姜輝 郭玉臣 李育靈

摘要：為了解決城軌車(chē)輛專(zhuān)業(yè)在智能運(yùn)維教學(xué)中出現(xiàn)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備幾乎空白、教學(xué)效果不佳等問(wèn)題，提出建設(shè)一種基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的城軌車(chē)輛智能運(yùn)維教學(xué)平臺(tái)。闡述了智能運(yùn)維教學(xué)的背景，分析了混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于城軌車(chē)輛智能運(yùn)維教學(xué)的可行性，利用MR技術(shù)和計(jì)算機(jī)智能化手段設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了集教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、考核、評(píng)價(jià)與遠(yuǎn)程協(xié)助等功能于一體的教學(xué)平臺(tái)，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)城軌車(chē)輛智能運(yùn)維實(shí)訓(xùn)環(huán)境的空白，顯著提高了智能運(yùn)維教學(xué)效果和評(píng)價(jià)效率。

關(guān)鍵詞：混合現(xiàn)實(shí);智能運(yùn)維;遠(yuǎn)程協(xié)助;城軌車(chē)輛教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）22-0060-04

1 背景

隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)部分一、二線城市已經(jīng)形成網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)，面臨著建設(shè)與運(yùn)維的雙重壓力，借助智能技術(shù)發(fā)展智能運(yùn)維成為當(dāng)前各大城軌運(yùn)營(yíng)企業(yè)更好地適應(yīng)城軌交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)需求、提升設(shè)備設(shè)施運(yùn)維管理水平、推動(dòng)創(chuàng)新技術(shù)裝備落地應(yīng)用的主要方式[1]，這樣的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)城軌車(chē)輛相關(guān)專(zhuān)業(yè)職業(yè)教育提出了新的要求。

2008年起，我國(guó)教育部門(mén)頒布一系列文件，明確指出職業(yè)教育要“遴選和開(kāi)發(fā)1500套虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”“支持與專(zhuān)業(yè)課程配套的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”“建設(shè)高速校園網(wǎng)絡(luò)及各種數(shù)字化教學(xué)裝備，建設(shè)職業(yè)教育虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地”，從而確立了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)院校實(shí)踐教學(xué)中的重要地位[2]。目前應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)實(shí)新技術(shù)有虛擬現(xiàn)實(shí)（VR） 、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR） 和混合現(xiàn)實(shí)（MR） [3]，其中MR可以突破VR、AR的局限，具有更高的交互性和沉浸深度[4]。在軌道交通行業(yè)的相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，引入 MR技術(shù)用于城軌車(chē)輛智能運(yùn)維教學(xué)過(guò)程中，特別適用于車(chē)輛關(guān)鍵部件故障診斷、拆裝、維修等實(shí)際操作，因此，基于MR技術(shù)的城軌車(chē)輛智能運(yùn)維教學(xué)平臺(tái)在提高教學(xué)效果、彌補(bǔ)城軌交通智能運(yùn)維實(shí)訓(xùn)教學(xué)空白等方面具有重大的意義。

2 平臺(tái)需求分析

2.1 現(xiàn)狀分析

目前，城軌車(chē)輛專(zhuān)業(yè)高職學(xué)生培養(yǎng)仍局限于傳統(tǒng)運(yùn)維理念的灌輸，無(wú)法適應(yīng)智能運(yùn)維發(fā)展的需要，經(jīng)調(diào)研，系統(tǒng)的軌道交通智能運(yùn)維實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在我國(guó)高職城軌車(chē)輛專(zhuān)業(yè)教學(xué)中幾乎空白。

為此，本課題基于城軌車(chē)輛傳統(tǒng)課程教學(xué)，力求將城軌車(chē)輛智能運(yùn)維概念融入教學(xué)，構(gòu)建全新的數(shù)字教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件智能運(yùn)維教學(xué)過(guò)程理實(shí)一體。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是主體結(jié)構(gòu)基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MR） 的教學(xué)系統(tǒng)，涉及城軌車(chē)輛故障頻次較高的部件故障診斷、拆裝、維修等實(shí)際操作，并通過(guò)存儲(chǔ)、應(yīng)用部件知識(shí)庫(kù)和既有故障信息，實(shí)現(xiàn)故障樹(shù)分析，通過(guò) AI 云計(jì)算方法，模擬故障處置的專(zhuān)家決策，為學(xué)生提供智能運(yùn)維全過(guò)程實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

