虚拟实训技术在工业技术培训中的应用

陈祥章， 殷智浩， 王志杰

(1. 徐州工业职业技术学院 信息管理技术学院， 江苏 徐州 221140；2. 西安和利德软件有限公司， 陕西 西安 710075)

虚拟实训技术在工业技术培训中的应用

陈祥章1， 殷智浩1， 王志杰2

(1. 徐州工业职业技术学院 信息管理技术学院， 江苏 徐州 221140；2. 西安和利德软件有限公司， 陕西 西安 710075)

随着工业化程度的提升，加快了工业设备的更新换代，高校传统的真机实训成本越来越高。虚拟实训是利用虚拟现实技术来模拟工业设备的真实运行状态，让学员身临其境地进行设备操作。该文论述了虚拟实训在工业技术培训中的必要性和优越性，阐述了利用3D虚拟引擎构建虚拟实训系统的方法，实现了虚拟现实技术与工业技术培训的有机结合。

虚拟实训; 3D虚拟引擎; 虚拟现实技术

传统的技能培训受时间、空间的限制，尤其对于危险作业或不具备实验条件的高级培训，用传统的培训方式更是难以实现，这种局限性严重制约了人们所期望的培训质量和培训效率[1]。虚拟实训是将虚拟现实技术与技能培训结合起来，具有信息容量大、多向演示、模拟生动、如同身临其境等特征，为用户提供了逼真的三维虚拟空间，使用户在计算机提供的虚拟环境中熟练掌握某一装置或某一系统的操作方法[2]。

1 虚拟实训概述

虚拟实训技术是在虚拟现实技术的基础上实现的。

虚拟现实(virtual reality，VR)是信息技术、计算机技术以及仿真技术、人工智能技术等多种技术交叉衍生出来的一种新的技术[3]，是一种可以创建模拟和交互体验虚拟世界的仿真系统[4]，具有沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和构想性(imagination)的技术特点[5]。

沉浸性是指用户在虚拟世界中的真实感,借助计算机的硬件和软件技术使用户产生一个在虛拟环境中身临其境的感觉。

交互性是指用户借助硬件设备可对虛拟世界中的物体进行操作,能够体验现实世界中任务的实现。

构想性是指用户沉浸在虚拟世界,寻求对问题的完美解决。

这些鲜明的技术特点构成了交互性极强的信息传递结构。

2 虚拟实训平台的构架

2.1 三维模型技术及建模原则

建立有效的虚拟环境的工作主要集中在两方面：一是用虚拟环境精确表示物体的状态模型；二是环境的可视化表示，即渲染景象[6]。强调影像的原因在于目前学习者通过网络进行虚拟实验，其主要的信息获取途径来自于视觉。

在虚拟实训的开发中，三维模型的精确建立发挥着至关重要的作用。高仿真度的三维模型可以真实再现场景、仪器的外观甚至内部结构，给学习者以良好的沉浸感，获得近似甚至超过真实实验环境的学习感受和体验。在虚拟实训三维模型的创建过程中能否把握模型的仿真程度，对虚拟现实系统能否成功实现有很大影响[7]。仿真程度恰当的三维模型有利于虚拟实训发挥出更大的教学优势。

在三维建模的过程中，应该尽量遵循以下原则[8]。

(1) 真实合理原则。建模的过程实际上是一个对对象的物理表象的模拟过程。设计的虚拟场景必须建立在真实、合理的原则基础上。

(2) 去除模型的冗余多边形原则。减少模型的无用冗余面、多余面、看不见的背面，尽量减少冗余多边形，以减少整个场景的多边形数目，做到最优化。

(3) 主次分明原则。在虚拟场景构建中突出主体对象，保证整个场景主体对象模型准确精细，但可适当降低背景等次对象的精细程度。

(4) UV利用率最大化原则。在分配模型UV时应尽可能地使UV分布均匀、无拉伸，并铺满整个UV编辑框，以达到UV最大限度的利用率。

(5) 高精细度贴图表现原则。在进行高精度模型制作时，要在不增加模型面数和贴图分辨率情况下将精细的模型结构都使用贴图表现，并提高贴图的细节、层次和精细度。

(6) 模型单位统一原则。在制作虚拟环境时，要保证制作的每个模型的单位统一，防止搭建场景时出现比例不协调的问题。

(7) 模型名称命名无重复原则。要为每个模型分别命名，保证每个模型在整合的时候不出现名称重复，保证后期按名称查找模型或进行多物体整合时不出现冲突。

2.2 硬件数据采集

数据采集(DAQ)是指从传感器和其他被测单元中自动采集非电量或者电量信号,送到上位机(虚拟软件)中进行分析和处理[9]。数据采集系统已广泛地应用到测量、监测、控制、诊断、科学实验等各个领域中[10]。数据采集是获取信息的重要的手段，采集到的数据将提高人们对各种瞬态现象进行研究的能力；在工业技术培训中应用数据采集，能迅速得到各种过程参数[11]。数据采集系统的工作原理如图1所示。

