基本信息
- 項目名稱：
- 基于虛擬現(xiàn)實技術的機械裝備交互式培訓系統(tǒng)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 機械裝備通常投入運行后才可以實際操作。使用實物、模型、視頻、PPT講解等培訓方式都難以進行操控培訓。 本作品中建立了機械裝備仿真運行環(huán)境,通過仿真操作面板，實現(xiàn)了虛擬樣機的可操控性、現(xiàn)場運行仿真性和機械裝備內(nèi)部可見性,針對機械裝備結(jié)構(gòu)、操作、安全、維護等各方面內(nèi)容進行培訓指導，解決了企業(yè)崗前培訓、生產(chǎn)培訓等方面的困難，其核心技術已應用于隧道股份公司的盾構(gòu)機虛擬培訓系統(tǒng)中，達到預期效果。
- 詳細介紹：
- 隨著機械裝備越來越復雜化與智能化，目前裝備制造和應用培訓涉及到了生產(chǎn)人員、安裝調(diào)試人員、售后服務人員和用戶等各類人員的培訓。機械裝備（例如盾構(gòu)機，核電站等設備）通常投入運行后才可以實際操作，且內(nèi)部不可見。使用實物、模型、視頻、PPT講解等培訓方式都難以進行實際生產(chǎn)環(huán)境下機械裝備操作并缺少實時了解運轉(zhuǎn)狀況的互動性。 針對以上需求，本作品使用裝備實際運行控制信號驅(qū)動的三維可視化虛擬樣機，通過仿真操作面板來操控，實現(xiàn)了模擬裝備真實運行環(huán)境；采用虛機實電（通過實際的電路邏輯系統(tǒng)控制虛擬樣機運行）的培訓方式和“教-學-考”的培訓模式，通過仿真操作面板，實現(xiàn)了虛擬樣機的可操控性、現(xiàn)場運行的仿真性和機械裝備內(nèi)部可見性，針對機械裝備結(jié)構(gòu)、安全、維護等各個方面內(nèi)容進行培訓指導，解決了企業(yè)崗前培訓、生產(chǎn)培訓方面的困難。 在分析盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)和操作等方面復雜性特點的基礎上，采用本作品的核心技術構(gòu)建了盾構(gòu)機虛擬培訓系統(tǒng)，該系統(tǒng)已交付隧道股份公司試運行，且運行效果良好。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 設計目的： 為解決實際生產(chǎn)環(huán)境機械裝備的難以進行操控訓練問題，本作品中通過仿真操作面板操控虛擬樣機，實現(xiàn)模擬裝備真實運行環(huán)境；采用虛機實電培訓方式和“教-學-考”的培訓模式，實現(xiàn)了機械裝備操控性、現(xiàn)場運行仿真性和裝備內(nèi)部可見性；通過機械裝備結(jié)構(gòu)原理、安全運行、日常維護等各方面培訓指導，解決了企業(yè)崗前培訓、生產(chǎn)維護培訓方面的困難。 基本思路： 本作品構(gòu)建了虛機實電培訓方式和“教-學-考”的培訓模式，經(jīng)系統(tǒng)開發(fā)和擴展可構(gòu)建一套完整的機械裝備交互式培訓系統(tǒng)。首先機械裝備虛擬樣機及其虛擬工作場景；其次設計培訓系統(tǒng)的培訓模塊；最后實現(xiàn)虛實聯(lián)動。 本作品的創(chuàng)新點主要有： 1）仿真操作：通過對仿真面板操作實現(xiàn)對虛擬樣機的控制，使培訓過程有實際操作感。 2）虛實聯(lián)動 ：根據(jù)機械裝備的實際運行狀況及電路邏輯系統(tǒng)對虛擬樣機進行控制。 3）故障模擬：根據(jù)機械裝備實際可能產(chǎn)生的故障，以文字、圖片、交互式動畫等形式模擬故障現(xiàn)象和解決方法。 關鍵技術： 1.可控虛擬樣機的構(gòu)建：靜態(tài)樣機、動態(tài)樣機、可控樣機 2.通用CAD轉(zhuǎn)換接口的建立 3.系統(tǒng)虛實聯(lián)動性的實現(xiàn) 主要技術指標 1.培訓形式的先進性 2.培訓內(nèi)容的完整性 3.培訓手段的多樣性 4.培訓系統(tǒng)支持單屏或多屏顯示 5.CAD轉(zhuǎn)換接口通用性 6.虛擬裝備與實際裝備響應時間差不大于0.5S。 7.在普通計算機配置下，采用模型的動態(tài)導入技術，使得模型加載速度小于0.9S。
科學性、先進性