依托該智能運(yùn)維教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)城軌車(chē)輛特性建立完整、精細(xì)的三維模型，從原理、操作、維護(hù)等方面構(gòu)建學(xué)習(xí)體系，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的一體化、動(dòng)態(tài)化;基于信息化技術(shù)手段，按照城軌車(chē)輛專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)以工作過(guò)程為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)習(xí)者完成特定工作領(lǐng)域、環(huán)境、條件下的綜合性工作任務(wù)，促成“工作過(guò)程中的職業(yè)學(xué)習(xí)”[5]。

2.2 功能分析

MR與3D交互展示功能：系統(tǒng)將課程中智能運(yùn)維教學(xué)內(nèi)容涉及的城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件外觀和結(jié)構(gòu)利用MR和3D建模技術(shù)創(chuàng)建出來(lái)，并在MR環(huán)境中添加文字、語(yǔ)音和交互控制，全方位地講解演示相關(guān)部件的工作原理、故障模式和智能運(yùn)維方式。

沉浸式實(shí)訓(xùn)環(huán)境與過(guò)程實(shí)訓(xùn)結(jié)合功能：系統(tǒng)基于車(chē)輛關(guān)鍵部件的故障診斷、拆裝、維修等實(shí)際操作知識(shí)和智能運(yùn)維概念，結(jié)合故障樹(shù)分析和云計(jì)算模式，實(shí)現(xiàn)故障診斷和故障智能決策仿真以及智能運(yùn)維流程仿真。通過(guò)獲取周?chē)鎸?shí)環(huán)境中，學(xué)生的操作數(shù)據(jù)與虛擬的動(dòng)態(tài)畫(huà)面相結(jié)合，構(gòu)建深入的交互式實(shí)訓(xùn)環(huán)境，同時(shí)實(shí)時(shí)追蹤學(xué)員的操作進(jìn)行智能判斷與評(píng)價(jià)，在實(shí)訓(xùn)結(jié)束后提供實(shí)訓(xùn)成果記錄，便于學(xué)員復(fù)盤(pán)反思二次學(xué)習(xí)。

教學(xué)測(cè)試功能：為檢驗(yàn)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)成果，系統(tǒng)還將設(shè)置測(cè)試模塊。系統(tǒng)將為教員提供設(shè)置題庫(kù)的權(quán)限，題庫(kù)等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中供MR眼鏡端獲取，操作考試過(guò)程與實(shí)訓(xùn)相類(lèi)似，考試全程也將自動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并允許教師360度視角查看、檢查各處操作細(xì)節(jié)，操作考試與理論考試加權(quán)相加進(jìn)行智能綜合評(píng)價(jià)，提高效率、彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足并優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)。

遠(yuǎn)程協(xié)助功能：當(dāng)學(xué)員遇到復(fù)雜的故障識(shí)別和檢修場(chǎng)景時(shí)，可能無(wú)法獨(dú)立解決問(wèn)題，系統(tǒng)將設(shè)置遠(yuǎn)程協(xié)助模塊為學(xué)生提供指導(dǎo)[6]。遠(yuǎn)程協(xié)助中二者將共享虛擬空間畫(huà)面，遠(yuǎn)程教員結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景和學(xué)生反饋給出意見(jiàn)和建議，系統(tǒng)還允許教員上傳圖像、文字至虛擬空間和在虛擬空間做標(biāo)記，輔助學(xué)員解決問(wèn)題。

3 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

結(jié)合城軌車(chē)輛智能運(yùn)維和MR技術(shù)的特點(diǎn)，在軌道交通傳統(tǒng)課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，平臺(tái)考慮以如下的思路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

1） 在MR環(huán)境中實(shí)現(xiàn)城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件外觀、結(jié)構(gòu)認(rèn)知仿真。

在基于混合現(xiàn)實(shí)的城軌車(chē)輛智能運(yùn)維的全息化教學(xué)中，通過(guò)播放文字字幕、語(yǔ)音、視頻，伴隨著可以看得見(jiàn)的真實(shí)城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件的運(yùn)行原理、拆裝過(guò)程，實(shí)現(xiàn)部件外觀、結(jié)構(gòu)認(rèn)知仿真。

