基本信息
- 项目名称：
- 基于虚拟现实技术的机械装备交互式培训系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 机械装备通常投入运行后才可以实际操作。使用实物、模型、视频、PPT讲解等培训方式都难以进行操控培训。 本作品中建立了机械装备仿真运行环境,通过仿真操作面板，实现了虚拟样机的可操控性、现场运行仿真性和机械装备内部可见性,针对机械装备结构、操作、安全、维护等各方面内容进行培训指导，解决了企业岗前培训、生产培训等方面的困难，其核心技术已应用于隧道股份公司的盾构机虚拟培训系统中，达到预期效果。
- 详细介绍：
- 随着机械装备越来越复杂化与智能化，目前装备制造和应用培训涉及到了生产人员、安装调试人员、售后服务人员和用户等各类人员的培训。机械装备（例如盾构机，核电站等设备）通常投入运行后才可以实际操作，且内部不可见。使用实物、模型、视频、PPT讲解等培训方式都难以进行实际生产环境下机械装备操作并缺少实时了解运转状况的互动性。 针对以上需求，本作品使用装备实际运行控制信号驱动的三维可视化虚拟样机，通过仿真操作面板来操控，实现了模拟装备真实运行环境；采用虚机实电（通过实际的电路逻辑系统控制虚拟样机运行）的培训方式和“教-学-考”的培训模式，通过仿真操作面板，实现了虚拟样机的可操控性、现场运行的仿真性和机械装备内部可见性，针对机械装备结构、安全、维护等各个方面内容进行培训指导，解决了企业岗前培训、生产培训方面的困难。 在分析盾构机结构和操作等方面复杂性特点的基础上，采用本作品的核心技术构建了盾构机虚拟培训系统，该系统已交付隧道股份公司试运行，且运行效果良好。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的： 为解决实际生产环境机械装备的难以进行操控训练问题，本作品中通过仿真操作面板操控虚拟样机，实现模拟装备真实运行环境；采用虚机实电培训方式和“教-学-考”的培训模式，实现了机械装备操控性、现场运行仿真性和装备内部可见性；通过机械装备结构原理、安全运行、日常维护等各方面培训指导，解决了企业岗前培训、生产维护培训方面的困难。 基本思路： 本作品构建了虚机实电培训方式和“教-学-考”的培训模式，经系统开发和扩展可构建一套完整的机械装备交互式培训系统。首先机械装备虚拟样机及其虚拟工作场景；其次设计培训系统的培训模块；最后实现虚实联动。 本作品的创新点主要有： 1）仿真操作：通过对仿真面板操作实现对虚拟样机的控制，使培训过程有实际操作感。 2）虚实联动 ：根据机械装备的实际运行状况及电路逻辑系统对虚拟样机进行控制。 3）故障模拟：根据机械装备实际可能产生的故障，以文字、图片、交互式动画等形式模拟故障现象和解决方法。 关键技术： 1.可控虚拟样机的构建：静态样机、动态样机、可控样机 2.通用CAD转换接口的建立 3.系统虚实联动性的实现 主要技术指标 1.培训形式的先进性 2.培训内容的完整性 3.培训手段的多样性 4.培训系统支持单屏或多屏显示 5.CAD转换接口通用性 6.虚拟装备与实际装备响应时间差不大于0.5S。 7.在普通计算机配置下，采用模型的动态导入技术，使得模型加载速度小于0.9S。
科学性、先进性
