基于增强现实的大型化工设备实景培训方法研究

刘 刚,李 磊,2,王志强,王 春,李智临

(1.中国石化安全工程研究院,山东青岛 266071;2.国家安全生产监督管理局化学品登记中心,山东青岛 266071)

基于增强现实的大型化工设备实景培训方法研究

刘 刚1,李 磊1,2,王志强1,王 春1,李智临1

(1.中国石化安全工程研究院,山东青岛266071;2.国家安全生产监督管理局化学品登记中心,山东青岛266071)

分析了大型化工设备安全培训现状及存在的问题，讨论了一种基于增强现实技术的大型化工设备安全生产实景培训方法。该方法将增强现实技术引入大型化工设备安全生产培训，通过在真实环境下的设备关键部位上叠加虚拟模型或信息，从而让受训人员能够在设备现场进行互动式、剖析式、实时式的一体化高效培训。

增强现实 大型化工设备 安全生产 实景培训

大型塔、炉类设备(常压塔、加热炉等)作为化工行业的常用设备，大多具有连续作业、密闭作业、高热、高压、易燃易爆且设备庞大、昂贵等特点，在实际生产过程中，许多大型化工设备的故障与重大事故可能百年不遇，但一旦发生紧急情况，留给操作人员处理的时间非常短暂，如果不能及时正确处理，后果不堪设想。大型化工设备的上述特点决定了它对岗位操作人员的素质要求很高，在保证设备安(全)、满(负荷)、长(期)、稳(定)、优(质)运行情况下，积极开展高效率的安全生产培训显得尤为重要。

本文通过对大型化工设备安全培训现状及存在的问题进行分析，讨论了一种基于增强现实技术的大型化工设备安全生产实景培训方法。

1 大型化工设备安全培训现状及存在的问题

a)书本自学。即通过查阅设备图纸、文本等资料进行自主学习，这种培训方式具有形式单一、脱离生产实践且学习时间较长等缺点。

b)师傅带徒。即由有经验的老员工帮带新员工，是一种比较传统但却相对有效的培训方式，其主要形式是在老员工的带领下在设备现场进行实地讲解及操作实习。然而，这样的培训方式也存在着一定的不足。一方面，它受设备连续作业、密闭作业的限制，并不能使新员工了解并掌握设备结构、原理等深层次的内容；另一方面，也会在一定程度上受限于老员工的个人经验、习惯、能力与讲解水平，老员工往往会习惯性地将一些惯例式经验传授给新员工，而某些所谓的经验可能并不完全正确，可能会在一定程度上违背标准化的操作规范，会对新员工安全意识及标准化操作习惯的养成产生不利影响。

c)多媒体学习。随着计算机技术的日益发展，通过视频、PPT等多媒体方式对安全生产知识进行学习已逐渐为人们所接受。多媒体学习作为书本自学的扩展，虽然在形式上生动了许多，但同样存在着与生产实践脱离、学习时间较长的不足。

d)基于虚拟现实技术的虚拟交互式学习。即通过构建逼真的三维场景模型并利用各种辅助设备，让学习者沉浸于虚拟场景并与之进行互动操作。这种培训方式建立在真实感较强且具有交互操作能力的虚拟场景基础之上，形式生动，寓教于乐，能够极大地提高培训质量与培训效果。然而，虚拟交互学习毕竟是虚拟化的，其或多或少都与设备现场实际状态存在差异，无法从视觉、听觉、触觉、嗅觉、感觉等多重感官上真实体验现场环境。

大型化工设备操作培训的重点应以工艺原理、技术参数以及规范化操作的学习为主，其较为理想的方法应该是可以在设备现场进行互动式、剖析式、实时式的一体化高效学习。

2 增强现实(Augmented Reality，AR)技术概述

虚拟现实(VR)是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境[1]。本质上，它是一种先进的计算机用户接口技术，通过给用户同时提供诸如视、听、说、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户操作，提高整个系统的工作效率[2]。虚拟现实技术包括3个特点，即沉浸感、交互性、自主性[3,4]。