2） 在MR環(huán)境中實(shí)現(xiàn)城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件智能運(yùn)維實(shí)訓(xùn)過(guò)程評(píng)價(jià)。

在基于混合現(xiàn)實(shí)的城軌車(chē)輛智能運(yùn)維的全息化教學(xué)中，通過(guò)設(shè)置實(shí)訓(xùn)模塊和操作考核模塊，實(shí)現(xiàn)城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件智能運(yùn)維實(shí)訓(xùn)考核預(yù)評(píng)價(jià)與最終考核評(píng)價(jià)。

3）在MR環(huán)境中提高3D渲染效率。

在MR控制系統(tǒng)中，在實(shí)現(xiàn)于編輯器中多軌道編輯語(yǔ)音、動(dòng)畫(huà)、物體顯示等基本功能并編譯至終端設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過(guò)平衡3D模型的精度或者面數(shù)與渲染之間的關(guān)系，提高M(jìn)R環(huán)境中的3D模型渲染效率[7]。

4） 構(gòu)建多人智能運(yùn)維的教學(xué)環(huán)境。

利用MR技術(shù)所提供的平臺(tái)軟件，構(gòu)建多人智能運(yùn)維的教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)基于MR的多人智能運(yùn)維的教學(xué)環(huán)境。

5） 在城軌車(chē)輛智能運(yùn)維教學(xué)平臺(tái)中嵌入各專(zhuān)業(yè)課程模塊。

在基于混合現(xiàn)實(shí)的城軌車(chē)輛智能運(yùn)維教學(xué)平臺(tái)中，與相關(guān)教師團(tuán)隊(duì)一同研究智能運(yùn)維相關(guān)原理的教學(xué)劇本，依據(jù)教學(xué)需要在平臺(tái)中嵌入不同模塊，分別對(duì)應(yīng)不同城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件的教學(xué)、實(shí)訓(xùn)和考核，提高平臺(tái)自適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)軌道交通專(zhuān)業(yè)多課程的嵌入和移植。

3.2 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

邏輯上系統(tǒng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層處理后，形成規(guī)范的關(guān)系和非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)經(jīng)數(shù)據(jù)引擎被系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯模塊處理，處理結(jié)果供各應(yīng)用模塊調(diào)用，最后以PC端、MR端軟件或手機(jī)端App形式供各類(lèi)用戶(hù)使用。

系統(tǒng)建設(shè)考慮現(xiàn)在和未來(lái)發(fā)展需求。現(xiàn)階段解決軌道交通專(zhuān)業(yè)智能運(yùn)維教學(xué)的痛點(diǎn)問(wèn)題，同時(shí)做好接口等預(yù)留，為未來(lái)逐步引入其他專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行全息體驗(yàn)式教學(xué)做準(zhǔn)備。

基于MR的城軌車(chē)輛智能運(yùn)維教學(xué)平臺(tái)邏輯分為四層，分別是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、應(yīng)用接入層、展示層。

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層是城軌車(chē)輛智能運(yùn)維教學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)核心的部分，對(duì)城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件，如受電弓、塞拉門(mén)等進(jìn)行精確地建模，實(shí)現(xiàn)外觀認(rèn)知仿真的教學(xué)，需要收集課程理論資料、城軌車(chē)輛關(guān)鍵部件資料等，追蹤學(xué)員實(shí)訓(xùn)和考試的行為、形成真實(shí)沉浸的交互并進(jìn)行評(píng)判需要收集現(xiàn)實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)學(xué)員理論知識(shí)的掌握程度還需要收集理論試題數(shù)據(jù)，對(duì)用戶(hù)進(jìn)行管理需要收集班級(jí)信息、學(xué)員信息等，系統(tǒng)會(huì)把這些相關(guān)的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在關(guān)系與非關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2.2 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層是在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上完成任務(wù)的關(guān)鍵，以底層數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別、故障診斷、遠(yuǎn)程協(xié)助、人機(jī)交互、智能評(píng)價(jià)、實(shí)訓(xùn)流程引領(lǐng)、資料管理等邏輯功能。

