虛擬仿真技術在工程訓練中的應用

劉振東， 李曉東， 馬建民， 曲本全

(中國石油大學(華東) 石油工業(yè)訓練中心，山東 青島 266580)

虛擬仿真技術在工程訓練中的應用

劉振東， 李曉東， 馬建民， 曲本全

(中國石油大學(華東) 石油工業(yè)訓練中心，山東 青島 266580)

近年來，虛擬仿真技術在工程訓練中的應用越來越廣泛。數(shù)控加工仿真訓練軟件能夠?qū)崿F(xiàn)大部分實際數(shù)控設備的功能，大大減少了資金投入，降低了培訓成本，提高了學生動手操作的機會，加快了培訓效率；虛擬焊接綜合仿真實訓系統(tǒng)彌補了常規(guī)實訓設備的不足，節(jié)約了大量的實訓材料，減少了有害物質(zhì)釋放，降低了實訓的危險性；中心自主研發(fā)的石油工業(yè)系列虛擬仿真教學資源，形成了獨具特色的“五融合、四層次、三模式”虛擬仿真實驗教學體系，解決了石油工業(yè)生產(chǎn)的不可視、不可及、高溫、高壓、危險性大等培訓所面臨的問題，激發(fā)了學生學習石油工業(yè)技術的興趣，提高了學生的實踐動手能力，培養(yǎng)了學生的工程意識。

虛擬仿真技術； 數(shù)控加工； 虛擬焊接； 石油工業(yè)

0 引 言

近年來，高等工科院校的工程訓練中心普遍獲得了更多的關注與資金投入，實習環(huán)境、設備升級及內(nèi)涵建設都有了長足發(fā)展，為學生的工程實踐能力提高做出了貢獻[1-4]。但是由于受教學課時、硬件設備數(shù)量、現(xiàn)場實訓環(huán)境等限制，并出于降低危險、減少成本和污染、提高實踐教學效果等方面的考慮，虛擬仿真技術在工程訓練中的應用越來越廣泛[5-8]。本文結合中國石油大學(華東)石油工業(yè)訓練中心的機械制造工程訓練課程，將虛擬仿真技術應用于數(shù)控加工技術、焊接技術和石油工業(yè)訓練等教學環(huán)節(jié)，取得了良好的教學效果。

1 數(shù)控加工技術虛擬仿真訓練

目前很多學校都購置了數(shù)控設備，雖然數(shù)控機床的數(shù)量有了顯著增加，但仍無法滿足實訓教學的需要，學生從理論學習到實際操作缺少中間過渡環(huán)節(jié)。實訓教師在現(xiàn)場指導多名學生操作時，環(huán)境嘈雜，且很多學生圍著一臺機床，教學效果不理想；數(shù)控機床結構復雜緊湊，學生在學習過程中觀察了解機床的工作狀態(tài)和工作原理及機床的機構時，觀察角度受到限制等等[9]?；谝陨蠁栴}，在數(shù)控加工技術教學中引入了上海宇龍軟件工程有限公司研制的數(shù)控加工仿真訓練軟件，其數(shù)控車床的仿真界面如圖1所示。

圖1 宇龍數(shù)控車床仿真界面

該軟件主要有以下幾個特點：

(1) 仿真軟件可以提供車床、立式銑床、臥式加工中心、立式加工中心等機床的仿真訓練；

(2) 仿真軟件采用數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理刀具材料和性能參數(shù)庫，刀具庫包含數(shù)百種不同材料和形狀的車刀、銑刀，支持用戶自定義刀具以及相關特征參數(shù)；

(3) 仿真軟件能夠?qū)崿F(xiàn)加工運行全環(huán)境仿真：仿真數(shù)控程序的自動運行和MDI運行模式；三維工件的實時切削，刀具軌跡的三維顯示；提供刀具補償、坐標系設置等系統(tǒng)參數(shù)的設定；

(4) 仿真軟件具有考試操作過程和結果記錄回放功能。

采用數(shù)控仿真軟件進行數(shù)控實訓，學生在學習過程中，能夠?qū)局谢\統(tǒng)、抽象的概念轉(zhuǎn)換成形象、直觀的實體操作，激發(fā)了學習數(shù)控編程與操作課程的學習興趣；提高了學生動手操作的機會，加快了培訓效率和速度。

