虚拟现实在铁路培训中的应用及思考

摘要：当前，传统铁路培训方式已无法很好地满足技术创新需求以及时代的发展需求，而将虚拟现实技术运用到铁路培训中可满足受训者日益增长的学习需求。结合虚拟现实技术的概念、基本特点和意义，可以发现虚拟现实技术在铁路培训中具有明显的应用优势，例如，常见的虚拟场景建模技术、人机交互技术、虚拟环境声音、立体显示技术、实时碰撞技术都可以反映出虚拟现实在铁路培训中的具体应用，而铁路虚拟现实培训系统设计更能满足铁路职工培训的实际需求。

关键词：虚拟现实；铁路培训；设备维修

DOI：10.12433/zgkjtz.20240444

在铁路职工培训中引入虚拟现实技术具有重要现实意义，尤其在铁路行业深化发展的时代背景下，必须重视高素质人才队伍的培养工作，重点提高一线职工的动手能力和问题解决能力。虚拟现实技术可以为受训人员提供真实的体验环境，使受训人员近距离体验生产实践活动，通过计算机虚拟现实环境与铁路培训实践的交互，提高职工的动手实践能力。

一、虚拟现实技术概述

（一）概念

虚拟现实是指以计算机为载体，通过视、听、触等多种感知方式模拟现实环境，在虚拟现实技术支持下，学习者可以通过触摸、观察、检测等方式感受周边事物发生的变化，在交互作用下让学习者获得与真实环境同等的体验。

（二）基本特点和意义

虚拟现实技术本质上属于计算机技术与认知科学结合的产物，为社会各领域发展开辟了全新的道路。同时，虚拟现实技术可以为用户提供与自然环境交互的渠道，以模拟体验的方式帮助用户了解自然环境，深化用户对自然环境的感知。近年来，计算机软件技术逐渐在现代社会发展中得到了广泛应用，极大拓宽了虚拟现实技术的应用范围，而各行业领域也在虚拟现实技术支持下开拓了更广阔的发展空间。

二、虚拟现实在铁路培训中的应用优势

在铁路培训中，运用虚拟现实技术有助于满足教育培训领域的实际发展需求，迎合虚拟现实世界的发展要求。近年来，我国计算机技术为教育培训领域的发展和进步提供了强大支持，特别是虚拟教育培训环境可以有效弥补现实教育培训环境存在的不足。依托虚拟现实技术，可以开发全新的教育培训场景，推动教育活动实现质的飞跃。目前，虚拟现实技术在机械专业相关的维修训练活动中得到了广泛应用，在铁路培训中可以将虚拟维修训练仿真系统作为机械设备维修训练的主要应用方向。将计算机仿真系统与虚拟现实技术相结合，可以直观还原机械设备维修的整个过程，在机械设备的全寿命周期内展示维修分析、演示验证、过程核查等多项决策能力。与此同时，还能模拟机械设备维修的过程，确定维修作业时间、优化维修工种配置、选出适合的维修工具、预计维修费用等。在铁路培训中，可以针对机械设备维修体现预演和仿真的过程，使得受训人员随时随地观察机械设备拆装、故障维修等操作，突破传统教育培训在时间与空间上面临的局限，根据采集的生产设备资料、状态数据等提高设备使用性能，从以下五个方面入手发挥虚拟现实技术在铁路专业设备维修中的优势：

（一）抽象理论形象化

在铁路培训活动中，可以利用多媒体技术，将抽象化的理论知识转化为形象化的三维图形，以动画、声音等互动性介质还原真实的现场场景，必要时，还可以使用现场录制的视频，保证机械设备维修操作规范化。例如，在铁路专业设备维修培训活动中，通过三维仿真技术，可以全方位展现设备外观、设备结构以及设备演示原理等，降低职工学习抽象理论知识的难度；从直观化、立体化的角度为职工展现多个方位的模型，職工可以通过旋转、放缩、平移等方式观察虚拟模型，进而激发他们对铁路设备维修培训的学习兴趣，提高整个设备维修培训活动的互动性与可见性。

（二）设备维修技能实战化

在铁路设备维修过程中，可以运用3D虚拟仿真技术，360°还原机械设备维修的每个方向和角度，通过视距缩放进行调整并展现设备维修的细节。3D虚拟仿真技术不但能完整展现机械设备维修的外观和内部构造，还便于职工了解设备演示原理、设备安装过程、设备检查作业及相关操作事项等，通过反复操作设备部件拆卸、组装的过程，确保铁路行车和运营的安全性。

