基于Virtools的虛擬現(xiàn)實技術(shù)及在特種設(shè)備教學(xué)中的應(yīng)用

王艷娥

【摘 要】本文以起重運輸機械作為案例，分析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在特種設(shè)備教學(xué)培訓(xùn)過程中的具體的應(yīng)用，論述了應(yīng)用的方法和應(yīng)用的措施，可供今后參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】Virtools；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；特種設(shè)備教學(xué)

虛擬現(xiàn)實又稱為虛擬環(huán)境。是采用以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的裝備，以自然的方式與虛擬環(huán)境的對象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗。它綜合了先進(jìn)的信息技術(shù)（如網(wǎng)絡(luò)計算、圖形圖像處理、多媒體技術(shù)、新型傳感器、仿真模擬等），甚至心理學(xué)、仿生學(xué)、藝術(shù)等領(lǐng)域的研究成果，目的是致力于構(gòu)建一個能使人沉浸其中、虛實結(jié)合、交互作用的高效的多維的、更為和諧的人機環(huán)境。簡單而言，技術(shù)就是要讓用戶可以沉浸在一種人工的虛擬環(huán)境中，通過虛擬現(xiàn)實軟件及其外部設(shè)備與計算機進(jìn)行充分的交互，進(jìn)行構(gòu)思，完成所希望的任務(wù)。

一、起重運輸機械作業(yè)人員培訓(xùn)現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)安全生產(chǎn)形勢不容樂觀，起重運輸機械作業(yè)事故時有發(fā)生，重要的原因就在于起重運輸機械作業(yè)人員專業(yè)知識不足、操作技能不熟練、安全操作素質(zhì)不高、誤操作等。

目前，起重運輸機械作為特種設(shè)備的范疇，在我國已建立較為健全的特種作業(yè)安全培訓(xùn)管理制度，但培訓(xùn)過程及培訓(xùn)方式較為滯后。因此，改變起重運輸機械作業(yè)人員培訓(xùn)現(xiàn)狀，提高作業(yè)人員專業(yè)素質(zhì)和操作技能，保證起重運輸機械安全、穩(wěn)定的運行是當(dāng)今一個刻不容緩的工作。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已在醫(yī)學(xué)、軍事、航空、機器人及制造業(yè)、建筑、教育及娛樂等眾多領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。在提高起重運輸機械作業(yè)人員培訓(xùn)效果方面也將有顯著的作用。

2013年6月29日中華人民共和國第十二屆全國人民代表大會常務(wù)委員會在北京召開的第三次會議審議通過了《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》，并決定自2014年1月1日起全面施行。而《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》全面具體的實施，標(biāo)志著我國特種設(shè)備培訓(xùn)、安全管理等工作向法制化、科學(xué)化方向邁進(jìn)了一大步。該安全法的具體頒布實施，以國家法律的形式對特種設(shè)備的設(shè)計、生產(chǎn)、經(jīng)營、使用到檢驗檢測、報廢等的各個環(huán)節(jié)作了具體明確的規(guī)定，更加法制化、科學(xué)化，使得我國的特種設(shè)備安全監(jiān)管體制得到進(jìn)一步完善。

該法的具體實施對加強特種設(shè)備的安全工作起到了積極的作用，而中石化集團(tuán)公司對其特種設(shè)備作業(yè)人員的管理更加嚴(yán)格，其安全技術(shù)培訓(xùn)取證要求更加規(guī)范，理論考試要求微機化，實際操作考試要求實物化，嚴(yán)格按照考核大綱及安全技術(shù)規(guī)范要求執(zhí)行。

為進(jìn)一步提高特種設(shè)備作業(yè)人員安全操作意識和操作水平，提高特種設(shè)備作業(yè)人員持證上崗率及理論知識水平與實際操作能力，推進(jìn)企業(yè)全面落實安全主體責(zé)任，需要多措并舉，從方法模式上創(chuàng)新突破，不斷提高職工對企業(yè)安全工作的認(rèn)識和安全操作技能，增強安全生產(chǎn)的社會責(zé)任感和法律意識，增強貫徹執(zhí)行安全法律、法規(guī)以及各項規(guī)章制度的自覺性，促進(jìn)全員安全素質(zhì)提升，形成良好的企業(yè)安全氛圍，從而推進(jìn)企業(yè)安全培訓(xùn)工作的深度發(fā)展。

針對調(diào)研分析現(xiàn)有的安全培訓(xùn)存在的問題，提出增強安全培訓(xùn)課堂效果的方式方法。企業(yè)安全培訓(xùn)效果的提升通俗易懂地說就是企業(yè)員工在勞動生產(chǎn)中的安全思想意識、與安全相關(guān)的知識和安全實操技能等方面的提升，針對這四方面提出具體的方式方法如下。

二、虛擬現(xiàn)實在培訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

為了改變起重運輸機械作業(yè)人員培訓(xùn)現(xiàn)狀，開發(fā)出了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的橋式起重機操作模擬系統(tǒng)。

該系統(tǒng)是套用于橋式起重機操作培訓(xùn)、技能練習(xí)、安全教育和實踐考核的模擬操作系統(tǒng)。它主要在以下幾個方面提高或改善了橋式起重機作業(yè)人員培訓(xùn)與考核的效果。

