混合现实技术在轨道交通信号及控制专业教学中的应用与探索

黄聪

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州545616）

轨道交通类专业是我国社会在现代化发展过程中的一个重要产物，也是一项对实践技能具有较高要求的技术性专业，在具体教学过程中实践操作不仅是必不可少的教学内容，也是提高教学质量和学生学习能力的重要途径。教育部颁发的《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中明确指出，现代化高等职业院校开展的校企合作模式，要将工作重点放在如何对校内生产性实训基地进行建设，以及对相关建设措施积极探索等方面，通过在校内积极开发虚拟实验室、虚拟工艺、虚拟车间、虚拟工厂等活动，确保在高等职业院校内部组建一批具有较高水平的校内生产性实训基地。在此过程中，高职轨道交通类专业在开展相关教育教学活动中具有的难再现、动不了、看不到等问题，均能通过混合现实技术的有效开展得到充分解决。

一、混合现实技术发展及其在工业制造中的应用

在我国现代化发展水平不断提高的背景下，虚拟现实技术的发展能力不断提升。虚拟技术是能够将人工智能技术、传感技术、计算机图形学技术、计算机人机交互技术等众多领域融为一体的新型技术，使用户通过对相关技术和设备的有效使用，有目标地进行情景体验和交互体验。虚拟现实技术凭借自身的多元化优势能够有效满足现代化社会发展的多种需求，通过对混合现实技术的有效应用，美国实验室相关专业人士研发了虚拟界面环境工作站，对头盔式显示器进行了进一步完善，并且对相关数据手套进行了工程化改进，进一步提高相关设备的实用性。与此同时，美国波音公司通过对三维制图软件以及虚拟现实技术的结合应用，为波音飞机建立了虚拟结构模型，不仅能够实现飞机虚拟组装的目标，而且还可以对飞机进行模拟实验，在此基础上，对波音飞机展开批量式加工和生产。除此之外，该实验室不仅利用沉浸式虚拟现实技术对一艘海军运输船只进行了模拟器生产过程实验，而且还开展了针对虚拟环境中的对象冲突检验和形变研究。

二、混合现实技术在轨道交通信号及控制专业中的优势

（一）复杂的轨道交通信号设备工作原理模拟

在给学生介绍轨道交通信号设备相关工作原理的过程中，如果采用传统的教学理念和教学措施，很难保证学生对轨道交通信号设备的工作原理充分了解。通过对虚拟现实技术的有效应用，能够清楚地表达出三维空间的意念，通过虚拟现实技术创设出相应的虚拟对象，使学生直接与这些虚拟对象进行交流与沟通。此种方式不仅能够最大限度地提高学生对相关虚拟对象的自由控制度，而且还能确保整个教学环境具有较高的灵活性。在建立学习环境和实训基地的过程中，利用虚拟现实技术，不仅能够确保搭建出的教学氛围能够容纳多维度的信息数据，而且还能引导学生通过对直观感觉的有效利用充分理解原理复杂的内容。通过运用虚拟现实技术建立的三维轨道交通信号设备模型，能够使轨道交通信号设备在虚拟现实技术的作用下，将实际工作流程真实地展示在学生面前，再结合教师对轨道交通信号设备相关工作原理展开生动讲解，不仅能够充分激发学生学习相关知识的兴趣，而且还能使教学效率得到进一步提高。另外，学生可以利用虚拟现实技术创造出的虚拟环境，对轨道交通信号设备的各个零部件进行缩放、旋转、移动，对所学知识进行有效的意义构建。