（三）设备内部结构立体化

铁路专业机械设备的内部构造具有一定的复杂性，受训人员很难通过肉眼了解机械设备的内部构造及设备运行过程、运行状态等。但虚拟仿真技术可以直观、立体地展现设备内部结构与运行情况，不仅可以帮助受训人员更好地理解机械设备运行过程、内部运行原理及状态，还有助于控制机械设备维修训练的成本，提高设备维修的精准性，从而全面增强铁路培训的实践效果。

（四）隐性部件可视化

大部分机械设备的内部构造较为复杂，在剖面图中很难完全还原零部件的细节，但在虚拟现实仿真技术支持下可以构建单元三维素材。通过计算机软件，可以使机械设备的内部构件更加清晰。在实际操作过程中，受训人员只需点击鼠标，就能看到透明化的机械设备外观；点击局部隐性部件，还能放大隐性部件结构、运行状态，直观了解部件运行原理等。利用单元三维素材，帮助受训人员了解更多难以展示的零部件细节，以此实现机械设备隐性部件可视化。

（五）工艺流程系统化

在铁路专业设备维修培训活动中，主要通过文字介绍、三维结构示意图等多种教学方法，向受训人员传授设备检修的工艺流程、工艺技术、环保安全、工艺装备、工艺危害等基础知识，依托于虚拟现实技术优化机械设备维修的工艺流程，帮助受训人员系统性掌握设备检修作业的方法和手段，并了解相关机械设备操作的方法及安全注意事项等内容。

三、虚拟现实在铁路培训中的具体应用

在铁路培训中，运用虚拟现实技术可以为内部职工带来直观化、立体化的教学环境，推动传统铁路培训模式优化升级，但在虚拟现实技术与铁路培训融合过程中仍需解决技术应用方面存在的问题。

（一）虚拟场景建模技术

虚拟场景建模技术可以为铁路培训活动提供重要的教学基础，该技术可以确保模型的可靠性。但在虚拟场景建模技术应用过程中应避免模型建立过于单一，为用户带来虚假的体验和感受。复杂的模型会增加自然环境交互的难度。其中，三维几何建模、图像建模、混合技术建模已成为虚拟现实中应用较广泛的建模技术。三维几何建模需要通过修改三维模型中的点、线、面等数据，尽可能地还原真实的三维场景模型，以模型渲染的形式增强三维场景模型的真实性。对于光照模型而言，在模型建立过程中需要不断调整模型表面纹理、表面材质、阴影效果等。图像建模需要用到图形学中的纹理映射技术，通过对比、参考实体图片或录像截图等参数，采取图像变换、融合、映射等多种数据处理方法，从不同视角还原真实的场景模型。混合建模属于三维几何建模与图像建模的混合应用，在建立过程中，要以真实的图像为参考，根据三维几何图形精细化还原三维虚拟模型，并从表面纹理、材质属性、光学效果等角度出发，为三维虚拟场景赋予实时交互、快速渲染的特征。但上述三种建模技术都可以保证三维虚拟场景建立的精准性，并提供精准的参数和影像资料。

（二）人机交互技术

传统人机交互技术主要通过鼠标或其他输入方式操作计算机，但虚拟现实技术可以在虚拟世界中为用户提供多种交互方式，例如，通过眼睛、皮肤、语言等介质实现更高级的交互。传统计算机交互具有一定的弊端，而虚拟现实技术下的人机交互可以提供更自然的形式。

（三）虚拟环境声音

虚拟环境声音的实现可以借助先进的识别技术，将用户发出的声音转化为可供计算机识别的语音信息，从而精准传达用户发出的每条语音指令。用户将声音输入指定的系统后，即可利用识别软件对比曾经存储的声音样本和系统转化的数据文件，为数据文件编制适合声音样本的序号，从而在系统内部下達相应的指令。此外，在人工合成语音输出方面，可以选择语音重放或文—语转换的方式，利用相应的合成技术为用户带来沉浸式的体验，将虚拟环境声音的实现与合成技术相结合，为用户提供更简单的虚拟环境语音交流方式。

（四）立体显示技术

由于人体左眼与右眼观察物体的角度不同，导致两只眼睛观察到的图像存在一定差异。而立体显示技术运用了人体左眼与右眼之间的视差，通过大脑自动融合具有差异的图像信息，为用户呈现立体化的物体空间模型。在虚拟现实世界中，可以利用分时、分光等特定技术，让用户看到不同帧数、不同位置的图像，并在大脑中将它们处理为立体化的物体模型。