故障識(shí)別和診斷主要是構(gòu)造故障樹(shù)，利用云計(jì)算模式分析得出現(xiàn)有部件是否有故障、故障的具體情況，以提出解決方案。遠(yuǎn)程協(xié)助是獲取佩戴MR頭顯的用戶(hù)看到的現(xiàn)實(shí)畫(huà)面，與遠(yuǎn)程用戶(hù)共享，遠(yuǎn)程用戶(hù)根據(jù)現(xiàn)實(shí)畫(huà)面做出提醒或標(biāo)記在虛擬空間顯示，協(xié)作實(shí)際環(huán)境中的用戶(hù)完成操作。人機(jī)交互是結(jié)合用戶(hù)周?chē)恼鎸?shí)環(huán)境數(shù)據(jù)與MR虛擬環(huán)境，進(jìn)行圖像、語(yǔ)音、視頻的渲染，給人身臨其境的實(shí)訓(xùn)感受。智能評(píng)價(jià)是對(duì)比并分析學(xué)員操作過(guò)程、操作結(jié)果和正確的步驟、結(jié)果，給出評(píng)分和改正提醒。實(shí)訓(xùn)流程引領(lǐng)是在實(shí)訓(xùn)任務(wù)執(zhí)行中對(duì)比維護(hù)流程和學(xué)員操作，進(jìn)行正確的流程顯示和指導(dǎo)。資料管理是通過(guò)構(gòu)造權(quán)限哈希表在平臺(tái)運(yùn)行全過(guò)程維持有序性和規(guī)范性。

3.2.3 應(yīng)用接入層

應(yīng)用接入層包含城軌車(chē)輛智能運(yùn)維教學(xué)的全過(guò)程邏輯。智能運(yùn)維教學(xué)平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)遵循傳統(tǒng)教學(xué)由淺入深、由易到難的方法，通過(guò)三維視頻演示進(jìn)行外觀結(jié)構(gòu)的理論教學(xué)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行MR環(huán)境下的虛擬操作引導(dǎo)和評(píng)價(jià)作為預(yù)考核，最終通過(guò)理論考試和MR環(huán)境下的操作考試來(lái)綜合檢驗(yàn)智能運(yùn)維平臺(tái)教學(xué)效果。遠(yuǎn)程協(xié)助依托MR技術(shù)，可將教員的遠(yuǎn)程指導(dǎo)在虛擬空間中顯示，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)糾錯(cuò)和高效協(xié)助。

3.2.4 展示層

展示層方面分為兩部分，教員系統(tǒng)部署于PC端，學(xué)員系統(tǒng)部署于MR眼鏡端，另外遠(yuǎn)程協(xié)助軟件資源可以部署在PC端和手機(jī)端。

3.3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用客戶(hù)/服務(wù)器模式，分內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)兩個(gè)部分。內(nèi)網(wǎng)主要是平臺(tái)子系統(tǒng)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)和客戶(hù)端。服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和邏輯計(jì)算，客戶(hù)端完成各系統(tǒng)使用;外網(wǎng)主要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)方式提供給用戶(hù)使用接口。

3.4 功能設(shè)計(jì)

1） 教學(xué)功能

結(jié)合所應(yīng)用的城軌交通專(zhuān)業(yè)課的具體需要，直觀展示和講解每個(gè)知識(shí)點(diǎn)，如受電弓、塞拉門(mén)的結(jié)構(gòu)認(rèn)知和維護(hù)操作知識(shí)，根據(jù)其相應(yīng)的機(jī)械特性和電氣特性建立完整、精細(xì)的3D模型，利用MR技術(shù)播放。從原理、操作、運(yùn)維等方面進(jìn)行文字和語(yǔ)音相結(jié)合的講解，并能夠?qū)σ曨l做相應(yīng)的播放、暫停、聲音控制等常規(guī)操作。

2） 實(shí)訓(xùn)功能

在實(shí)訓(xùn)模式下，不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生可以選擇相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)任務(wù)進(jìn)入三維實(shí)訓(xùn)界面，界面顯示用戶(hù)和任務(wù)的基本信息以及任務(wù)的操作流程。用戶(hù)可根據(jù)需要選取工具，在虛擬環(huán)境中按照操作流程進(jìn)行操作，系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)用戶(hù)在平臺(tái)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中的實(shí)訓(xùn)行為，并做出實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)。一旦學(xué)生出現(xiàn)錯(cuò)誤操作，系統(tǒng)提示扣分并引導(dǎo)學(xué)生按照正確的步驟完成任務(wù)，完成后自動(dòng)進(jìn)行得分統(tǒng)計(jì)和評(píng)價(jià)，規(guī)范學(xué)生操作技能，提高教學(xué)評(píng)價(jià)的效率。

