虛擬實訓技術在工業技術培訓中的應用

陳祥章， 殷智浩， 王志杰

(1. 徐州工業職業技術學院 信息管理技術學院， 江蘇 徐州 221140；2. 西安和利德軟件有限公司， 陜西 西安 710075)

虛擬實訓技術在工業技術培訓中的應用

陳祥章1， 殷智浩1， 王志杰2

(1. 徐州工業職業技術學院 信息管理技術學院， 江蘇 徐州 221140；2. 西安和利德軟件有限公司， 陜西 西安 710075)

隨著工業化程度的提升，加快了工業設備的更新換代，高校傳統的真機實訓成本越來越高。虛擬實訓是利用虛擬現實技術來模擬工業設備的真實運行狀態，讓學員身臨其境地進行設備操作。該文論述了虛擬實訓在工業技術培訓中的必要性和優越性，闡述了利用3D虛擬引擎構建虛擬實訓系統的方法，實現了虛擬現實技術與工業技術培訓的有機結合。

虛擬實訓; 3D虛擬引擎; 虛擬現實技術

傳統的技能培訓受時間、空間的限制，尤其對于危險作業或不具備實驗條件的高級培訓，用傳統的培訓方式更是難以實現，這種局限性嚴重制約了人們所期望的培訓質量和培訓效率[1]。虛擬實訓是將虛擬現實技術與技能培訓結合起來，具有信息容量大、多向演示、模擬生動、如同身臨其境等特征，為用戶提供了逼真的三維虛擬空間，使用戶在計算機提供的虛擬環境中熟練掌握某一裝置或某一系統的操作方法[2]。

1 虛擬實訓概述

虛擬實訓技術是在虛擬現實技術的基礎上實現的。

虛擬現實(virtual reality，VR)是信息技術、計算機技術以及仿真技術、人工智能技術等多種技術交叉衍生出來的一種新的技術[3]，是一種可以創建模擬和交互體驗虛擬世界的仿真系統[4]，具有沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和構想性(imagination)的技術特點[5]。

沉浸性是指用戶在虛擬世界中的真實感,借助計算機的硬件和軟件技術使用戶產生一個在虛擬環境中身臨其境的感覺。

交互性是指用戶借助硬件設備可對虛擬世界中的物體進行操作,能夠體驗現實世界中任務的實現。

構想性是指用戶沉浸在虛擬世界,尋求對問題的完美解決。

這些鮮明的技術特點構成了交互性極強的信息傳遞結構。

2 虛擬實訓平臺的構架

2.1 三維模型技術及建模原則

建立有效的虛擬環境的工作主要集中在兩方面：一是用虛擬環境精確表示物體的狀態模型；二是環境的可視化表示，即渲染景象[6]。強調影像的原因在于目前學習者通過網絡進行虛擬實驗，其主要的信息獲取途徑來自于視覺。

在虛擬實訓的開發中，三維模型的精確建立發揮著至關重要的作用。高仿真度的三維模型可以真實再現場景、儀器的外觀甚至內部結構，給學習者以良好的沉浸感，獲得近似甚至超過真實實驗環境的學習感受和體驗。在虛擬實訓三維模型的創建過程中能否把握模型的仿真程度，對虛擬現實系統能否成功實現有很大影響[7]。仿真程度恰當的三維模型有利于虛擬實訓發揮出更大的教學優勢。

在三維建模的過程中，應該盡量遵循以下原則[8]。

(1) 真實合理原則。建模的過程實際上是一個對對象的物理表象的模擬過程。設計的虛擬場景必須建立在真實、合理的原則基礎上。

(2) 去除模型的冗余多邊形原則。減少模型的無用冗余面、多余面、看不見的背面，盡量減少冗余多邊形，以減少整個場景的多邊形數目，做到最優化。

(3) 主次分明原則。在虛擬場景構建中突出主體對象，保證整個場景主體對象模型準確精細，但可適當降低背景等次對象的精細程度。

(4) UV利用率最大化原則。在分配模型UV時應盡可能地使UV分布均勻、無拉伸，并鋪滿整個UV編輯框，以達到UV最大限度的利用率。

(5) 高精細度貼圖表現原則。在進行高精度模型制作時，要在不增加模型面數和貼圖分辨率情況下將精細的模型結構都使用貼圖表現，并提高貼圖的細節、層次和精細度。

(6) 模型單位統一原則。在制作虛擬環境時，要保證制作的每個模型的單位統一，防止搭建場景時出現比例不協調的問題。

(7) 模型名稱命名無重復原則。要為每個模型分別命名，保證每個模型在整合的時候不出現名稱重復，保證后期按名稱查找模型或進行多物體整合時不出現沖突。

2.2 硬件數據采集

數據采集(DAQ)是指從傳感器和其他被測單元中自動采集非電量或者電量信號,送到上位機(虛擬軟件)中進行分析和處理[9]。數據采集系統已廣泛地應用到測量、監測、控制、診斷、科學實驗等各個領域中[10]。數據采集是獲取信息的重要的手段，采集到的數據將提高人們對各種瞬態現象進行研究的能力；在工業技術培訓中應用數據采集，能迅速得到各種過程參數[11]。數據采集系統的工作原理如圖1所示。

