基于增強現(xiàn)實的大型化工設備實景培訓方法研究

劉 剛,李 磊,2,王志強,王 春,李智臨

(1.中國石化安全工程研究院,山東青島 266071;2.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局化學品登記中心,山東青島 266071)

基于增強現(xiàn)實的大型化工設備實景培訓方法研究

劉 剛1,李 磊1,2,王志強1,王 春1,李智臨1

(1.中國石化安全工程研究院,山東青島266071;2.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局化學品登記中心,山東青島266071)

分析了大型化工設備安全培訓現(xiàn)狀及存在的問題，討論了一種基于增強現(xiàn)實技術的大型化工設備安全生產(chǎn)實景培訓方法。該方法將增強現(xiàn)實技術引入大型化工設備安全生產(chǎn)培訓，通過在真實環(huán)境下的設備關鍵部位上疊加虛擬模型或信息，從而讓受訓人員能夠在設備現(xiàn)場進行互動式、剖析式、實時式的一體化高效培訓。

增強現(xiàn)實 大型化工設備 安全生產(chǎn) 實景培訓

大型塔、爐類設備(常壓塔、加熱爐等)作為化工行業(yè)的常用設備，大多具有連續(xù)作業(yè)、密閉作業(yè)、高熱、高壓、易燃易爆且設備龐大、昂貴等特點，在實際生產(chǎn)過程中，許多大型化工設備的故障與重大事故可能百年不遇，但一旦發(fā)生緊急情況，留給操作人員處理的時間非常短暫，如果不能及時正確處理，后果不堪設想。大型化工設備的上述特點決定了它對崗位操作人員的素質(zhì)要求很高，在保證設備安(全)、滿(負荷)、長(期)、穩(wěn)(定)、優(yōu)(質(zhì))運行情況下，積極開展高效率的安全生產(chǎn)培訓顯得尤為重要。

本文通過對大型化工設備安全培訓現(xiàn)狀及存在的問題進行分析，討論了一種基于增強現(xiàn)實技術的大型化工設備安全生產(chǎn)實景培訓方法。

1 大型化工設備安全培訓現(xiàn)狀及存在的問題

a)書本自學。即通過查閱設備圖紙、文本等資料進行自主學習，這種培訓方式具有形式單一、脫離生產(chǎn)實踐且學習時間較長等缺點。

b)師傅帶徒。即由有經(jīng)驗的老員工幫帶新員工，是一種比較傳統(tǒng)但卻相對有效的培訓方式，其主要形式是在老員工的帶領下在設備現(xiàn)場進行實地講解及操作實習。然而，這樣的培訓方式也存在著一定的不足。一方面，它受設備連續(xù)作業(yè)、密閉作業(yè)的限制，并不能使新員工了解并掌握設備結(jié)構(gòu)、原理等深層次的內(nèi)容；另一方面，也會在一定程度上受限于老員工的個人經(jīng)驗、習慣、能力與講解水平，老員工往往會習慣性地將一些慣例式經(jīng)驗傳授給新員工，而某些所謂的經(jīng)驗可能并不完全正確，可能會在一定程度上違背標準化的操作規(guī)范，會對新員工安全意識及標準化操作習慣的養(yǎng)成產(chǎn)生不利影響。

c)多媒體學習。隨著計算機技術的日益發(fā)展，通過視頻、PPT等多媒體方式對安全生產(chǎn)知識進行學習已逐漸為人們所接受。多媒體學習作為書本自學的擴展，雖然在形式上生動了許多，但同樣存在著與生產(chǎn)實踐脫離、學習時間較長的不足。

d)基于虛擬現(xiàn)實技術的虛擬交互式學習。即通過構(gòu)建逼真的三維場景模型并利用各種輔助設備，讓學習者沉浸于虛擬場景并與之進行互動操作。這種培訓方式建立在真實感較強且具有交互操作能力的虛擬場景基礎之上，形式生動，寓教于樂，能夠極大地提高培訓質(zhì)量與培訓效果。然而，虛擬交互學習畢竟是虛擬化的，其或多或少都與設備現(xiàn)場實際狀態(tài)存在差異，無法從視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、感覺等多重感官上真實體驗現(xiàn)場環(huán)境。

大型化工設備操作培訓的重點應以工藝原理、技術參數(shù)以及規(guī)范化操作的學習為主，其較為理想的方法應該是可以在設備現(xiàn)場進行互動式、剖析式、實時式的一體化高效學習。

