模拟仿真技术在轧钢教学应用中的探索

张 旭

（新疆工业职业技术学院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

随着冶金行业的技术升级，对技术技能人才的需求越来越大。如何让学生既具有扎实的专业技能知识，又具备很强的操作能力，同时这些技能可与企业生产实际相贴合，达到毕业后短时间内即可上岗的目的，成为冶金相关企业对轧钢教学的新要求。模拟仿真技术的出现，使生产场景、生产操作真实再现，极大地满足了现代教育和技术技能培训的要求。

1 模拟仿真技术在各领域的应用

模拟仿真技术是利用计算机技术，利用真实的设备模型或生产过程模型，对外形、视觉感受、实际操作进行仿真，以达到项目训练或生产认知的目的。同时，结合能进行视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等多重感知的模拟现实系统，体验者可使自己沉浸于模拟环境中，并与模拟环境中的物体互动，获得身临其境的体验。最近几年，在此基础之上，又发展出了增强现实技术，该技术可对体验者的位置、动作等进行跟踪和收集，进而传输到计算机中进行分析，之后再返回至体验者身上，达到模拟和现实完全融合的真实体验。以上技术目前已应用于教育教学、军事训练、城市规划、生物医学、互动娱乐等方面，具有良好的经济效益和社会效益。模拟仿真技术目前还被广泛应用于科学研究中，其技术和相关产品已在产品开发、性能研究、功能测试、外形设计、使用维护、教育培训等领域发挥了巨大作用。我国在模拟仿真技术方面的研究已经越来越深入，随着进一步的发展，该技术的应用必将越来越广泛。

随着技术的发展和成熟，模拟仿真技术已经覆盖了社会各个方面，极大地推动了这些领域的技术发展和革新，也为其注入了新的能量。比较具有代表性的有以下几个领域：

1.1 教育培训领域

模拟仿真技术近些年在教育培训领域发展迅速，并起到了非常好的效果。模拟仿真将传统的实训设备、教师课堂教学以及学生实际操作结合到了一起，将书本内容变得具有可操作性，将工厂的大型设备搬到了普通的实训室，使学生在模拟中学习，学习效率得到显著提升。随着高等院校，尤其是职业院校对学生技能培养的要求进一步提高，模拟仿真实训教学越来越受到青睐，并由此延伸出配合模拟仿真教学培训的新的教学方法、教学手段，甚至更新了教学内容。使得原来枯燥乏味的课本知识变得生动有趣，在提高学生学习兴趣的同时，也让学生更加容易理解知识，操作技能也得到了提升。

1.2 交通运输领域

交通运输是一个极其复杂的系统，它是由道路、环境、车以及人等方面组成，任何一方面的改变，都有可能引发一项事故。因此在评价交通安全的时候，必须要充分考虑到道路、环境、车以及人等各方面的作用和影响。模拟仿真技术的介入，为交通安全评价提供了一个可靠的方法。通过设计和模拟一定交通路段内的车、物、环境，预测多种结果的出现并评测出现的概率，然后以旁观者的角度来进行结果分析，进而得出较为准确的风险评估。

1.3 制造业领域

制造业技术的革新和提升需要大量的试验数据做基础，这些大量数据的获得需要耗费非常多的人力和财力，这也是很多制造业企业的实际难题。随着模拟仿真技术的出现，这些数据的获得都可以在模拟的环境中实现，并且仿真数据可以做到与实际数据的高度吻合，大大降低了试验的难度和成本。

2 轧钢教学中的难题

2.1 传统教学多以讲授为主，实操训练较少

一直以来，课堂授课始终是教育教学的主要方式。传统的课堂授课，其方法较为单一，通常为教师讲，学生被动的听，学生学习兴趣较低，甚至产生抵触、厌学的心理。如此，学生不能主动去学习，只是在被动接受知识，学生不爱学，教学效果将收到很大影响。尤其作为职业教育来说，传统教学方式在技能学习方面效果差，学生必须要去实操训练，真正上手或处于仿真环境中，才能培养学生适应工作岗位的能力。

2.2 专业知识难理解

轧钢专业是冶金类专业之一，冶金专业具有专业性强、知识与现场结合度高的特点，因此相关课程较抽象，而且课本大多是理论知识的讲解，与实际生产结合不紧密，学生很难理解领会，将相关知识进行熟练应用的难度更高。

2.3 实训操作难实现

现代教育尤其是职业教育，对学生操作技能的要求越来越高，而像轧钢课程的实操现场都是大型化的生产现场，将这些大型设备搬到学校实训室难度大，也不可能让学生长时间在现场实操练习，不利于学生实操技能的学习。

2.4 职工培训效果差

职工培训也是企业发展的必要条件之一，现在企业对职工的再教育越来越重视，企业希望通过培训，能提高职工的理论水平及操作能力。但目前的职工培训大多只进行理论教学，而忽略了技能的提升，这与企业的期望有所偏差。

3 仿真模拟系统在轧钢教学中的具体应用

将模拟仿真系统应用于轧钢教学中，通过模拟真实的工作场景，将学生和员工置于模拟场景中，以获得更多实用、扎实的实践技能。

3.1 软硬件结合仿真

使用计算机软件三维成像技术与硬件技术相结合的实训设备，相对于传统的实训设备，其成本更低，使用起来也更加灵活；而与纯计算机实训软件相比，其又具有直观、操作性强的特点。除此之外，软硬件结合的实训设备，还很好地解决了建设经费、实训场地不足等方面的难题，因此已逐渐成为高等院校和企业进行教学、实训、培训的首选。