圖1 數據采集系統工作原理圖

從硬件方面傳出或者發送的信號，在虛擬軟件中要捕獲、要接受。為了有效地解析硬件發送的信號和控制虛擬對象，硬件與軟件之間需要一個協議來實現軟硬結合。利用硬件發送的信號，通過軟件進行處理，從而實現操作虛擬場景中人物的動作，控制其進行一系列操作。

2.3 虛擬現實交互

交互功能是聯系學習者與機器的紐帶，交互功能是虛擬實訓要實現的核心功能[12]。在學習者學習的過程中，虛擬實訓系統不僅作為傳遞知識的素材，更扮演了一個指導者的角色，部分地代替了教師的功能。設計良好的人機交互不僅能吸引學習者的注意力，還能為記憶新知識、掌握新技能創造良好的條件。交互一般可以通過界面上的選單、按鈕、功能鍵、文本輸入框以及機器硬件的操作桿、操作按鈕等方式來實現[13]。交互功能的設計要體現出友好性、靈活性、可靠性并能進行有效的反饋。

(1) 友好性。交互界面設計要友好、簡單易學、方便操作。友好的操作界面包括合理的功能按鈕放置和界面布局，能讓用戶方便地進行輸入、輸出操作，很容易知道接下來應該怎么做，快速掌握操控軟件進行學習的方法。

(2) 靈活性。交互設計的靈活性是指系統能用不同的交互方式去完成某一特定目標，不局限于單一的工具，比如可以聯合使用鼠標、操作桿等，即交互方式不應該是死板和不可改變的。

(3) 可靠性。交互設計的可靠性是指系統具有正常(無故障)工作的能力。交互系統應使用戶能正確地使用系統，保證有關程序和數據的安全。另外，系統應具有一定的容錯能力。

(4) 有效的反饋。反饋就是要返回與活動相關的信息，如已執行了什么動作、完成了些什么操作等，當用戶操作硬件時可以實時與虛擬世界進行交互。

虛擬實訓系統中用戶所進行的各種操作，都會通過硬件系統將數據傳到底層邏輯，再將經過底層邏輯處理的數據傳給上層虛擬系統，上層虛擬系統作出響應，直觀地將操作結果展示在大屏幕上。這些操作在用戶操作界面并沒有體現出數據的流向，但在實際的程序中，數據都要通過操作臺與底層邏輯進行數據交互，這也是虛擬實訓系統所采用的框架結構。虛擬實訓系統流程如圖2所示。

圖2 虛擬實訓系統流程圖

在整個虛擬實訓系統中，操作臺是操作者操作虛擬實訓系統的界面，具有傳遞底層數據的功能，所以該操作臺采用了高性能的主控電路，確保數據可以實時、準確地傳輸給上層虛擬系統。虛擬仿真系統采用3D渲染引擎，同時提供了物理引擎、渲染系統和多媒體系統。這些引擎為開發者提供了大量的方法支持，不管是在視覺系統還是聽覺系統，都使得所開發的系統擁有一流的用戶體驗。

3 掘進機實操系統虛擬實訓平臺的應用

虛擬培訓技術在煤炭工業中主要應用于掘進系統、綜采系統、提升系統等井下作業系統的培訓中，利用該技術開發的虛擬實操系統能減少對眾多實體設備和器材的依賴。采用虛擬培訓技術將煤炭生產中的主要工種、機械操作安全知識和操作規程等進行計算機模擬是一種很好的選擇[14]。煤炭生產虛擬操作培訓系統在項目定位上不同于傳統的生產安全操作培訓，主要是為煤礦常見的、重要的設備及其操作過程提供一套計算機虛擬的、交互的操作培訓平臺，使學員在虛擬的環境中得到培訓，使安全操作的培訓更加生動、逼真和易于接受，從而大大提高煤礦安全生產的管理水平和實踐水平。掘進機實操培訓系統如圖3所示。

圖3 掘進機實操培訓系統框圖

(1) 操作培訓模塊。該模塊的一個主要功能就是進行知識學習。對于初級培訓學員，主要進行知識培訓，包括煤炭生產安全知識、掘進機工作的常見方式、應對災害的預案以及機械工作原理，要求學員掌握掘進作業(主要指井內、工作面作業)的安全常識和易出現的故障，操作規程的具體動作、方法等。操作培訓的手段主要是利用大屏幕演示并配有文字介紹和語音講解。

(2) 結構教學模塊。該模塊主要包括掘進機中的整機、運輸部、電機部等機械組件的模型展示、原理介紹和動畫演示。運用三維建模軟件3ds MAX構建各個元件的模型，通過材質、貼圖和燈光等處理技術，真實地描繪出各元件的模型，供培訓學員觀看。利用3D渲染引擎調用3ds MAX模型實現三維場景控制，進行動畫演示，使學員能夠方便地學習到掘進機的內部構造。