增强现实(AR)作为虚拟现实技术的一个重要分支，其概念于20世纪90年代初期由波音公司的Tom Caudell和他的同事在他们设计的一个辅助布线系统中提出[5]。增强现实在本质上，是将虚拟物体准确放置在真实环境中，使虚拟物体和现实环境达到虚实融合的效果，让用户不仅能感受到真实环境中的真实信息，也能感受到视觉、听觉、触觉、味觉等多方面的虚拟信息，达到对现实世界进一步认识的目的[6]。增强现实系统具有虚实结合、实时交互、三维注册的新特点[7]。

增强现实技术与虚拟现实技术虽然密不可分，并且具有相似的应用领域，但是两者在很多方面都存在着明显的差别[8]。首先，两者对用户沉浸程度的要求不同。传统意义上的虚拟现实技术强调在完全虚拟化环境中的沉浸体验，强调人能以自然方式与虚拟世界中的对象进行交互操作；增强现实技术则致力于将计算机生成的虚拟物体或信息叠加到现实景物上，从而产生现实环境中不存在的虚拟对象，再通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中，并借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，最终呈现给使用者一个感官效果真实的新环境[9]。其次，两者对系统计算能力的要求不同。对于已经存在大量现实环境信息的增强现实技术而言，计算机不必花费大量精力去计算现实中已经存在的信息来构建环境，它只需要计算配准并将虚拟物体或信息显示在合适的位置上即可。与之不同，虚拟现实系统则需要构建完整的虚拟环境场景并进行相应的数据计算，故其对系统的计算能力要求较高。

3 大型化工设备安全生产实景培训方法设计

3.1 总体设计思路

首先，需要根据大型化工设备的培训特点与要求，梳理知识点并构建设备知识库及其管理系统，设备知识库用于存储大型化工设备的图纸、技术参数、操作规程以及剖析模型、原理模型、考核试题等信息内容，培训管理系统则包括路线巡检、考核评分、操作指导等功能模块；然后，将培训知识点按设备部位进行分类并在每一个标记卡上匹配一个或多个知识点；最后，将标记卡放置于设备的相应部位。

受训人员佩戴防爆便携式设备(微处理系统、光学透视式头盔显示器、数据手套等)在设备现场进行观察，当行至标记卡所在位置时，摄像头自动捕获标记信息并将其传输给识别系统进行识别。识别系统匹配出与标记卡相对应的各类信息，如剖析及工作原理模型、基础数据、操作注意事项以及DCS实时数据等，再由图形处理系统以虚拟模型或文字的方式将之渲染于标记卡摆放位置。最后，视频合并及显示系统将虚拟对象与真实环境融为一体并显示出来，从而为受训人员提供一个感官效果真实的全新学习环境。

受训人员在现场感受真实环境并学习虚拟化信息的同时，也可以进行一定的交互式操作来加深学习成果、提高学习效率。同时，受训人员在设备现场的观察路径由设备培训管理系统进行引导，以便受训人员能够进行全面而高效的学习。大型化工设备培训管理系统在培训过程中，能够从知识库中随机抽取试题对受训人员进行考核，考核以选择文本或交互操作的虚拟化方式进行，培训结束后，管理系统根据考核情况对受训人员进行综合评分。

3.2 系统组成与结构

大型化工设备安全生产实景培训系统由5部分组成，如图1所示。

图1 系统总体框架结构

3.2.1微处理系统

微处理系统内配置相应软件系统，包括标记卡识别与匹配系统、图形绘制系统、设备知识库以及培训管理系统。

3.2.2头盔显示器(S-HMD)

头盔显示系统[10,11]由摄像机、显示器、合并器(反光镜)3个部分组成。摄像机用于捕获标记卡并将其传输给识别系统，显示器用于接收由图形绘制系统渲染的虚拟场景(模型、数据)并将其投影到合并器上，合并器则一边将显示器的影像反射到使用者的眼中，一边让周围真实环境中的光线照射进来，从而在使用者视野中呈现虚实结合的生动影像。

3.2.3数据手套

用于受训人员在虚拟场景中进行交互操作，图形绘制系统(三维引擎)负责采集数据手套的数据，计算手部关节的位置和姿态，再用计算得出的位置和姿态数据驱动并完成相应的操作动作。