3） 綜合測(cè)試評(píng)價(jià)功能

綜合測(cè)試評(píng)價(jià)功能分別面向管理員、教員和學(xué)生，允許教員設(shè)置題目、記錄設(shè)置歷史、實(shí)時(shí)查看學(xué)生考試情況和考試結(jié)果記錄，管理員設(shè)置測(cè)試環(huán)境。在測(cè)試模式下，學(xué)生選擇理論考試或操作考試進(jìn)入不同界面，理論考試結(jié)束后可實(shí)時(shí)查看成績(jī)和解析，操作考試則進(jìn)入相應(yīng)的三維界面，正確選擇工具進(jìn)行操作，系統(tǒng)將自動(dòng)記錄操作并智能評(píng)價(jià)，給出測(cè)試結(jié)果和分析。

4） 遠(yuǎn)程協(xié)助功能

遠(yuǎn)程協(xié)助模式中，教員可遠(yuǎn)程為在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)遇到突發(fā)情況、疑難故障等復(fù)雜情況時(shí)的學(xué)員提供精準(zhǔn)、高效的解決方案。現(xiàn)場(chǎng)學(xué)員通過(guò)智能頭顯設(shè)備創(chuàng)建房間、向遠(yuǎn)程教員發(fā)起視頻協(xié)助邀請(qǐng)，遠(yuǎn)程教員將與學(xué)員實(shí)時(shí)共享虛擬空間圖像、音頻和視頻，根據(jù)學(xué)員的實(shí)時(shí)反饋在虛擬空間中做標(biāo)記、文字或上傳文件，相應(yīng)的標(biāo)記轉(zhuǎn)化為三維模型立體浮現(xiàn)在學(xué)員眼前，精確指示故障所在和提醒正確操作步驟，以輔助解決問(wèn)題。

5） 管理功能

管理功能包括用戶(hù)管理和數(shù)據(jù)管理。用戶(hù)管理涉及用戶(hù)的注冊(cè)、登錄管理和不同用戶(hù)的權(quán)限管理;數(shù)據(jù)管理涉及教學(xué)資料，實(shí)訓(xùn)過(guò)程中學(xué)生的操作記錄數(shù)據(jù)，測(cè)試過(guò)程中學(xué)生的答題數(shù)據(jù)、系統(tǒng)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程協(xié)助時(shí)參會(huì)人員數(shù)據(jù)等各方面管理。

3.5 流程設(shè)計(jì)

平臺(tái)包含學(xué)員系統(tǒng)和教員系統(tǒng)兩部分，分別部署在MR眼鏡端和PC端，對(duì)兩部分系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

學(xué)員系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)如圖3所示，學(xué)員佩戴MR頭顯后登錄進(jìn)入模塊選擇頁(yè)面，包含城軌車(chē)輛專(zhuān)業(yè)的多門(mén)實(shí)訓(xùn)課程，選擇對(duì)應(yīng)課程后進(jìn)入項(xiàng)目，項(xiàng)目界面具有教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、考核和設(shè)置四個(gè)子模塊。教學(xué)、實(shí)訓(xùn)和考核三個(gè)子模塊的使用流程相類(lèi)似，點(diǎn)擊子模塊進(jìn)入任務(wù)選擇界面，選擇相應(yīng)的任務(wù)即可開(kāi)始操作。設(shè)置界面則允許學(xué)員進(jìn)行畫(huà)質(zhì)或聲音等的調(diào)整操作。

教員系統(tǒng)的用戶(hù)可劃分為管理員和教員兩種不同身份，具有不同的權(quán)限，筆者分別有針對(duì)性地設(shè)計(jì)使用流程。如圖4所示為管理員的流程設(shè)計(jì)，管理員系統(tǒng)首頁(yè)，包含班級(jí)管理、學(xué)員管理、教員管理和密碼設(shè)置四個(gè)子模塊，三個(gè)管理模塊都包含對(duì)相應(yīng)對(duì)象的查詢(xún)、增加、修改、刪除以及導(dǎo)入和導(dǎo)出的操作，密碼設(shè)置則允許管理員設(shè)置登錄的密碼。