图1 数据采集系统工作原理图

从硬件方面传出或者发送的信号，在虚拟软件中要捕获、要接受。为了有效地解析硬件发送的信号和控制虚拟对象，硬件与软件之间需要一个协议来实现软硬结合。利用硬件发送的信号，通过软件进行处理，从而实现操作虚拟场景中人物的动作，控制其进行一系列操作。

2.3 虚拟现实交互

交互功能是联系学习者与机器的纽带，交互功能是虚拟实训要实现的核心功能[12]。在学习者学习的过程中，虚拟实训系统不仅作为传递知识的素材，更扮演了一个指导者的角色，部分地代替了教师的功能。设计良好的人机交互不仅能吸引学习者的注意力，还能为记忆新知识、掌握新技能创造良好的条件。交互一般可以通过界面上的选单、按钮、功能键、文本输入框以及机器硬件的操作杆、操作按钮等方式来实现[13]。交互功能的设计要体现出友好性、灵活性、可靠性并能进行有效的反馈。

(1) 友好性。交互界面设计要友好、简单易学、方便操作。友好的操作界面包括合理的功能按钮放置和界面布局，能让用户方便地进行输入、输出操作，很容易知道接下来应该怎么做，快速掌握操控软件进行学习的方法。

(2) 灵活性。交互设计的灵活性是指系统能用不同的交互方式去完成某一特定目标，不局限于单一的工具，比如可以联合使用鼠标、操作杆等，即交互方式不应该是死板和不可改变的。

(3) 可靠性。交互设计的可靠性是指系统具有正常(无故障)工作的能力。交互系统应使用户能正确地使用系统，保证有关程序和数据的安全。另外，系统应具有一定的容错能力。

(4) 有效的反馈。反馈就是要返回与活动相关的信息，如已执行了什么动作、完成了些什么操作等，当用户操作硬件时可以实时与虚拟世界进行交互。

虚拟实训系统中用户所进行的各种操作，都会通过硬件系统将数据传到底层逻辑，再将经过底层逻辑处理的数据传给上层虚拟系统，上层虚拟系统作出响应，直观地将操作结果展示在大屏幕上。这些操作在用户操作界面并没有体现出数据的流向，但在实际的程序中，数据都要通过操作台与底层逻辑进行数据交互，这也是虚拟实训系统所采用的框架结构。虚拟实训系统流程如图2所示。

图2 虚拟实训系统流程图

在整个虚拟实训系统中，操作台是操作者操作虚拟实训系统的界面，具有传递底层数据的功能，所以该操作台采用了高性能的主控电路，确保数据可以实时、准确地传输给上层虚拟系统。虚拟仿真系统采用3D渲染引擎，同时提供了物理引擎、渲染系统和多媒体系统。这些引擎为开发者提供了大量的方法支持，不管是在视觉系统还是听觉系统，都使得所开发的系统拥有一流的用户体验。

3 掘进机实操系统虚拟实训平台的应用

虚拟培训技术在煤炭工业中主要应用于掘进系统、综采系统、提升系统等井下作业系统的培训中，利用该技术开发的虚拟实操系统能减少对众多实体设备和器材的依赖。采用虚拟培训技术将煤炭生产中的主要工种、机械操作安全知识和操作规程等进行计算机模拟是一种很好的选择[14]。煤炭生产虚拟操作培训系统在项目定位上不同于传统的生产安全操作培训，主要是为煤矿常见的、重要的设备及其操作过程提供一套计算机虚拟的、交互的操作培训平台，使学员在虚拟的环境中得到培训，使安全操作的培训更加生动、逼真和易于接受，从而大大提高煤矿安全生产的管理水平和实践水平。掘进机实操培训系统如图3所示。

图3 掘进机实操培训系统框图

(1) 操作培训模块。该模块的一个主要功能就是进行知识学习。对于初级培训学员，主要进行知识培训，包括煤炭生产安全知识、掘进机工作的常见方式、应对灾害的预案以及机械工作原理，要求学员掌握掘进作业(主要指井内、工作面作业)的安全常识和易出现的故障，操作规程的具体动作、方法等。操作培训的手段主要是利用大屏幕演示并配有文字介绍和语音讲解。