3.2.4标记卡

现场标记卡与设备知识库中的知识点相互匹配，放置于对应知识点的现场实际位置上，其上绘制有醒目的标记图案，用于摄像机快速捕获并由识别系统进行准确识别。针对石化企业的生产特点，标记卡需符合防爆、防腐、防静电的要求。

3.2.5无线传输系统

无线传输系统用于接收远端数据，当其接收匹配信息后，将检索出的DCS数据传输到图形绘制系统中，再由图形绘制系统绘制在真实场景中的相应位置上。

3.3 系统工作流程

大型化工设备安全生产实景培训系统的工作流程如图2所示，流程从用户佩戴增强现实设备开始，受训人员不断行走并通过合并器观察并感受现场真实环境，当遇到标记卡，则由摄像头进行捕获并经识别、检索等处理过程，再由显示器将标记卡匹配的虚拟场景投射到合并器上，与透过合并器传入人眼的真实场景共同组成虚实结合的全新场景。之后，系统进行是否考核与知识点是否全部学完的判断，如果还存在没有学习的知识点，则继续在设备现场行走与观察，以再次捕获标记卡，否则则结束本次培训。

4 结语

本文对增强现实技术在大型化工设备安全生产培训中的应用进行了初步探讨，虽然增强现实本身及其在石化领域的应用还有很多需要研究的问题，如石化装置复杂环境下标记卡的快速识别、增强现实设备在实际生产环境下的便携化与防爆处理等，但随着增强现实技术、高效图像识别技术、网络技术以及单片机技术的快速发展，大型化工设备的安全生产培训一定会朝着智能化、人性化、自然化的方向上发展。

图2 大型化工设备安全生产实景培训系统工作流程

[1] 巫影. 虚拟现实技术综述[J].计算机与数字工程, 2002, 30(3): 41-44.

[2] 汪成为,高文,王行仁.灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M].北京：清华大学出版社,1996.

[3] 曾建超,徐光佑.虚拟现实技术及其发展战略[J].电子学报,1995(10):57-58.

[4] D Mark.Ergonomic considerations in launch design and process sing for operational efficiency[R].proceeding of 31st international space congress,Florida, U.S.A,1994-4,7:35-41.

[5] Tom caudell.AR at boeing(1990)[EB/OL].http://www.ipo.tue.nl/homepages/mrauterb/presentation/HCI-history /tsld096.htm.

[6] 周昕,庄越挺,肖俊.增强现实技术的发展和应用[M].上海:上海交通大学出版社.2007:166-172.

[7] Milgram P,Kishino,F.A taxonomy of mixed reality visual displays[R].IEICE Transactions on Information Systems 1994.

[8] 陆宽.计算机视觉与增强现实技术的研究[D].北京:北方交通大学,2001.

[9] 朱淼良,姚远,蒋云良.增强现实综述[J].中国图象图形学报,2004,9(7):767-774.

[10] 郭天太,王引童.虚拟现实技术与增强现实技术[J].机械制造,2003,41(466):7-9.

[11] 齐越,马红妹.增强现实:特点、关键技术和应用[J].小型微型计算机系统,2004,25(5):900-903.

ResearchontheMethodaboutOn-siteTrainingofSafetyProductionfortheLargePetrochemicalEquipmentBasedonAugmentedReality

Liu Gang1, Li Lei1,2, Wang Zhiqiang1,Wang Chun1,Li Zhilin1

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao 266071 2.SAWS National Registration Center for Chemicals, Shandong, Qingdao 266071)

This paper analyzes the current situation and the existing problems of safety training for large chemical equipment, and discusses the on-site training method for safety production of large chemical equipment based on augmented reality technology. In the method, augmented reality technology is introduced into the training of safety production of large chemical equipment, and the virtual model or information is superimposed on the key parts of the equipment in the real environment, so that the trainees can carry out interactive, analysis, real-time, efficient and integrated training in the real environment of the equipment.

augmented reality; large chemical equipment; safety production; on-site training

2016-10-31

刘刚，工程师，硕士研究生,2006年毕业于山东科技大学计算机应用专业，现主要从事HSE数字化、虚拟现实与仿真等工作。