（二）复杂的轨道交通信号设备部件装配模拟

在三维设计系统中，零部件的装配不仅是不可缺少的重要环节之一，同时也对零部件的有效装备起到了重要作用。然而，目前我国三维设计系统发展停留在将零部件组装成为整体设备的水平上，无法模拟各个零部件在装配过程中的实际情况。为了解决这个问题，将虚拟现实技术合理引入其中，能确保轨道交通零部件虚拟装配技术得到有效实现。比如，作为轨道交通信号设备的重要组成元素之一，转辙机是由多个零部件组成的，不仅具有较为复杂的组成结构，而且相关零部件的类型具有多元化特点。如果仅观看视频以及图片，很难确保学生明确掌握各个零部件之间的关系与位置，更加无法掌握各零部件的作用机理以及在什么场合运用什么类型的转向架。而通过对虚拟现实技术可视化功能的有效应用，能够将相关零部件的可装配性能充分展示出来，使学生深入了解各部件的安装位，从而对各零部件的作用机理充分掌握。另外，对虚拟现实技术的有效应用还能使学生具备结合实际情况对轨道交通相关设备零部件的形状进行改进的意识与能力，研究出有效降低相关装备配置具有的复杂性的方法，简化连接方式的可行性等，激发学生的学习热情，提高其主动性。

（三）复杂的轨道交通信号设备模拟

轨道交通信号设备设计以及模拟，主要是通过对虚拟现实技术中数字模型功能的有效应用，全面替代传统机械设备中的物理原型，从而对相关产品的功能展开分析评价。在对轨道交通信号设备进行加工设计模拟时，主要以虚拟现实技术的三维设计模型为基础，将虚拟现实技术以及领域知识等内容作为关键支撑，通过对不同分析方法和检验方法的有效利用，对最终的设计结果反复校对并对存在的问题逐步改进。在开发和设计传统产品的过程中，大多时候由于在前期设计阶段没有对后期多元化的影响因素进行综合考量，设计方案在实际设计过程中需要不断修正，相关设备的开发周期延长。为了有效解决这个问题，将产品并行开发的方式融入其中，对产品开发时间、产品成本、产品质量等能对后续设计环节造成影响的多元化因素在前期设计阶段够展开综合分析，从根源上解决相关设备在后期开发阶段存在重大问题的情况。该方式通过对虚拟现实技术的有效应用，利用计算机建立一个对应的虚拟实验室，使学生能够在虚拟实验室中亲身体验到设计成果的实际表现，从而对设计结果进行判断［1］。

三、混合现实技术在轨道交通信号及控制专业教学中存在的问题及解决方案

目前，大部分轨道交通信号设备制造企业无法为高职院校相关专业学生提供现有轨道交通信号设备零部件的详细尺寸以及三维立体模型。因此，在对相关知识进行讲解的过程中，需要将真实的轨道交通信号设备零部件作为模板。在此基础上，结合相关轨道交通信号设备的安装尺寸和外形，利用三维画图软件制作出简单的结构图，并创建结构图库。然而，这一操作如果只凭借高职院校某一系或者教研室的力量，很难对零件库进行有效构建和及时更新。为了解决这个问题，可以将现有的轨道交通信号设备以及需要及时更新的零部件作为基础建立对应的虚拟仿真模拟库，并且鼓励所有开设轨道交通信号设备课程的院校展开积极合作，从而使轨道交通信号设备和零部件库的共建、共享目标得到有效实现。学校应引导学生主动参与到对轨道交通信号设备和零部件的装配以及绘图活动中［2］。

四、轨道交通专业混合现实技术应用

（一）轨道交通信号及控制专业实训应用场景

对于虚拟现实技术而言，可以通过建立虚拟仿真实训系统，有效实现模拟“认识工作任务”这一目标。根据对轨道交通专业实训教学展开的大量实际调查研究可知，相关应用场景具有以下几个特征：

第一，相关场景具有较高的复杂程度，在进行反复操作实验实训的过程中具有较高难度。比如，开展调度实训和轨道交通信号设备故障处理实训。

第二，相关场景的危险程度较高，并且对实验实训具有较高的安全性要求。比如，开展的接触网作业以及调车作业。

第三，相关场景要能经常开展破坏性较高的实验实训。比如，火灾应急演练和事故紧急处理演习。

第四，相关场景开展的实验实训需要能够满足变化周期较长的需求。比如，开展线路施工作业。

第五，相关场地还要开展对运用传统操作方式无法完成或无法轻易完成的实验实训以及对变化过程无法有效控制的实验实训。比如，开展事故救援等活动。

为了有效实现上述教学目标，将虚拟现实技术运用到轨道交通实训中，通过对虚拟现实技术相关作用和优势的有效应用，能够使实训教学的课前环节、课中环节、课后环节有效开展，确保相关教学目标得到有效实现的同时，进一步提高轨道交通专业学生的能力和素养［4］。

