淺析虛擬仿真技術(shù)在制造業(yè)技能培訓(xùn)中的應(yīng)用

張瑋+沈浩

摘 要 隨著社會的不斷發(fā)展進步，計算機技術(shù)的更新?lián)Q代，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)運而生并被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)中，其便捷性、安全性及帶來的社會經(jīng)濟效益不言而喻。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到船舶制造技能培訓(xùn)中，是改進企業(yè)傳統(tǒng)技能教學(xué)模式的弊端的大膽嘗試。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真技術(shù) 技能培訓(xùn) 效益 成果

中圖分類號：TH164 文獻標識碼：A

1企業(yè)概況

滬東中華造船（集團）有限公司是中國船舶工業(yè)集團公司旗下的骨干企業(yè)，建造產(chǎn)品涵蓋多型軍用艦船、超大型液化天然氣船、超大型集裝箱船、成品油船、原油船、散貨船、特種船等上百種船型，以及海洋工程產(chǎn)品、超大型鋼結(jié)構(gòu)工程等產(chǎn)品，是國內(nèi)海洋裝備的重要制造基地。

滬東中華技術(shù)實力雄厚，不僅擁有國家級企業(yè)技術(shù)中心、博士后科研工作站， 還建立了四大數(shù)字造船信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)計、制造和管理的協(xié)同集成。在船舶研發(fā)、設(shè)計方面引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。

2企業(yè)傳統(tǒng)技能教學(xué)模式的弊端

傳統(tǒng)的技術(shù)工人培訓(xùn)一般采用課堂理論培訓(xùn)與現(xiàn)場實際操作交替進行的模式。教材根據(jù)實際生產(chǎn)工藝采用定期固定的模式，現(xiàn)場實際操作訓(xùn)練也基本上由老師針對實驗項目進行強化培訓(xùn)。教學(xué)手段往往受到諸多條件的限制，例如：實訓(xùn)現(xiàn)場空間大、運行維護費用較高、實訓(xùn)內(nèi)容單一、無法操作大型設(shè)備等問題，致使學(xué)員對所學(xué)對象缺少感性認識，無法得到新時代產(chǎn)業(yè)工人的接受條件，使其新知識無法得到快速掌握，其創(chuàng)新能力也得不到很好的培養(yǎng)和挖掘。隨著產(chǎn)業(yè)升級及工業(yè)4.0推進步伐的加快，傳統(tǒng)教學(xué)方式很難適應(yīng)新形勢的發(fā)展，無法與時俱進，而造成教學(xué)成本和培訓(xùn)費用攀升。

隨著公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，各種高附加值船舶建造難度越來越大，技術(shù)革新越來越頻繁，對技術(shù)工人的要求也越來越高，同時技術(shù)工人的流動性卻在日益變大，這些都導(dǎo)致了公司在人員培訓(xùn)方面的需求量激增，培訓(xùn)各種資源負荷加大，培訓(xùn)成本直線上升。鑒于此，我們必須尋找開發(fā)新模式以適應(yīng)企業(yè)降本增益的要求。因此針對傳統(tǒng)培訓(xùn)中的諸多問題，公司大力推進教學(xué)培訓(xùn)新方法的研究，解決長期以來對專業(yè)教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量的制約。

3虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于技能培訓(xùn)的嘗試

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真教學(xué)在學(xué)員專業(yè)能力、操作技巧等方面培訓(xùn)上的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，此技術(shù)已應(yīng)用于對海員、飛行員的技術(shù)培訓(xùn)以及考核。如以飛行員培訓(xùn)為例，在融入了虛擬仿真技術(shù)之后，飛行員的平均成熟周期可縮短70%以上，培訓(xùn)成本降低60%以上。

為切實解決傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的大量問題，面對員工培訓(xùn)中出現(xiàn)的實際問題，在召集各方面的專家進行廣泛咨詢并尋求解決方案后，決定從船體裝配著手開發(fā)虛擬仿真教學(xué)軟件。從2011年開始，集工法設(shè)計人員、信息程序開發(fā)人員、職業(yè)培訓(xùn)人員和教學(xué)專家于一體進行攻關(guān)。工法設(shè)計人員主要編制典型船舶的建造流程和關(guān)鍵操作步驟；信息程序開發(fā)人員開發(fā)虛擬仿真教學(xué)軟件，打通教學(xué)軟件與設(shè)計軟件的接口；職業(yè)培訓(xùn)人員研究考評規(guī)則。在各方面的共同努力下，2012年船體裝配虛擬仿真教學(xué)軟件開發(fā)完成，2013年經(jīng)過一些列測試、教學(xué)實驗和完善后正式投入使用，到目前為止，已完成10000余人次的培訓(xùn)，該三維仿真教學(xué)不僅快速完成了公司的培訓(xùn)計劃，也為培訓(xùn)貼近生產(chǎn)、節(jié)省培訓(xùn)成本、增強培訓(xùn)效果起到了關(guān)鍵作用。

該船體裝配虛擬仿真教學(xué)完全借助三維虛擬技術(shù)，構(gòu)建公司實際施工現(xiàn)場、施工工藝流程相結(jié)合的虛擬仿真，對船體分段建造、分段總組階段的裝配工藝流程進行模擬重現(xiàn)，并通過人機交互、裝配演示等功能實現(xiàn)船體三維體驗式培訓(xùn)和考核。主要功能包括培訓(xùn)人員信息管理、分段建造培訓(xùn)與考核、分段總組培訓(xùn)與考核、知識庫擴充功能等，集教學(xué)和考評于一體。