教員登錄后進(jìn)入系統(tǒng)，面向教員的子模塊分別為學(xué)員監(jiān)督、題庫(kù)管理、試卷管理、考試管理、考試統(tǒng)計(jì)以及密碼設(shè)置。進(jìn)入學(xué)員監(jiān)督模塊可選擇學(xué)員查看其當(dāng)前在線情況和過(guò)往完成情況統(tǒng)計(jì)，進(jìn)入管理模塊可進(jìn)行對(duì)管理對(duì)象的查看和編輯，考試統(tǒng)計(jì)模塊提供考試總體統(tǒng)計(jì)情況和學(xué)員個(gè)人具體統(tǒng)計(jì)情況供教員查詢(xún)，以判斷教學(xué)效果。

遠(yuǎn)程協(xié)助的使用流程分析為，用戶(hù)登錄后首頁(yè)包含創(chuàng)建房間、加入房間、個(gè)人信息和系統(tǒng)設(shè)置四個(gè)子模塊，進(jìn)入房間后，房主可以邀請(qǐng)用戶(hù)，所有用戶(hù)都可以在房間頁(yè)面進(jìn)行音視頻的管理、主屏幕切換、窗口模式設(shè)定、文件管理和個(gè)人信息的編輯，PC端用戶(hù)還可以在進(jìn)入房間后進(jìn)行截屏、錄屏、空間標(biāo)記和消息發(fā)送，雙方可全程實(shí)時(shí)共享虛擬空間進(jìn)行流暢的遠(yuǎn)程協(xié)助操作。

4 實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

4.1 電客車(chē)受電弓教學(xué)系統(tǒng)

系統(tǒng)分為教師端和學(xué)員端，電客車(chē)受電弓MR軟件資源部署于MR頭戴式顯示設(shè)備，教員軟件資源部署于PC或臺(tái)式電腦，兩端可獨(dú)立運(yùn)行又能協(xié)作配合。

教員端初始界面為登錄界面，通過(guò)登錄信息，確定用戶(hù)身份和權(quán)限。用戶(hù)有兩種身份，分別為管理員和教員，管理員擁有班級(jí)、學(xué)員、教員管理等權(quán)限，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模塊的數(shù)據(jù)的增刪改查以及導(dǎo)入導(dǎo)出功能;教員擁有題庫(kù)、試卷、考試管理及統(tǒng)計(jì)等權(quán)限，能方便快捷地在各個(gè)模塊設(shè)置多種題型的題目，以及實(shí)時(shí)查看學(xué)員的操作情況，有效提高教學(xué)工作的效率。

學(xué)員端集成了教學(xué)模塊、實(shí)訓(xùn)模塊和考試模塊三個(gè)子系統(tǒng)。教學(xué)模塊通過(guò)對(duì)受電弓外觀、組裝、應(yīng)急升弓、ADD風(fēng)管斷裂等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和操作進(jìn)行準(zhǔn)確嚴(yán)密的建模渲染，得到“臨場(chǎng)感”極強(qiáng)的三維演示動(dòng)畫(huà)，用戶(hù)可自由選擇進(jìn)入相應(yīng)任務(wù)的三維場(chǎng)景，并進(jìn)行場(chǎng)景展示細(xì)節(jié)的調(diào)整，如圖5所示，通過(guò)體驗(yàn)式學(xué)習(xí)使學(xué)習(xí)效率、知識(shí)理解和知識(shí)記憶持久度得到大幅度提升。

實(shí)訓(xùn)模塊中包含受電弓組裝、靜態(tài)壓力調(diào)整、升降弓時(shí)間調(diào)整、碳滑板更換四個(gè)任務(wù)，選擇任務(wù)進(jìn)入對(duì)應(yīng)全息虛擬空間，開(kāi)始任務(wù)后，系統(tǒng)啟動(dòng)倒計(jì)時(shí)并引領(lǐng)學(xué)員按照任務(wù)流程提示進(jìn)行操作，系統(tǒng)智能實(shí)時(shí)檢測(cè)操作規(guī)范性并給出評(píng)分和提示，每個(gè)任務(wù)的各個(gè)步驟都通過(guò)系統(tǒng)自定義的流程節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行記錄表達(dá)。測(cè)試模塊包含理論測(cè)試和操作測(cè)試兩個(gè)功能，操作測(cè)試中系統(tǒng)將全程追蹤評(píng)價(jià)，同時(shí)允許教師進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)和細(xì)節(jié)的查看，達(dá)到公正、全面的評(píng)價(jià)效果。