- 1.虛機實電的培訓方式：本作品在實物、模型、視頻、PPT講解等培訓方式的基礎上，首創(chuàng)虛機實電的培訓方式，實現(xiàn)了模擬真實機械裝備操作和實時了解運轉(zhuǎn)狀況的互動性。 2.通用的CAD轉(zhuǎn)換接口：克服了CAD軟件模型轉(zhuǎn)換的不可兼容性，統(tǒng)一模型格式及CAD轉(zhuǎn)換接口。 3.仿真操作面板：根據(jù)實際操作面板中控制元件的結(jié)構(gòu)、位置，1:1構(gòu)建仿真操作面板，實現(xiàn)了真實操作面板的功能、提高了仿真操作面板的真實度。 4.對虛擬樣機的實時控制：通過采集機械裝備實時運行數(shù)據(jù)，驅(qū)動虛擬樣機的運動，并減小了虛實樣機的延遲時間，開創(chuàng)了培訓的新紀元。 5.多屏幕顯示：本作品開發(fā)的虛擬培訓系統(tǒng)可采用操作控制屏和虛擬場景屏等多屏同步與互動，解決了實物、視頻等培訓時操作控制和現(xiàn)場反應不能同時觀察的問題。 6．通用的功能架構(gòu)及開發(fā)流程：分析機械裝備的共性，針對根據(jù)機械裝備的結(jié)構(gòu)復雜、狀態(tài)繁多的特點及培訓的系統(tǒng)性、直觀性、交互性等實際需求，設計了適合于不同機械裝備交互式虛擬培訓的系統(tǒng)總體的功能架構(gòu)和開發(fā)流程。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 本作品可展示的形式有：實物、產(chǎn)品 、現(xiàn)場演示、圖片、錄像、樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術特點及優(yōu)勢 采用虛機實電培訓方式和“教-學-考”培訓模式，實現(xiàn)虛擬培訓系統(tǒng)的快速搭建。虛擬場景的生成和控制，增加培訓過程真實感。構(gòu)建的虛擬培訓系統(tǒng)解決了機械裝備復雜化、工位多元化及人員流動性等所造成的問題。其構(gòu)建的虛擬培訓系統(tǒng)無論是在培訓內(nèi)容設置、地點選擇、時間安排、培訓過程安全還是在培訓效果及易掌握度上都有著顯著的優(yōu)越性。 適應范圍及前景 其核心技術不僅可通用于某一機械裝備的設計制造、安裝調(diào)試、運行操作和售后服務等各階段的虛擬培訓中，而且適用于輸變電設備、井下開采設備等各種虛擬培訓中?，F(xiàn)已在一些大型專用機械裝備或?qū)Π踩砸筝^高的機械裝備中得到了應用如：盾構(gòu)、噴印機、電梯等。 市場分析和效益預測 適用于生產(chǎn)、安裝調(diào)試、售后服務人員和用戶等各類人員的培訓，減少了人才的流失，節(jié)省企業(yè)培訓經(jīng)費。通過模擬實際操作的交換功能實現(xiàn)，縮減了人員培訓的周期，提高了培訓人員的綜合素質(zhì)。 此外作品中的核心技術不僅可以加快虛擬培訓系統(tǒng)的搭建，更可促進培訓事業(yè)的發(fā)展。
同類課題研究水平概述
- 隨著科技的發(fā)展，用于培訓的方式也越來越多樣化，既有灌輸式傳統(tǒng)教科書培訓又有豐富的多媒體教學培訓，傳統(tǒng)的培訓，限制了時間，地點等，很多約束條件將限制學員的學習、教學服務時間有限，優(yōu)秀資源很難共享,信息量少、成本高昂，這種成本不但是學員的成本，還包括培訓機構(gòu)的成本、培訓效果難于評估和有效的跟蹤。多媒體培訓，顧名思義就是利用計算機媒體技術對文字、圖像、聲音、影像等多種信息進行綜合處理和控制，從而形成一種全新的教學形式。其雖然形式豐富但缺乏互動性和學員的自主參與性。 虛擬培訓技術是在虛擬制造技術的基礎上發(fā)展起來的，它針對虛擬制造技術實現(xiàn)的產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃、裝配調(diào)試、生產(chǎn)制造和調(diào)度管理等應用領域，利用其虛擬性、集成性和可交互性等特點，結(jié)合高級語言的軟件開發(fā)，可面向不同人群展開培訓。 虛擬培訓伴隨著計算機技術的快速發(fā)展，應用范圍正在逐步擴大，漸漸投入到各個領域的培訓中，成為一個新興的應用領域。而在虛擬培訓剛剛起步的初期，開發(fā)一個虛擬培訓系統(tǒng)，因其渲染虛擬場景對計算機性能要求較高，而當時計算機技術還不發(fā)達，主流平臺只有工作站。但因為軟件和硬件價格昂貴且兼容性較差，大多數(shù)人還是無法接受。到20世紀90年代后期PC機逐漸普及，使用PC機為平臺終于使虛擬培訓得到了發(fā)展機會，開發(fā)出了一些非常優(yōu)秀的產(chǎn)品。同時，用于PC機的虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具也在飛速發(fā)展，如WTK，Vega等，為了實現(xiàn)與PC平臺上的交互，頭盔、三維鼠標、數(shù)據(jù)手套、空間球等工具也問世了。這大大拓寬了虛擬培訓技術開發(fā)平臺的范圍。但價格極其昂貴，不具有推廣性。 利用虛擬培訓技術培訓員工已逐漸成為一種流行趨勢。如美國Nabisco食品公司、Equipmentola公司、北方電信公司訓練員工熟悉環(huán)境并操作那些復雜且不能出錯的設備就是采用的虛擬培訓方式，結(jié)果不僅使員工的學習興趣與效率大大提高，新手上線的失誤率也大幅降低了。除此之外，虛擬培訓方式還能降低培訓成本，英特爾公司開發(fā)的虛擬庫房員工培訓程序，每年節(jié)省的培訓成本可達50萬美元。