(2) 结构教学模块。该模块主要包括掘进机中的整机、运输部、电机部等机械组件的模型展示、原理介绍和动画演示。运用三维建模软件3ds MAX构建各个元件的模型，通过材质、贴图和灯光等处理技术，真实地描绘出各元件的模型，供培训学员观看。利用3D渲染引擎调用3ds MAX模型实现三维场景控制，进行动画演示，使学员能够方便地学习到掘进机的内部构造。

(3) 训练考核模块。训练考核模块主要针对高级培训学员和设备维修人员，该功能的实现主要是利用了人机交互技术。利用基于模型的建模技术构建的模型，能够为人机交互提供条件。对系统中场景加以分类后，每种场景都有专门的操作流程，学员可以借助操作台上的操作杆和旋钮操作。操作熟练以后，也可以进入考核模块来验证自己所学的技能，对自己的操作评分，可以从考核结果中看出自己操作错误的步骤，这有利于加深学员的记忆，提高培训的效率。

虚拟培训操作台是一个独立的系统，通过操作台上的开关可以开启系统，直接运行掘进机技能实操数字化平台。培训人员可以通过鼠标去选择操作的项目，通过操作台对掘进机系统进行操作。掘进机技能实操数字化平台的实物如图4所示。

图4 掘进机技能实操数字化平台实物图

学员可以使用鼠标点击进入相应模块，进入场景后，该系统的液晶显示器将井下生产环境实时、逼真地展现到培训者眼前(见图5)，让培训者有一种身临其境的感觉，使得这个培训过程非常接近现实。

图5 掘进机技能实操数字化平台场景展示

使用掘进机技能实操数字化平台对学员进行培训，大体可以分为4个阶段。

第一阶段，培训人员进入系统后，单击进入所选择的操作培训模块。在该模块下，提供了大量的培训资料与煤炭安全知识，培训人员可以通过文字与Flash进行理论学习。

第二阶段，经过理论学习后，培训人员选择结构教学模块。在此模块下，可以进行三维的掘进机分解和组装演示，使得用户不用拆装真机也可以对掘进机有一个详细的了解，这也是虚拟展示的一大优势。

第三阶段，当学员对掘进机的结构有了了解以后，结合自己的理论知识，可以选择训练考核模块中的训练模式，对不同课题的井下环境进行实操训练。

第四阶段，该系统提供了独有的实操考核模式，真实地模拟井下作业环境。当培训学员进入考核模式以后，通过操作台对掘进机进行操作。当操作者操作失误时，数据库会记录错误信息并扣除相应分数；完成考核后，可通过调取数据库查看本次考试成绩。

通过该培训系统，可以让毫无掘进机操作经验的人员对掘进机的操作有一定的了解，并借助这个培训平台，提高掘进机操作人员的操作效率，也降低了掘进机操作培训的成本。

4 技术分析和展望

目前，虚拟现实技术在一些领域获得了比较成熟的实际应用，然而对它的研究开发仍在不断发展中。美国在2010年前重点发展的10项高新电子技术，而居10项技术之首的就是虚拟现实技术。21世纪将是虚拟现实技术大发展的时代，人们将能够轻松地遨游于多维化的信息世界中。

计算机技术的发展，虚拟技术的出现，不仅在模拟工业作业方面能够比较真实、准确地表现出这种效果，而且可以表现出作业现场不能表现出的沉浸效果，使其具有真实感、形象感和直观性。这也是虚拟技术为工业培训提供的新的技术手段。但是，由于虚拟技术的进步依赖于计算机软硬技术的发展，加上三维建模技术、粒子系统、动态Shader的复杂性，若要想做出更完美的培训系统，还有许多研究工作要做。

References)

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[3] 张新国，刘冰，江宁，等.煤矿充填三维仿真系统的研究与应用[J].太原理工大学学报，2013，44(1):29-32.

[4] 余千春.虚拟现实技术在高校散打教学中的应用研究[J].长春理工大学学报，2013，8(4):231-233.

[5] 田子建.虚拟现实教学手段在煤矿特种工培训中的应用[J].工矿自动化，2013，39(3):40-42.

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[14] 徐静.谈采煤机虚拟实训操作系统的交互设计[J].煤炭技术,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

徐州市科技计划项目“物联网环境下的智能家庭服务机器人系统关键技术研究”(XZZD1302)；徐州市工业科技计划项目“基于环境认知的家庭服务机器人‘诱拐’问题研究”(XX10A045)

陈祥章(1965—)，男，江苏徐州，硕士，教授，研究方向为人工智能与模式识别、计算机网络技术和物联网应用技术.

TP392

A

1002-4956(2015)5- 0127- 05