4.2 遠(yuǎn)程協(xié)助

系統(tǒng)還具備遠(yuǎn)程協(xié)助的輔助功能，為學(xué)員在實(shí)訓(xùn)中遇到的問(wèn)題提供高效準(zhǔn)確解答。學(xué)員無(wú)法獨(dú)立解決復(fù)雜故障，需要尋求幫助時(shí)，通過(guò)MR頭顯進(jìn)入遠(yuǎn)程協(xié)助模塊，進(jìn)入教員創(chuàng)建的答疑室，教員接受后可實(shí)時(shí)為學(xué)員答疑解惑。雙方都可以設(shè)定合適的音頻播放效果和屏幕畫(huà)質(zhì)顯示效果，教員通過(guò)立體標(biāo)記和文字提醒指出問(wèn)題所在，標(biāo)記和文字會(huì)在虛擬空間中全息實(shí)時(shí)展現(xiàn)供教員參考。教員還可以通過(guò)上傳文件的方式為學(xué)員進(jìn)行講解，通過(guò)截屏和錄屏記錄答疑過(guò)程，留存以供學(xué)員進(jìn)行課后復(fù)盤(pán)和學(xué)員間的知識(shí)共享。遠(yuǎn)程協(xié)助能夠克服地點(diǎn)和人數(shù)的限制，達(dá)到身臨其境的指導(dǎo)效果，幫助學(xué)員快速解決問(wèn)題、掌握技能。

5 總結(jié)與展望

基于MR（混合現(xiàn)實(shí)）技術(shù)的城軌車(chē)輛智能運(yùn)維教學(xué)平臺(tái)在城軌車(chē)輛專(zhuān)業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)基礎(chǔ)上，運(yùn)用MR（混合現(xiàn)實(shí)） 技術(shù)，將抽象復(fù)雜的智能運(yùn)維概念轉(zhuǎn)化為具象的虛擬3D模型動(dòng)畫(huà)，在虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和用戶(hù)之間搭起交互反饋的信息回路，利用MR實(shí)時(shí)交互、三維配準(zhǔn)的特點(diǎn)，結(jié)合云計(jì)算和故障知識(shí)庫(kù)在體驗(yàn)式學(xué)習(xí)中引領(lǐng)學(xué)員熟悉和演練規(guī)范化的運(yùn)維檢修操作，有效提高學(xué)生對(duì)智能運(yùn)維教學(xué)環(huán)節(jié)和理解和實(shí)訓(xùn)技能的掌握，并通過(guò)實(shí)訓(xùn)和測(cè)試全過(guò)程的追蹤評(píng)價(jià)，減輕教學(xué)負(fù)擔(dān)，提高教學(xué)效率。

為更好地發(fā)揮系統(tǒng)作用，后繼需要做好以下工作：

1） 豐富平臺(tái)課程資源，拓展平臺(tái)適用面。通過(guò)與相關(guān)教師團(tuán)隊(duì)討論、制定更多軌道車(chē)輛關(guān)鍵部件在MR環(huán)境下的教學(xué)劇本，使平臺(tái)集成更多的軌交專(zhuān)業(yè)課程模塊，橫向拓展平臺(tái)使用的專(zhuān)業(yè)適配性。

2） 提高平臺(tái)MR環(huán)境交互效果。通過(guò)觀察平臺(tái)現(xiàn)有課程的實(shí)訓(xùn)和考核模塊在使用過(guò)程中的3D渲染效果和交互性，總結(jié)效果不足之處進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

3） 推廣平臺(tái)至軌交大類(lèi)以外的職業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，助力數(shù)字教學(xué)模式的改革。嘗試將其他需要職業(yè)工作情境作為教學(xué)輔助的專(zhuān)業(yè)課程植入平臺(tái)，促進(jìn)職業(yè)教育信息化變革。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】