作较为简单，即使设置一些在现实中难以操作的项目，学生也都能进行操作，因此VR技术具有较强的可操作性。

综上所述，把VR技术应用于铁道认识实习中，首先，这一种创新的教学手段会引起学生学习的兴趣，提高学生学习的积极性；其次，VR具备360度全景画面，学生在体验过程中可以身临其境，通过声音、全面影响感受气氛和氛围，使学生的代入感和参与度更强；最后，VR技术的高维度表现会让学生接收到的信息更多，使掌握知识程度不同的学生都可快速接收到新的知识点。

四、案例分析

1.青龙桥车站的特点

京张铁路连接北京丰台，经居庸关、沙城、宣化至河北张家口，全长约201.2千米，是中国首条由中国人自行完成并投入营运的、不使用外国资金及人员的铁路，于1909年建成[4]。此路“中隔高山峻岭，石工最多，又有7000余尺桥梁，路险工艰为他处所末有”，特别是“居庸关、八达岭，层峦叠嶂、石峭弯多，遍考各省已修之路，以此为最难，即泰西诸书，亦视此等工程至为艰巨”，“由南口至八达岭，高低相距一百八十丈，每四十尺即须垫高一尺。”由于工况复杂且当时中国的建造技术较为落后，因此自行修建铁路一事遭到了外界的质疑，在这种恶劣的背景条件下，詹天佑勇敢地挑起了担任总工程师的重担。经过勘察必选，最终选定的线路是由西直门经沙河、南口、居庸关、八达岭、怀来、鸡鸣驿、宣化至张家口。

图2 VR视频中京张铁路示意图

京张铁路的关键技术体现在青龙桥车站所处的铁路线路上。由于当时的设备及施工技术具有局限性，在铁路线路修建到青龙桥车站一段时遇到了两大技术难点：地势陡险，线路坡度大；八达岭隧道过长导致施工难度大且计划施工时间过长。为解决这两个技术难题，针对线路坡度大的问题，詹天佑为了使当时牵引能力较小的列车能够顺利通过，设计了“之”字形线路，以减小这一路段线路的坡度及列车上坡的阻力（见图2）。而针对八达岭隧道的施工难题，詹天佑开创了一种新的施工方法，在隧道的中间开凿竖井，然后在隧道口两端同时开凿，顺利解决了施工难题。这两项工程不仅是京张铁路修建过程的关键工程，同时也是铁道工程历史上极具创造性的两项工程。

京张铁路投入运营后，青龙桥车站每天需接送几十对列车，这是由于线路上的列车在经过“之”字形线路时，均需在青龙桥站做技术停靠。为避开京张铁路青龙桥段的大坡道，国家在解放后修建了丰沙线铁路，也因此分流了大部分本通过青龙桥段的列车。且随着列车的提速和加大编组，近年来从北京西客站开出的列车都改走丰沙线。青龙桥车站全年的客流从上世纪80年代初运营时期的10多万人减少到如今只有几千人。但由北京前往包头、呼和浩特等方向的列车和由北京前往莫斯科的国际列车仍然需要在青龙桥站做技术停靠，因此“之”字形线路如今仍在使用中。

青龙桥车站所涵盖的知识体系多，包括线路线形方面的知识：“之”字形线路和曲线线路等；关于道岔方面的知识：单开道岔的组成、道岔的分类、道岔辙岔号以及道岔型号的选择等；关于车站作业方面的知识；路基方面的知识：路基边坡、边坡防护、路基防排水设计等。因此在实习过程中可让学生系统全面地了解铁道工程专业知识。

2.青龙桥的实现过程

结合铁道工程专业知识和青龙桥车站的地理特点及历史背景，通过数据获取、三维虚拟环境建模、实时三维图形生成技术与立体显示和传感器技术，制作出了科学且有趣的VR产品。青龙桥车站认识实习VR产品主要实现了以下几个过程：

（1）“之”字形线路的展示及历史背景介绍。为了解决京张铁路在青龙桥车站一段的坡度问题，詹天佑巧妙地利用了八达岭地区的自然地形，设计出了“之”字形铁路，解决了修建京张铁路的一大技术难题。通过VR技术，学生可以通过多角度来观察“之”字形铁路，能够对“之”字形铁路有更为形象的理解。

（2）道岔工作过程的展示。铁路道岔由转辙器、辙叉及护轨、连接部分三个部分组成。转辙器包括转辙机械、基本轨和尖轨。当列车要换道时，操纵转辙机械使尖轨移动，使得原本紧贴着基本轨的一侧尖轨脱离基本轨，这样就开通了另一股道，实现了转换道岔的过程。通过VR技术，学生可模拟推动手动转辙，在VR视频中观察道岔的工作过程（见图3）。

（3）列车行驶方向的变换。在铁路行车上，以接近北京方向，称之为上行，以远离北京方向称之为下行。在VR视频中，学生可以选择使列车向上行方向行驶或者向下行方向行驶，视频会模拟列车在不同行驶方向的沿途风景以及线路的变化及道岔的转换，从而让学生更形象地理解铁道作业过程。

图3 VR视频中手动转辙机示意图

3.应用VR技术的优点

（1）弥补实践教学条件的不足。VR技术可模拟实习环境，实现模拟效果只需在计算机上搭建虚拟仪器和虚拟实践平台。利用VR技术来模拟实习过程的教学成本低，且能达到较好的教学效果，在虚拟世界中可以获得与实际指导相同的效果，还可实现网络教学。

（2）可进行操作复杂、危险性大的实践教学。铁道工程实践教学中可能存在着一些操作复杂、危险性大的项目，这些项目在现实生活中难以实现，但是应用VR技术就可以很好地解决这一问题。通过VR技术，学生可以模拟扳动手动转辙机，体验手动转换道岔的过程。同时，在VR产品中，学生还可以实现虚拟驾驶列车的过程，通过简单的操作即可控制列车行驶方向。

（3）可实现反复的实践教学。在虚拟现实中可不受限制地反复组织多次教学，且这一过程不受时间和空间的限制，同时，在VR教学中可从多个角度来展现不同时间段的实习内容，实现重复体验。由于通过VR技术所建立的实习环境是虚拟的，当需要更新成新的实习基地时，只需要在虚拟现实的计算机软硬件环境中重新生成即可，从而保证实践教学能跟上课程教学的需要和技术的发展。

五、结束语

理论教学和实践教学是高校人才培养的两个重要环节，二者相辅相成。认识实习是学生实现理论联系实践的重要过程，通过认识实习，学生能够更加有效和系统地了解到更多所需掌握的铁道工程专业的知识，同时，良好的认识实习经历也会使学生提高学习铁道工程专业的积极性。通过综合考虑各方面的条件，选定京张铁路青龙桥车站作为实习地点，并且为了改革单一的教学模式，引进了VR技术作为新型的教学手段。通过分析VR技术的优点，以及其应用于铁道工程专业实习中体现出来的优势，提高学生在学习过程中的代入感和参与度，引起学生的学习兴趣，和其可弥补实践教学条件不足等的特点，认为VR技术应用于认识实习教学环节中是可行的。

VR技术是一项具有深远的潜在应用方向的新技术。利用“软件就是实习基地”高效率搭建虚拟现实实践教学平台，这种创新实践教学模式，是铁道工程实践课程教学改革的必由之路[5]。