基于Virtools的虛擬現實技術及在特種設備教學中的應用

王艷娥

【摘 要】本文以起重運輸機械作為案例，分析了虛擬現實技術在特種設備教學培訓過程中的具體的應用，論述了應用的方法和應用的措施，可供今后參考和借鑒。

【關鍵詞】Virtools；虛擬現實技術；特種設備教學

虛擬現實又稱為虛擬環(huán)境。是采用以計算機技術為核心的現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)境的對象進行交互作用、相互影響，從而產生親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗。它綜合了先進的信息技術（如網絡計算、圖形圖像處理、多媒體技術、新型傳感器、仿真模擬等），甚至心理學、仿生學、藝術等領域的研究成果，目的是致力于構建一個能使人沉浸其中、虛實結合、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，通過虛擬現實軟件及其外部設備與計算機進行充分的交互，進行構思，完成所希望的任務。

一、起重運輸機械作業(yè)人員培訓現狀

近年來，國內安全生產形勢不容樂觀，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、安全操作素質不高、誤操作等。

目前，起重運輸機械作為特種設備的范疇，在我國已建立較為健全的特種作業(yè)安全培訓管理制度，但培訓過程及培訓方式較為滯后。因此，改變起重運輸機械作業(yè)人員培訓現狀，提高作業(yè)人員專業(yè)素質和操作技能，保證起重運輸機械安全、穩(wěn)定的運行是當今一個刻不容緩的工作。目前，虛擬現實技術已在醫(yī)學、軍事、航空、機器人及制造業(yè)、建筑、教育及娛樂等眾多領域得到成功的應用。在提高起重運輸機械作業(yè)人員培訓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備安全法》全面具體的實施，標志著我國特種設備培訓、安全管理等工作向法制化、科學化方向邁進了一大步。該安全法的具體頒布實施，以國家法律的形式對特種設備的設計、生產、經營、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、科學化，使得我國的特種設備安全監(jiān)管體制得到進一步完善。

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

為進一步提高特種設備作業(yè)人員安全操作意識和操作水平，提高特種設備作業(yè)人員持證上崗率及理論知識水平與實際操作能力，推進企業(yè)全面落實安全主體責任，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)安全工作的認識和安全操作技能，增強安全生產的社會責任感和法律意識，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，促進全員安全素質提升，形成良好的企業(yè)安全氛圍，從而推進企業(yè)安全培訓工作的深度發(fā)展。

針對調研分析現有的安全培訓存在的問題，提出增強安全培訓課堂效果的方式方法。企業(yè)安全培訓效果的提升通俗易懂地說就是企業(yè)員工在勞動生產中的安全思想意識、與安全相關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、虛擬現實在培訓教學中的應用

為了改變起重運輸機械作業(yè)人員培訓現狀，開發(fā)出了基于虛擬現實技術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、技能練習、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)人員培訓與考核的效果。

（一）利用虛擬現實沉浸性，提高對起重機械結構和工作原理的了解

該系統(tǒng)利用計算機三維虛擬仿真技術產生逼真的三維立體的橋式起重機工作場景和工況。受訓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構和運行機構，甚至于平時看不到的部件，如減速箱內部等，都可以進行實時的觀察，能讓學員直觀、全面的學習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中的三維立體場景實時交互，在各場景中可以進行運行大小車、上下吊鉤、各類安全裝置的使用等技能的訓練。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感受各類安全裝置的動作方式。

（三）事故再現與案例分析

在操作訓練中，受訓人員可通過現場復現功能來觀察分析自己的操作訓練情況，特別是訓練過程中發(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驗的學員進行操作培訓，部分具備操作員資格的新手進行實戰(zhàn)練習。

（四）該系統(tǒng)還可用于新產品的設計、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)對新機型進行包括臨界、限工況的全工況仿真試驗，分析、預估鄉(xiāng)價歸郝關操縱穩(wěn)定性、安全性、制動性、動力性等；為設計師提供新機型結構參數匹配的最優(yōu)方案；為引進機型的國產化或進行結構分析和性能比較。

此外，本系統(tǒng)可與人機工程相結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性的統(tǒng)計分析，為橋式起重機人性化設計提供依據。

三、該系統(tǒng)的主要優(yōu)點

與以前的培訓與考核方式相比，基于虛擬現實技術的橋式起重機模擬操作系統(tǒng)有強大的功能，在進行訓練、考核、安全技術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到的。

（二）再現性好

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

（三）可方便地設定各種條件，經濟性高

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

四、總結

虛擬現實技術是一項多學科的綜合技術。其基本思想是利用現代科技的手段，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。

將虛擬現實應用于起重運輸機械作業(yè)人員培訓，就是將虛擬視景的概念進行設計并構思成可視化和可操作化；實現逼真的現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練器對起重作業(yè)人員進行培訓，可以提高培訓水平，縮短培訓周期，減少培訓費用。而基于虛擬現實技術的橋式起重機培訓系統(tǒng)在實際使用過程達到了良好的效果，顯著提高了橋式起重機操作人員的培訓質量和效率。

【參考文獻】

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