（一）利用虛擬現(xiàn)實沉浸性，提高對起重機械結(jié)構(gòu)和工作原理的了解

該系統(tǒng)利用計算機三維虛擬仿真技術(shù)產(chǎn)生逼真的三維立體的橋式起重機工作場景和工況。受訓(xùn)人員通過大屏幕投影儀或佩戴立體成像眼鏡，在立體場景中操作橋式起重機，具有很強的身臨其境的感覺。

此外，通過該系統(tǒng)還可以近距離，多個角度的觀察橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)和運行機構(gòu)，甚至于平時看不到的部件，如減速箱內(nèi)部等，都可以進(jìn)行實時的觀察，能讓學(xué)員直觀、全面的學(xué)習(xí)橋式起重機各個部件的運行原理和工作方式。

（二）利用虛擬現(xiàn)實的交互性，提高作業(yè)人員實際操作的能力

該系統(tǒng)可以很好的讓操作員與行進(jìn)中的三維立體場景實時交互，在各場景中可以進(jìn)行運行大小車、上下吊鉤、各類安全裝置的使用等技能的訓(xùn)練。使操作者初步了解橋式起重機的基本原理和基本知識，體會操作橋式起重機的動作要領(lǐng)感受各類安全裝置的動作方式。

（三）事故再現(xiàn)與案例分析

在操作訓(xùn)練中，受訓(xùn)人員可通過現(xiàn)場復(fù)現(xiàn)功能來觀察分析自己的操作訓(xùn)練情況，特別是訓(xùn)練過程中發(fā)生重大錯誤如撞車、撞障礙物、啃軌、安全裝置動作等可利用再現(xiàn)的效果來判斷和分析錯誤原因。適合于毫無橋式起重機操作經(jīng)驗的學(xué)員進(jìn)行操作培訓(xùn)，部分具備操作員資格的新手進(jìn)行實戰(zhàn)練習(xí)。

（四）該系統(tǒng)還可用于新產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)

在研究開發(fā)新型橋式起重機時可以通過本系統(tǒng)對新機型進(jìn)行包括臨界、限工況的全工況仿真試驗，分析、預(yù)估鄉(xiāng)價歸郝關(guān)操縱穩(wěn)定性、安全性、制動性、動力性等；為設(shè)計師提供新機型結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配的最優(yōu)方案；為引進(jìn)機型的國產(chǎn)化或進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和性能比較。

此外，本系統(tǒng)可與人機工程相結(jié)合研究各類型橋式起重機對操作員行為、操作員心理和生理特征及機型的操作適應(yīng)性的統(tǒng)計分析，為橋式起重機人性化設(shè)計提供依據(jù)。

三、該系統(tǒng)的主要優(yōu)點

與以前的培訓(xùn)與考核方式相比，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的橋式起重機模擬操作系統(tǒng)有強大的功能，在進(jìn)行訓(xùn)練、考核、安全技術(shù)教育方面具有如下優(yōu)點：

（一）安全性高

使用橋式起重機模擬操作系統(tǒng)可以安全地進(jìn)行高速、極限行駛以及非常危險的安全性實驗，這在實車實驗中是無法達(dá)到的。

（二）再現(xiàn)性好

由于橋式起重機運行狀態(tài)和使用工況等因素很難控制，實車實驗再現(xiàn)性較差。而基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的橋式起重機模擬器則可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、機型模型的選擇和模擬環(huán)境的設(shè)定，再現(xiàn)性好。

（三）可方便地設(shè)定各種條件，經(jīng)濟(jì)性高

與實車實驗相比，模擬器占地小、耗能少，在軟件環(huán)境中還可便利地設(shè)定各種實驗條件和實驗參數(shù)。

四、總結(jié)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一項多學(xué)科的綜合技術(shù)。其基本思想是利用現(xiàn)代科技的手段，人為制造個虛擬的空間，人們能夠在這個空間中實現(xiàn)看、聽、移動等交互活動，就像在真的環(huán)境中一樣，用戶可以通過計算機進(jìn)人這個環(huán)境并能操縱系統(tǒng)中的對象與之交互，三維環(huán)境下的實時性和可交互性是其主要特征。

將虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于起重運輸機械作業(yè)人員培訓(xùn)，就是將虛擬視景的概念進(jìn)行設(shè)計并構(gòu)思成可視化和可操作化；實現(xiàn)逼真的現(xiàn)場效果并通過計算機用戶接口，給用戶同時提供諸如視覺、聽覺、觸覺等各種直觀而又自然的感知交互手段，最大限度利用計算機仿真訓(xùn)練器對起重作業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)，可以提高培訓(xùn)水平，縮短培訓(xùn)周期，減少培訓(xùn)費用。而基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的橋式起重機培訓(xùn)系統(tǒng)在實際使用過程達(dá)到了良好的效果，顯著提高了橋式起重機操作人員的培訓(xùn)質(zhì)量和效率。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]彭衛(wèi)芬.營造安全文化氛圍提高全員安全意識[J].廣西電業(yè)，2017（6）：16-17.