（二）轨道交通信号及控制专业校内实训应用

在对轨道交通专业学生进行校内实训的过程中，为确保最终实训目标得到有效实现，可以将虚拟现实技术运用其中，利用虚拟实训对学生的技能展开规范训练。比如，结合具体教学目标和学生实际学习能力在校内建立完善的轨道交通信号设备模拟训练系统和轨道交通信号设备模拟装置，使学生熟练操作模拟系统，提升自身对轨道交通信号设备的操控能力，及时有效地解决轨道交通信号设备在运行过程中出现的故障问题，甚至可以训练学生在轨道交通信号设备毁坏、故障等非正常状态下采取及时有效措施的能力。与此同时，结合实际情况将轨道运输运营虚拟教学系统引入具体教学环节中，并且在对应的训练沙盘上将现场设备、底层联锁逻辑、计算机联锁软件的运行状态和变化过程有效结合并展示出来，从而提供一个具有较高真实性和直观性的实训仿真环境，供学生学习和观摩，从而使学生在此环境下训练相关设备在正常、非正常、调车、单操等情况下的接车和发车操作技能。比如，在地铁轨道交通运营和调度的实践过程中，将轨道交通综合仿真系统运用其中，对各种列车的运行状态以及线路的分布状态进行模拟，不仅能够使学生对相关列车的调度规范以及操作规程熟练掌握，而且还能使学生的安全生产意识得到进一步提升［5］。

（三）基于混合现实技术轨道交通信号及控制专业实训基地建设

相关人员在进行轨道交通混合实训基地的建设过程中需要注意，虚实结合的建设方式不仅要充分结合不同实训项目在专业方案框架下的虚拟形式与真实形式，而且还要确保同一个项目内部具有的真实物理设备以及虚拟仿真设备能够得到充分结合。同时还需要注意，开展的各项实训项目在真实性以及虚拟性充分结合的基础上，还应发挥互相促进的作用。这一目标的实现主要从以下几个方面入手：

第一，针对校内原有的实训项目而言，可以通过对虚拟补缺补差技术的有效应用，建立虚拟的图像或场景，对其中由于技术问题、场地问题、资金问题所导致无法建设的生产材料、生产设备、生产工艺进行有效补充。

第二，通过对虚实结合技术的充分应用，确保在开展实训教学的过程中，其形象化功能和直观性功能得到充分发挥。这样不仅能够使生产设备和生产工艺的透明度大幅度提高，生产设备和生产工艺的复杂程度有效简化，而且还能促使学生通过对有效空间和时间的利用掌握更多理论知识和实践经验。长此以往，不仅能够使学生掌握专业知识的速度和强度全面提升，而且还能确保教学效果达到令人满意的程度［6］。

五、结语

根据以上针对混合现实技术在轨道交通信号及控制专业教学中的有效应用途径展开的详细分析和系统性研究，能更加明确地认识到，在高职院校轨道交通类专业实训活动中，虚拟现实技术的应用越来越普遍。为了进一步促进虚拟现实技术的作用和价值能充分发挥到高职院校轨道交通类专业教育教学中，相关教育人士还应通过高职轨道交通类实践教学的有效开展，不断开发和完善虚拟仿真系统，从而使教学实训系统具有的综合性能进一步提升。在此基础上，使虚拟实训资源具有的共享目标在网络技术的辅助下得到有效实现，最大程度避免重复建设情况发生。与此同时，在实际运用虚拟仿真系统的过程中，要对理论教学的各个过程进行紧密结合，不断拓展学生的实际技能训练，使学生拥有更加真实的体验感，在激发学生创新意识和创新思维的同时，提高学生的实践创新能力，最终为轨道交通信号及控制专业教学水平的进一步提高以及学生专业能力和职业素养的全面提升提供积极帮助。