射线照相检测及质量评定虚拟仿真实验系统开发*

张鹏林,赵志强

(1.兰州理工大学 材料科学与工程学院，甘肃 兰州730050; 2.甘肃建筑职业技术学院,甘肃 兰州 730050)

0 引 言

虚拟仿真实验运用虚拟现实技术、数字交互技术、网络通信与数据库技术等信息技术构建逼真的虚拟实验空间和实验对象，还原和再现真实情境下实验操作过程与实验现象，解决了部分高危险、高成本、高消耗、大型综合类实验实训项目中不易开展的难题，有效拓展了实验教学内容的深度和广度，延伸了实验教学的时间和空间，成为实验教学信息化改革的重要内容[1]。教育部《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》中明确提出，虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物，是实验教学方式的重要补充[2]。

作为五大常规检测之一的射线技术，自射线被德国科学家伦琴发现后就一直在工业生产中对保证产品质量起到了至关重要的作用。射线照相检测的本质是根据被检构件及其内部不同缺陷介质对射线的衰减程度不同，造成透过工件后的强度存在差异，使不同缺陷在射线底片上呈现不同的形态，其原理如图1所示。射线照相检测缺陷检出率高、定性定量准确、检测结果有直接记录，在众多行业领域广泛使用[5]。无损检测课程中射线照相检测实验是重要训练项目，但由于射线可与生物组织发生生化效应，防护不力会对人体造成伤害[6]。所以，射线实验必须要有完善的防护条件，实验场地必须通过辐射环境影响评价，并取得辐射工作许可证才能开展辐射研究与实验工作。射线照相检测暗室处理需要显影液、停影液和定影液等化学药品，会产生一定的实验废液，后期处理不当可能造成环境污染。

图1 射线照相检测原理图

鉴于以上原因，开发了射线检测与质量评定虚拟仿真实验系统(以下简称射线仿真系统)。系统通过虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和仿真软件等技术，对射线检测及质量评定的全过程进行数字化重构，构建高度仿真的虚拟实验环境、实验对象和实验任务, 实现虚实结合，可全方位模拟射线照相检测的工作环境、检测步骤和工艺要点，让学习者在无设备操作安全隐患、无射线辐射风险、无化学废液产生的环境下系统、全面、精准地学习射线检测知识。此系统适用于《焊接检验》及《无损检测》等课程教学，符合工程教育认证标准中可持续发展的要求，对培养和提升学生专业素质、创新能力、研究能力等具有重要的实际意义。

1 系统基本构架

射线检测仿真系统是基于DPSP平台开发的计算机虚拟仿真实验教学系统，是集实验资源浏览、仿真实验操作以及在线学习等于一体的信息化计算机虚拟仿真实验学习和操作管理平台；打破传统的以课堂以教师讲授为中心的教学模式，学生可以随时随地通过计算机网络进行学习。教师可通过仿真系统管理平台组织学生进行虚拟操作测试及基础理论测试考试来考核学生的学习效果；学生可以通过虚拟仿真平台与老师进行互动，反馈学习过程中遇到的问题、分享学习和实验操作经验、完成课程学习笔记、最终参加虚拟课程考试；教师和学生通过计算机网络可方便地进行资源共享和仿真实验操作，实现学生与成绩的统一管理，使实验教学工作网络化、数字化以及信息化。系统构架如图2所示。

图2 系统构架

2 射线检测仿真教学平台开发

射线检测及质量评定虚拟仿真实验平台以射线仿真系统为基础(以下简称射线仿真教学平台)，是采用B/S架构进行设计开发，根据面向用户角色的不同，分为以下三个子系统进行设计，即通过学院网站登录平台后，系统会自动进入学生用户子系统、教师用户子系统和实验管理用户子系统。实验平台应用虚拟仿真技术呈现了射线检测及质量评定的全过程，核心功能包括射线检测工艺参数制定、射线透照、暗室处理、缺陷识别及检测报告等。

2.1 系统开发目的

通过引入射线检测仿真教学平台，在理论教学和技能实训之间搭建一个关键性的“纽带”，有效破解高校射线检测理论教学与技能实训难以有效融合的难题，提升射线检测实验相关知识学习、实践技能训练、教学组织管理的效果、效率和效益，优化学生的学习体验。射线检测仿真教学平台聚合了教授、学习、操作、考试、管理和评价等功能，可提供完备的教学功能，学生可通过仿真实验平台进行实验预约、仿真实训的练习及考核、最后提交仿真实验报告等，实现虚拟仿真实验过程的“闭环控制”和学生学习效果的“形成性评价”。

2.2 系统功能实现

(1) 教师可通过射线检测与质量评定仿真实验平台进行相关理论教学，同时在仿真实验平台上传相关数字化的教学资料如微课、视频及相关文献等，学生在课前通过仿真实验平台进行理论知识的预习。教师可对仿真实验平台进行相关设置，例如“通过式机制”，学生只有进行理论知识自测并通过后，系统才“认可”其已掌握相关实验理论，方可进入后续环节的学习和实验。