轧制模拟实训系统采用计算机软件三维成像技术与硬件技术相结合，打造类似于轧机的模拟工作环境，让学员和企业员工快速熟悉轧机的运行和工作环境。在模拟环境中提高技能、学会工艺，解决传统教学无法在现实中操作的困难。

3.2 结合轧钢工艺模型

模拟仿真技术很重要的一个特点就是可以进行定制化设计，相关软件在进行开发时可根据用户的需要对实物进行等比例还原，使得模拟场景更加真实。

模拟轧钢系统结合实际轧钢机械，根据实际机械制作模拟数学三维模型，根据真实机械的动作做出模拟模型动作，以达到真实场景的再现。

3.3 设置考核评分系统

以课堂教学和分段绩效考核为主要内容，评价轧钢模拟仿真系统在学生教学和员工培训中的效果。利用模拟技术提高常规评价的效率和准确性，也可以结合实际情况，实施多重评价，改善和提升学生及员工的学习效果。

4 意义

4.1 解决钢铁企业生产设备操作人员的培训问题

轧钢工艺相对于其他冶金工艺来说较为复杂，近些年来，虽然轧制操作的自动化程度有所提高，但是人工操作仍占据重要位置。因此，轧钢一线操作工的技术水平将直接影响钢铁轧制的效率以及轧钢产品的质量。目前技术工人的培训依旧延续着传统的传、帮、带的方式，即有经验的操作工现场对新工人进行边操作演示边培训。随着对产品质量的要求越来越高，这种培训方式的弊端也越来越明显。首先，这种培训方式的周期长，钢铁轧制是实际生产中节奏非常快，新工人很难通过几次展示就学会弄懂，而是需要多次观察、上手操作后，才能真正掌握技术要领。其次，这种培训方式易造成经济损失，新工人在学习或有经验工人在展示的过程中，会有一些因失误或教学展示而形成的废料，如此便出现了经济损失。因此，一个不影响工业生产，同时还能让新工人快速上手操作学习的培训方式，称为众多冶金企业的期盼。

针对上面的情况，基于模拟现实技术的轧钢仿真模拟训练系统应运而生。主要思想是利用模拟现实技术，以计算机图形显示技术为核心，在计算机中生成栩栩如生的模拟环境，让用户通过必要的硬件设备与模拟环境中的物体自然交互，相互影响，产生身临其境的感觉和经验。轧钢操作员被放置在真实的模拟轧制生产环境中，通过向操作台发送各种控制信号，在模拟环境中连续改变钢板的轧制状态，然后通过眼睛观察轧制状态及相应的运行效果，以此来实现交互式实时控制。在不影响实际生产的前提下，达到了培训轧钢操作工轧制协调性和准确性的目的，大大缩短了培训周期，弥补了原有在线培训的局限性。

4.2 模拟轧钢系统是解决轧钢操作人员培训的重要手段

从事钢铁行业的企业必须加强对员工的培训，以期在提高生产效率的同时，避免安全事故的发生。然而，传统的培训方式不仅成本高昂，而且效果差，员工也感觉枯燥，这让企业陷入了两难的境地。模拟轧钢培训和模拟操作系统以模拟方式培训人员，解决了钢铁行业员工培训问题。通常由于设备、空间和资金等硬件限制，许多现场培训无法开展。借助模拟轧钢系统，学生足不出户即可进行各种操作，获得与真实轧钢一样的体验。在保证教学效果的前提下，成本得到了显著降低。除此之外，在现实操作中，一些实验具有一定的危险性，学生进行操作时存在安全隐患，但如果利用模拟仿真技术进行模拟操作，将会彻底解决这个问题。同时，相较于传统实训设备，模拟设备的更新更加简单和低成本，教学内容也可以及时更新，使其跟上现实技术的发展。

4.3 培训新方法推动创新革命

长期以来，轧钢工的培训和考核大多采用面授教学、纸质考试的方式进行，教学方式简单，纯理论的教学知识晦涩难懂，培训效果差。同时，因缺乏实操训练，使得操作技能有所欠缺，对轧钢设备的结构不甚清楚，缺乏处理设备故障和应对紧急情况的能力。

模拟轧钢系统提出了基于三维设计平台的产品快速创新设计理论体系。在三维平台上，实现了操作人员对过程自动化的理解和操作，以及设备维护与故障排除的实践，使其能够在模拟样机层面，对过程操作和设备维护技术进行评估，优化筛选，大大提高了工作效率。

4.4 推动行业培训再上新台阶

模拟仿真技术目前已经是企业和高校的新方向、新主题，其将有效提升这些企业和高校的综合竞争力，并大大促进企业职工技术的进步、学校学生技能的提高。跟发达国家相比，模拟仿真培训在我国的起步比较晚，起点较高，模拟仿真将成为企业和学校培训的新模式，高校和企业开始逐步向数字化以及网络化方向转变。

企业和学校正面临向数字化和网络化的重大转变。模拟仿真技术将前沿科技与传统的工艺生产相结合，不断拉动经济增长，为金融投资、社会就业和企业发展带来巨大商机。模拟仿真系统的实现是企业和院校实现新型培养模式的条件，有利于实现高校和企业的高质量跨越式发展。模拟仿真培训系统将为企业和高校的培训带来新的发展机遇。

5 结语

总而言之，人工智能技术的出现促进了教育行业的智能浪潮，未来的教育和培训行业将继续通过新技术进行创新，教育培训的效率和规模将大大提高，优质教育资源的可获得性将增加，这将重新定义我国的教育培训形式。仿真技术作为一种新型的教学模式，可以在学习过程中结合“教、学、练、评、测”五个环节，利用其图像、语音等识别功能，分析问题，提高学生的自主学习能力，增强学习兴趣，提高学习效率。