(3) 訓練考核模塊。訓練考核模塊主要針對高級培訓學員和設備維修人員，該功能的實現主要是利用了人機交互技術。利用基于模型的建模技術構建的模型，能夠為人機交互提供條件。對系統中場景加以分類后，每種場景都有專門的操作流程，學員可以借助操作臺上的操作桿和旋鈕操作。操作熟練以后，也可以進入考核模塊來驗證自己所學的技能，對自己的操作評分，可以從考核結果中看出自己操作錯誤的步驟，這有利于加深學員的記憶，提高培訓的效率。

虛擬培訓操作臺是一個獨立的系統，通過操作臺上的開關可以開啟系統，直接運行掘進機技能實操數字化平臺。培訓人員可以通過鼠標去選擇操作的項目，通過操作臺對掘進機系統進行操作。掘進機技能實操數字化平臺的實物如圖4所示。

圖4 掘進機技能實操數字化平臺實物圖

學員可以使用鼠標點擊進入相應模塊，進入場景后，該系統的液晶顯示器將井下生產環境實時、逼真地展現到培訓者眼前(見圖5)，讓培訓者有一種身臨其境的感覺，使得這個培訓過程非常接近現實。

圖5 掘進機技能實操數字化平臺場景展示

使用掘進機技能實操數字化平臺對學員進行培訓，大體可以分為4個階段。

第一階段，培訓人員進入系統后，單擊進入所選擇的操作培訓模塊。在該模塊下，提供了大量的培訓資料與煤炭安全知識，培訓人員可以通過文字與Flash進行理論學習。

第二階段，經過理論學習后，培訓人員選擇結構教學模塊。在此模塊下，可以進行三維的掘進機分解和組裝演示，使得用戶不用拆裝真機也可以對掘進機有一個詳細的了解，這也是虛擬展示的一大優勢。

第三階段，當學員對掘進機的結構有了了解以后，結合自己的理論知識，可以選擇訓練考核模塊中的訓練模式，對不同課題的井下環境進行實操訓練。

第四階段，該系統提供了獨有的實操考核模式，真實地模擬井下作業環境。當培訓學員進入考核模式以后，通過操作臺對掘進機進行操作。當操作者操作失誤時，數據庫會記錄錯誤信息并扣除相應分數；完成考核后，可通過調取數據庫查看本次考試成績。

通過該培訓系統，可以讓毫無掘進機操作經驗的人員對掘進機的操作有一定的了解，并借助這個培訓平臺，提高掘進機操作人員的操作效率，也降低了掘進機操作培訓的成本。

4 技術分析和展望

目前，虛擬現實技術在一些領域獲得了比較成熟的實際應用，然而對它的研究開發仍在不斷發展中。美國在2010年前重點發展的10項高新電子技術，而居10項技術之首的就是虛擬現實技術。21世紀將是虛擬現實技術大發展的時代，人們將能夠輕松地遨游于多維化的信息世界中。

計算機技術的發展，虛擬技術的出現，不僅在模擬工業作業方面能夠比較真實、準確地表現出這種效果，而且可以表現出作業現場不能表現出的沉浸效果，使其具有真實感、形象感和直觀性。這也是虛擬技術為工業培訓提供的新的技術手段。但是，由于虛擬技術的進步依賴于計算機軟硬技術的發展，加上三維建模技術、粒子系統、動態Shader的復雜性，若要想做出更完美的培訓系統，還有許多研究工作要做。

References)

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[14] 徐靜.談采煤機虛擬實訓操作系統的交互設計[J].煤炭技術,2013(9):214-215.

Application of virtual practice technology in industrial training

Chen Xiangzhang1， Yin Zhihao1， Wang Zhijie2

(1. Department of Information Management Technology, Xuzhou College of Industrial Technology,Xuzhou 221140, China; 2. Xi’an Holiday Software Co., Ltd, Xi’an 710075, China)

With the continuous improvement of the degree of industrialization, the industrial equipment updates faster, and the training cost of traditional real machine becomes more expensive. The virtual training is the use of the virtual reality technology to simulate the real industrial equipment operating status, so that the students can experience personally for equipment operation . This paper discusses the necessity and advantages of the virtual training in the field of industrial training, explains how to use 3D virtual engine to build a virtual training system, and realizes the virtual reality technology and industrial training with the organic combination.

virtual training; 3D virtual engines; virtual reality technology

2014- 11- 12

徐州市科技計劃項目“物聯網環境下的智能家庭服務機器人系統關鍵技術研究”(XZZD1302)；徐州市工業科技計劃項目“基于環境認知的家庭服務機器人‘誘拐’問題研究”(XX10A045)

陳祥章(1965—)，男，江蘇徐州，碩士，教授，研究方向為人工智能與模式識別、計算機網絡技術和物聯網應用技術.

TP392

A

1002-4956(2015)5- 0127- 05