（五）实时碰撞检测技术

当用户与虚拟环境中的物体进行交互时，系统应及时检测这些碰撞反应，提供给用户真实的交互体验。但在实时碰撞检测技术应用过程中，应确保虚拟环境中的实物不可穿透，保证虚拟环境交互的真实感与体验感，同时充分发挥实时碰撞检测技术的实时性与精确性优势。

四、铁路虚拟现实培训系统设计

（一）设计原则

铁路虚拟现实培训系统设计必须以铁路培训特点为出发点，结合受训人员的实际学习需求，遵循以下系统设计原则：

第一，实用性原则。在铁路虚拟现实培训系统设计中必须充分考虑铁路培训要求，严格遵守铁路培训标准，结合铁路生产作业科学设计培训场景和培训内容，综合涵盖所有受训者从事的职务，为受训人员提供近距离观察设备维修过程的机会，确保受训内容与实际的铁路生产作业紧密相关，充分激发受训人员对铁路虚拟现实培训系统的学习兴趣。

第二，互动性原则。利用虚拟现实构建三维仿真虚拟环境可以为受训人员提供真实的体验环境，配合各种外设设备还能增强铁路培训作业操作的体验感，从而激发受训人员学习、操作相关设备的积极性。

第三，稳定性原则。在铁路培训活动中，必须保证虚拟现实培训系统的交互反应速度以及场景切换速度，这将会直接影响整个铁路培训的效果，但同时也对系统的稳定性提出了较高的要求。

第四，适应性与可拓展性原则。铁路虚拟现实培训系统应适用于各种不同的运行环境，确保系统预留的硬件模块接口具备多种功能，以便于结合铁路培训需求及时调整系统结构，从而提升铁路虚拟现实培训系统设计的适应性。

（二）系统主体结构

在铁路虚拟现实培训系统设计中，应充分考虑职工工种、培训需求及其中可能存在的问题，确保系统结构包含学习系统、实训系统、考核系统、管理系统等。在学习系统中，不仅要输入铁路公共知识及各类安全教育规范，还要根据职工所属的工种设计相应的学习内容。借助虚拟现实技术制备不同的设备构件3D模型，促使每位受训人员都能深入学习其所属工种的基础理论知识，进一步改善传统理论知识教学存在的弊端。在实训系统中，可以配合外设设备，通过人机交互体验的方式，引导受训人员模拟铁路生产作业中涉及的操作过程，使受训人员在虚拟环境下了解设备装配、更换、检修的操作步骤，从而不断优化各项铁路生产作业的工作流程。在虚拟现实技术支持下，还可以指导受训人员演练各种实训场景，以实践的形式提高受训人员的应变能力和技能操作水平。在考核系统中，可以设置理论知识和操作技能两个方面的考核内容，重点考察受训人员对基础理论知识和核心技能的掌握程度，并根据考核结果对受训人员提出相应的指导意见。在管理系统中，增设用户管理、系统设置、信息管理三个模块，便于用户登录个人账号及查看相关信息，并根据铁路培训需求调整系统相关数据信息或增设相应的培训场景，用户也可以随时查看自身学习成果及相关记录信息。

（三）系统优势

铁路虚拟现实培训系统设计具有明显优势，第一，降低传统铁路培训工作需要的人力和财力成本，根据铁路职工培训的实际需求，便于受训人员随时随地获取所需的学习内容。第二，强调受训人员在整个学习过程中占据的主体地位，使其结合自身素质水平选择适合的学习内容，并在虚拟环境空间内提供个性化学习模块。第三，最大程度上模拟真实的铁路现场情况，使受训人员获得真实的体验感，进一步缩小铁路培训与实际生产作业之间的差距。

五、结语

综上所述，虚拟现实技术在铁路培训中的应用可以展示真实的铁路生产作业场景，重点强调系统模拟的实用性和有效性，确保铁路培训评价标准的科学性，从而为受训人员提供更好的培训服务。虚拟现实技术的功能还能激发受训者的学习兴趣，促使他们更积极、更主动地参与到铁路培训考核工作中来，同时深入挖掘每位受训者的创新创造潜能。

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作者简介：李强（1984），男，内蒙古自治区赤峰市人，本科，中级，主要研究方向为人力资源。