(2) 学生通过仿真实验平台在计算机上下载安装射线检测虚拟仿真实验软件，然后通过仿真实验平台启动本地计算机的射线检测虚拟仿真软件，学生在仿真实验平台可选择新手上路对实验目的和软件操作方式等进行预习。射线检测虚拟仿真软件可以模拟真实的实验环境、实验任务、实验设备以及实验流程等，让学生直观体验射线检测与质量评定全过程。

(3) 教师通过仿真实验平台可查看学生虚拟仿真实训成绩及各步骤得分情况，并对学生输出的实验报告进行审核，反馈实训结构和指导意见。当评价为合格，学生将有机会进行实物实训演练(特别是将虚拟仿真试验作为实物实训前置程序时)，也可用于无损检测资格认证考试工作，从各方面都显著提高了实物实训的安全性、有效性和可靠性。

(4) 实物实验组织管理。如果条件允许，学生可进行真实的射线检测与质量评定实验。首先通过实验实训平台记录实验计划、过程和结果的表单、视频和照片等过程及结果信息。学生通过发展实验平台提交的实验报告，教师可在仿真实验平台进行实验报告的审阅和批改，很大程度上解决了纯实物实验容易发生的参数、过程和结果跟踪记录不确切、不及时及不完整等问题，对线下实验实训起到很好的计划、监督、管理以及存档的控制作用，使实物实训更便捷、安全和有效。

2.3 系统实施的效果

通过“理论、虚拟和现实”一体化教学方式，保证了学生操作的正确性和规范性，提高了实验的可靠性与有效性，弥补了实验教学在资源、设备以及流程等方面存在的不足。

学生通过动画和VR的学习，能够根据所选择的焊接试板(材质、厚度及焊接缺陷等)，制定正确的射线检测工艺参数并进行模拟曝光；能够配制显影液、停影液和定影液，并进行暗室处理过程获得合格的射线检测底片；通过观察检测底片，能够发现焊缝中的缺陷并可对缺陷进行定位、定量及定性，根据拟给定的检测标准(NB/T47013-2015)进行质量评定，并出具合格的检测报告。

2.4 系统主要操作步骤

此射线虚拟仿真实验系统操作步骤如下：①选定被检工件，根据透照厚度选择检测参数(包括焦距、管电压、管电流和曝光时间等)；②根据选择的曝光参数，对射线机进行训机；③选择胶片系统(包括胶片类型、增感屏规格)，模拟暗室环境，将胶片系统装入暗袋内；④在暗袋外布置相关标记(包括产品编号、焊缝编号、检测人员代号、检测日期、底片编号、中心标记和搭接标记等)；⑤将暗袋放置在底部铅屏蔽板上，暗袋中心对准射线窗口中心，然后将待检试件放置在暗袋上，并将像质计放置在待检试件上方规定的位置；⑥将射线机高度调节为所选择的焦距；⑦在射线机控制面板上设置曝光时间、管电压和管电流等曝光参数；⑧按压高压按钮启动射线机进行曝光；⑨配制显影液、停影液和定影液；暗室处理(在暗室中对已曝光的胶片进行显影、停影和定影处理)，获得射线检测的底片；用光学密度计测定底片黑度，排除伪缺陷，根据像质计显示情况判断灵敏度；底片质量评定，在虚拟观片灯下评定底片，判定有无缺陷、何种缺陷、缺陷位置及大小等；根据第12步的结果，对照检测标准，出具检测报告或返修报告。主要操作步骤如图3所示。

图3 虚拟仿真系统操作步骤

3 系统特色

按照“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，在射线检测实验教学环节中引入虚拟仿真实验系统并建立射线检测虚拟实验室，使其成为传统射线检测实验的有益补充。实体实验教学和虚拟实验教学的结合，极大地丰富了理论和实验教学的手段，可激发学生的学习兴趣，取得较好的教学效果。此系统主要特色有：①实训内容丰富，完整囊括了模拟射线检测和质量评定的全流程；②安全系数更高，规避射线辐射风险，符合环评要求；③实训成本更低，无需购买昂贵的射线检测设备及实验室建设防护设备；④互动氛围更强，实验互动程度高，教学效果好；⑤项目绿色环保，无化学废液产生，绿色环保。

4 结 语

此次研究开发的“射线照相检测及质量评定虚拟仿真”系统，可作为实物实验预习、监督和管理平台，也可代替射线照相检测及质量评定实物实验，成为无损检测理实一体化教学的一项能力拓展项目，使学生在无射线辐射风险的环境下学习无损检测知识，学会射线照相检测的基本原理、操作流程、评片技能，了解如何出具合格的检测报告。通过虚拟实验，使学生对射线检测的原理理解更加深刻；学生掌握射线照相检测实验的全过程(包括曝光参数的制定，胶片系统的选择，标记带的使用，像质计的选择与摆放，射线机的操作，显影液、定影液的配制及暗室处理)；学生能够进行射线照相检测质量评定，并出具检测报告。