例如分段建造培訓(xùn)，學(xué)員在軟件所模擬的現(xiàn)場環(huán)境中，對與現(xiàn)場實際建造完成的分段及其一致的各個分段加以操作。在此過程中，學(xué)員將循序漸進地了解分段總組的意義，知道分段總組的具體流程，掌握分段總組的各項工藝要求和規(guī)范。而后進行知識考核、評分，該功能是作為考量學(xué)員在完成整個學(xué)習(xí)周期后，量化其知識掌握程度的一種可靠手段。學(xué)員必須在規(guī)定時間內(nèi)，完成軟件從題庫中隨機挑選出的考題。軟件自動跟蹤學(xué)員的每一個操作過程，記錄下每一步正確或錯誤但由本人確認后的操作。學(xué)員每完成考題中的一個階段，軟件就會正確顯示所有該階段物體信息，并進入下一階段直至學(xué)員交卷。最后，軟件自動根據(jù)評分規(guī)則計算出學(xué)員的得分。

4實施效果

4.1社會效益

船體裝配仿真系統(tǒng)有助于避免傳統(tǒng)教學(xué)中的風(fēng)險，大大降低客觀條件對教學(xué)的制約，作為一種結(jié)合前沿科技的重要教學(xué)手段，該社會效益具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

推動船舶行業(yè)教學(xué)培訓(xùn)方式不斷創(chuàng)新。與傳統(tǒng)教學(xué)操作相比，船體裝配仿真系統(tǒng)教學(xué)不僅知識更新快和貼近生產(chǎn)實際、教學(xué)更加便捷和高效、學(xué)員更加樂于接受。它必將帶動船舶行業(yè)的其它專業(yè)（管子工、電工等）教學(xué)培訓(xùn)方式的改變，推動船舶教學(xué)事業(yè)不斷創(chuàng)新。

教學(xué)方式更加環(huán)保。與傳統(tǒng)教學(xué)操作相比，由于培訓(xùn)處在虛擬的環(huán)境當中，在鍛煉學(xué)員反復(fù)操作的同時，可以大大減少氣體、電、鋼材的消耗，降低廢氣的排放量。教學(xué)方式更加環(huán)保，完全符合目前社會發(fā)展的時代要求，起到示范作用。

4.2經(jīng)濟效益

減少耗材使用。傳統(tǒng)的專業(yè)實踐訓(xùn)練需要大量實習(xí)耗材，例如裝配實訓(xùn)需要大量的鋼板與切割設(shè)備、切割氣體等。在虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，由于使用與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)完全一致的模型數(shù)據(jù)，并且嚴格遵守實際生產(chǎn)工藝流程和規(guī)范，因此在學(xué)員無須身處現(xiàn)場，就能獲得與現(xiàn)場培訓(xùn)相同效果的前提下，可以大大節(jié)約在現(xiàn)場學(xué)習(xí)過程中耗材的消耗。例如公司在2013-2014年內(nèi)共培訓(xùn)各類船體裝配工1429人，共節(jié)約材料費用214萬元。

5成果應(yīng)用單位情況反饋

5.1培訓(xùn)運用

本系統(tǒng)不僅可以用于對新進大學(xué)生崗位需求的培訓(xùn)，也可用于公司推廣某項新工藝、新技術(shù)時，對在崗員工的培訓(xùn)任務(wù)。本系統(tǒng)自2012年10月通過專家評審后，并于2013年在培訓(xùn)工作中開始實施分層培訓(xùn)。

5.1.1人員培訓(xùn)數(shù)量（見表1）

5.1.2實訓(xùn)課程實施前后對比（見表2）

5.2培訓(xùn)效果體現(xiàn)

教學(xué)不僅節(jié)約培訓(xùn)成本，而且能避免各種危險，具有較高的安全性。虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)在教學(xué)中的運用，開辟了實訓(xùn)教學(xué)的一條新思路。該系統(tǒng)真實模擬了船舶建造裝配的工藝流程和操作要點，提供與實際施工現(xiàn)場高度相一致的虛擬環(huán)境，嚴格遵守生產(chǎn)工藝流程、規(guī)范的提示和限制功能，使用與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)完全一致的模型數(shù)據(jù)，再現(xiàn)了真實的船舶裝配生產(chǎn)過程。利用該系統(tǒng)培訓(xùn)，使學(xué)員無須身處現(xiàn)場，就能得到與現(xiàn)場培訓(xùn)相同的效果，減少實物教學(xué)中的許多重復(fù)性工作，縮短學(xué)生完成各項工作任務(wù)的時間；針對學(xué)習(xí)過程中存在的問題還可以進行反復(fù)的操作訓(xùn)練，不用考慮場地、設(shè)備的損耗和材料、能源消耗，與傳統(tǒng)的實訓(xùn)教學(xué)相比，極大地節(jié)約了培訓(xùn)成本，提高了學(xué)習(xí)效率；同時學(xué)員可以在機房中反復(fù)使用船體裝配工藝軟件進行培訓(xùn)，而不受船舶實際建造周期的影響。并且能夠大大降低惡劣氣候環(huán)境對實訓(xùn)帶來的影響，便于教師對學(xué)員的管理。從而消除可能需要在不同的培訓(xùn)場地進行培訓(xùn)而帶來現(xiàn)場安全管理等問題。

經(jīng)過多年的開發(fā)與完善，三維虛擬仿真教學(xué)在船體裝配中得到實際應(yīng)用，除了在工人技能培訓(xùn)、大學(xué)生認識教育、新員工入廠教育發(fā)揮作用外，還對所有員工新產(chǎn)品工藝推廣，包括現(xiàn)場工程師、現(xiàn)場管理人員的新工藝、新技術(shù)的培訓(xùn)和工藝均有了一些嘗試，并取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。endprint