2 增強現(xiàn)實(Augmented Reality，AR)技術概述

虛擬現(xiàn)實(VR)是一種由計算機和電子技術創(chuàng)造的新世界，是一個看似真實的模擬環(huán)境[1]。本質(zhì)上，它是一種先進的計算機用戶接口技術，通過給用戶同時提供諸如視、聽、說、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段，最大限度地方便用戶操作，提高整個系統(tǒng)的工作效率[2]。虛擬現(xiàn)實技術包括3個特點，即沉浸感、交互性、自主性[3,4]。

增強現(xiàn)實(AR)作為虛擬現(xiàn)實技術的一個重要分支，其概念于20世紀90年代初期由波音公司的Tom Caudell和他的同事在他們設計的一個輔助布線系統(tǒng)中提出[5]。增強現(xiàn)實在本質(zhì)上，是將虛擬物體準確放置在真實環(huán)境中，使虛擬物體和現(xiàn)實環(huán)境達到虛實融合的效果，讓用戶不僅能感受到真實環(huán)境中的真實信息，也能感受到視覺、聽覺、觸覺、味覺等多方面的虛擬信息，達到對現(xiàn)實世界進一步認識的目的[6]。增強現(xiàn)實系統(tǒng)具有虛實結(jié)合、實時交互、三維注冊的新特點[7]。

增強現(xiàn)實技術與虛擬現(xiàn)實技術雖然密不可分，并且具有相似的應用領域，但是兩者在很多方面都存在著明顯的差別[8]。首先，兩者對用戶沉浸程度的要求不同。傳統(tǒng)意義上的虛擬現(xiàn)實技術強調(diào)在完全虛擬化環(huán)境中的沉浸體驗，強調(diào)人能以自然方式與虛擬世界中的對象進行交互操作；增強現(xiàn)實技術則致力于將計算機生成的虛擬物體或信息疊加到現(xiàn)實景物上，從而產(chǎn)生現(xiàn)實環(huán)境中不存在的虛擬對象，再通過傳感技術將虛擬對象準確“放置”在真實環(huán)境中，并借助顯示設備將虛擬對象與真實環(huán)境融為一體，最終呈現(xiàn)給使用者一個感官效果真實的新環(huán)境[9]。其次，兩者對系統(tǒng)計算能力的要求不同。對于已經(jīng)存在大量現(xiàn)實環(huán)境信息的增強現(xiàn)實技術而言，計算機不必花費大量精力去計算現(xiàn)實中已經(jīng)存在的信息來構(gòu)建環(huán)境，它只需要計算配準并將虛擬物體或信息顯示在合適的位置上即可。與之不同，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)則需要構(gòu)建完整的虛擬環(huán)境場景并進行相應的數(shù)據(jù)計算，故其對系統(tǒng)的計算能力要求較高。

3 大型化工設備安全生產(chǎn)實景培訓方法設計

3.1 總體設計思路

首先，需要根據(jù)大型化工設備的培訓特點與要求，梳理知識點并構(gòu)建設備知識庫及其管理系統(tǒng)，設備知識庫用于存儲大型化工設備的圖紙、技術參數(shù)、操作規(guī)程以及剖析模型、原理模型、考核試題等信息內(nèi)容，培訓管理系統(tǒng)則包括路線巡檢、考核評分、操作指導等功能模塊；然后，將培訓知識點按設備部位進行分類并在每一個標記卡上匹配一個或多個知識點；最后，將標記卡放置于設備的相應部位。

受訓人員佩戴防爆便攜式設備(微處理系統(tǒng)、光學透視式頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等)在設備現(xiàn)場進行觀察，當行至標記卡所在位置時，攝像頭自動捕獲標記信息并將其傳輸給識別系統(tǒng)進行識別。識別系統(tǒng)匹配出與標記卡相對應的各類信息，如剖析及工作原理模型、基礎數(shù)據(jù)、操作注意事項以及DCS實時數(shù)據(jù)等，再由圖形處理系統(tǒng)以虛擬模型或文字的方式將之渲染于標記卡擺放位置。最后，視頻合并及顯示系統(tǒng)將虛擬對象與真實環(huán)境融為一體并顯示出來，從而為受訓人員提供一個感官效果真實的全新學習環(huán)境。