- 1.虚机实电的培训方式：本作品在实物、模型、视频、PPT讲解等培训方式的基础上，首创虚机实电的培训方式，实现了模拟真实机械装备操作和实时了解运转状况的互动性。 2.通用的CAD转换接口：克服了CAD软件模型转换的不可兼容性，统一模型格式及CAD转换接口。 3.仿真操作面板：根据实际操作面板中控制元件的结构、位置，1:1构建仿真操作面板，实现了真实操作面板的功能、提高了仿真操作面板的真实度。 4.对虚拟样机的实时控制：通过采集机械装备实时运行数据，驱动虚拟样机的运动，并减小了虚实样机的延迟时间，开创了培训的新纪元。 5.多屏幕显示：本作品开发的虚拟培训系统可采用操作控制屏和虚拟场景屏等多屏同步与互动，解决了实物、视频等培训时操作控制和现场反应不能同时观察的问题。 6．通用的功能架构及开发流程：分析机械装备的共性，针对根据机械装备的结构复杂、状态繁多的特点及培训的系统性、直观性、交互性等实际需求，设计了适合于不同机械装备交互式虚拟培训的系统总体的功能架构和开发流程。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 本作品可展示的形式有：实物、产品 、现场演示、图片、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点及优势 采用虚机实电培训方式和“教-学-考”培训模式，实现虚拟培训系统的快速搭建。虚拟场景的生成和控制，增加培训过程真实感。构建的虚拟培训系统解决了机械装备复杂化、工位多元化及人员流动性等所造成的问题。其构建的虚拟培训系统无论是在培训内容设置、地点选择、时间安排、培训过程安全还是在培训效果及易掌握度上都有着显著的优越性。 适应范围及前景 其核心技术不仅可通用于某一机械装备的设计制造、安装调试、运行操作和售后服务等各阶段的虚拟培训中，而且适用于输变电设备、井下开采设备等各种虚拟培训中。现已在一些大型专用机械装备或对安全性要求较高的机械装备中得到了应用如：盾构、喷印机、电梯等。 市场分析和效益预测 适用于生产、安装调试、售后服务人员和用户等各类人员的培训，减少了人才的流失，节省企业培训经费。通过模拟实际操作的交换功能实现，缩减了人员培训的周期，提高了培训人员的综合素质。 此外作品中的核心技术不仅可以加快虚拟培训系统的搭建，更可促进培训事业的发展。
同类课题研究水平概述
- 随着科技的发展，用于培训的方式也越来越多样化，既有灌输式传统教科书培训又有丰富的多媒体教学培训，传统的培训，限制了时间，地点等，很多约束条件将限制学员的学习、教学服务时间有限，优秀资源很难共享,信息量少、成本高昂，这种成本不但是学员的成本，还包括培训机构的成本、培训效果难于评估和有效的跟踪。多媒体培训，顾名思义就是利用计算机媒体技术对文字、图像、声音、影像等多种信息进行综合处理和控制，从而形成一种全新的教学形式。其虽然形式丰富但缺乏互动性和学员的自主参与性。 虚拟培训技术是在虚拟制造技术的基础上发展起来的，它针对虚拟制造技术实现的产品设计、工艺规划、装配调试、生产制造和调度管理等应用领域，利用其虚拟性、集成性和可交互性等特点，结合高级语言的软件开发，可面向不同人群展开培训。 虚拟培训伴随着计算机技术的快速发展，应用范围正在逐步扩大，渐渐投入到各个领域的培训中，成为一个新兴的应用领域。而在虚拟培训刚刚起步的初期，开发一个虚拟培训系统，因其渲染虚拟场景对计算机性能要求较高，而当时计算机技术还不发达，主流平台只有工作站。但因为软件和硬件价格昂贵且兼容性较差，大多数人还是无法接受。到20世纪90年代后期PC机逐渐普及，使用PC机为平台终于使虚拟培训得到了发展机会，开发出了一些非常优秀的产品。同时，用于PC机的虚拟现实开发工具也在飞速发展，如WTK，Vega等，为了实现与PC平台上的交互，头盔、三维鼠标、数据手套、空间球等工具也问世了。这大大拓宽了虚拟培训技术开发平台的范围。但价格极其昂贵，不具有推广性。 利用虚拟培训技术培训员工已逐渐成为一种流行趋势。如美国Nabisco食品公司、Equipmentola公司、北方电信公司训练员工熟悉环境并操作那些复杂且不能出错的设备就是采用的虚拟培训方式，结果不仅使员工的学习兴趣与效率大大提高，新手上线的失误率也大幅降低了。除此之外，虚拟培训方式还能降低培训成本，英特尔公司开发的虚拟库房员工培训程序，每年节省的培训成本可达50万美元。