受訓人員在現(xiàn)場感受真實環(huán)境并學習虛擬化信息的同時，也可以進行一定的交互式操作來加深學習成果、提高學習效率。同時，受訓人員在設備現(xiàn)場的觀察路徑由設備培訓管理系統(tǒng)進行引導，以便受訓人員能夠進行全面而高效的學習。大型化工設備培訓管理系統(tǒng)在培訓過程中，能夠從知識庫中隨機抽取試題對受訓人員進行考核，考核以選擇文本或交互操作的虛擬化方式進行，培訓結(jié)束后，管理系統(tǒng)根據(jù)考核情況對受訓人員進行綜合評分。

3.2 系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

大型化工設備安全生產(chǎn)實景培訓系統(tǒng)由5部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

3.2.1微處理系統(tǒng)

微處理系統(tǒng)內(nèi)配置相應軟件系統(tǒng)，包括標記卡識別與匹配系統(tǒng)、圖形繪制系統(tǒng)、設備知識庫以及培訓管理系統(tǒng)。

3.2.2頭盔顯示器(S-HMD)

頭盔顯示系統(tǒng)[10,11]由攝像機、顯示器、合并器(反光鏡)3個部分組成。攝像機用于捕獲標記卡并將其傳輸給識別系統(tǒng)，顯示器用于接收由圖形繪制系統(tǒng)渲染的虛擬場景(模型、數(shù)據(jù))并將其投影到合并器上，合并器則一邊將顯示器的影像反射到使用者的眼中，一邊讓周圍真實環(huán)境中的光線照射進來，從而在使用者視野中呈現(xiàn)虛實結(jié)合的生動影像。

3.2.3數(shù)據(jù)手套

用于受訓人員在虛擬場景中進行交互操作，圖形繪制系統(tǒng)(三維引擎)負責采集數(shù)據(jù)手套的數(shù)據(jù)，計算手部關節(jié)的位置和姿態(tài)，再用計算得出的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動并完成相應的操作動作。

3.2.4標記卡

現(xiàn)場標記卡與設備知識庫中的知識點相互匹配，放置于對應知識點的現(xiàn)場實際位置上，其上繪制有醒目的標記圖案，用于攝像機快速捕獲并由識別系統(tǒng)進行準確識別。針對石化企業(yè)的生產(chǎn)特點，標記卡需符合防爆、防腐、防靜電的要求。

3.2.5無線傳輸系統(tǒng)

無線傳輸系統(tǒng)用于接收遠端數(shù)據(jù)，當其接收匹配信息后，將檢索出的DCS數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D形繪制系統(tǒng)中，再由圖形繪制系統(tǒng)繪制在真實場景中的相應位置上。

3.3 系統(tǒng)工作流程

大型化工設備安全生產(chǎn)實景培訓系統(tǒng)的工作流程如圖2所示，流程從用戶佩戴增強現(xiàn)實設備開始，受訓人員不斷行走并通過合并器觀察并感受現(xiàn)場真實環(huán)境，當遇到標記卡，則由攝像頭進行捕獲并經(jīng)識別、檢索等處理過程，再由顯示器將標記卡匹配的虛擬場景投射到合并器上，與透過合并器傳入人眼的真實場景共同組成虛實結(jié)合的全新場景。之后，系統(tǒng)進行是否考核與知識點是否全部學完的判斷，如果還存在沒有學習的知識點，則繼續(xù)在設備現(xiàn)場行走與觀察，以再次捕獲標記卡，否則則結(jié)束本次培訓。

4 結(jié)語

本文對增強現(xiàn)實技術在大型化工設備安全生產(chǎn)培訓中的應用進行了初步探討，雖然增強現(xiàn)實本身及其在石化領域的應用還有很多需要研究的問題，如石化裝置復雜環(huán)境下標記卡的快速識別、增強現(xiàn)實設備在實際生產(chǎn)環(huán)境下的便攜化與防爆處理等，但隨著增強現(xiàn)實技術、高效圖像識別技術、網(wǎng)絡技術以及單片機技術的快速發(fā)展，大型化工設備的安全生產(chǎn)培訓一定會朝著智能化、人性化、自然化的方向上發(fā)展。

圖2 大型化工設備安全生產(chǎn)實景培訓系統(tǒng)工作流程

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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

劉剛，工程師，碩士研究生,2006年畢業(yè)于山東科技大學計算機應用專業(yè)，現(xiàn)主要從事HSE數(shù)字化、虛擬現(xiàn)實與仿真等工作。