2 焊接技術虛擬仿真訓練

焊接成形是現(xiàn)代工業(yè)高質(zhì)量、高效率制造技術中一種不可缺少的加工工藝，廣泛應用于各種生產(chǎn)場合，如汽車制造、壓力容器制造、船舶制造和航空航天工業(yè)等。雖然目前各種自動化焊接方法比較成熟，應用也越來越多，但是由于手工焊接的方便和靈活性，人工焊接仍占有一定的比例[10]。

目前，大多數(shù)高校的手工焊接訓練均采用傳統(tǒng)的模式，不僅要消耗大量的焊條和工件，培訓成本高，而且會因焊接作業(yè)時有毒有害氣體、焊接煙塵、粉塵、強光、紫外線、輻射以及電磁污染等有害物質(zhì)的產(chǎn)生，對學生的身體造成一定的危害。基于以上問題，在焊接技術教學中引入了鄭州捷安高科有限公司研制的虛擬焊接綜合仿真實訓系統(tǒng)，其結構組成如圖2所示。

圖2 虛擬焊接綜合仿真實訓系統(tǒng)結構組成

該系統(tǒng)主要有以下幾個特點：

(1) 無需焊材、工件、保護氣體等焊接材料和工業(yè)用電，節(jié)能環(huán)保；

(2) 焊接過程不產(chǎn)生高溫、明火及煙塵，無任何有毒氣體排放，能夠全面保護教師和學員的身體健康；

(3) 系統(tǒng)可進行多角度、全方位的焊接演練，可實現(xiàn)不同焊接位置如平焊、立焊、橫焊、仰焊等；

(4) 能夠以直觀的圖形符號和語音實時提示學員自行矯正焊接姿勢，無需教師親自指導；

(5) 學員完成焊接后，系統(tǒng)自動分析學員的焊接速度、中心偏移、噴嘴高度、工作角度、焊接角度等參數(shù)變化并生成評估報告；

(6) 教師可以靈活設置公差大小及各項參數(shù)的分值比重，制定個性化培訓計劃，分級培養(yǎng)學員。

該系統(tǒng)在焊接技術實踐教學中起到了很好的助學和助教的作用，受到老師和學生的歡迎。

3 石油工業(yè)技術虛擬仿真訓練

石油工業(yè)技術主要包括地質(zhì)勘探、測錄井、鉆井、固井、井下作業(yè)、油氣開采、油氣集輸和油氣煉制等多個環(huán)節(jié)，很多施工環(huán)節(jié)具有不可視、不可及、高溫、高壓、危險性大等特點[11]，采用常規(guī)教學方法難以達到教學目的。專業(yè)實習又面臨著耗費資金大、外出時間長、組織協(xié)調(diào)困難、存在不安全因素等難題，實習效果較差[12]。

石油工業(yè)訓練中心為解決以上問題，憑借雄厚的項目經(jīng)驗和專業(yè)優(yōu)勢，依托虛擬現(xiàn)實、仿真裝備與多媒體技術[13]，融合多種互動硬件與數(shù)據(jù)庫，投入大量人力和物力對石油勘探開發(fā)工業(yè)生產(chǎn)工藝流程的各個真實環(huán)節(jié)進行模擬仿真，建成了8個虛擬仿真教學模塊，形成了中心獨具特色的“五融合、四層次、三模式”虛擬仿真實驗教學體系(見圖3)。該教學體系已在國內(nèi)外幾十個油田培訓中心和石油類院校的工訓中心得到廣泛應用。

圖3 石油工業(yè)訓練中心虛擬仿真教學體系

下面以井下作業(yè)仿真訓練模塊為例。井下作業(yè)主要包括油氣井維修和油層改造等作業(yè)施工，其中油氣井維修主要包括檢泵、試注、堵水、打撈、解卡、套管修復和側(cè)鉆等作業(yè)；油層改造主要包括酸化和壓裂作業(yè)[14]。為便于講解和學生學習，將教學平臺分為知識講解、仿真操作和知識考核三部分。

(1) 知識講解。該教學環(huán)節(jié)，主要分為油氣井維修和油層改造兩部分，其中油氣井維修主要講解相關基礎知識、常用設備和工具、常用施工工藝等；油層改造主要講解酸化和壓裂施工的常用工具和常用施工工藝。本環(huán)節(jié)共研發(fā)了120種典型井下作業(yè)工具和34種典型井下作業(yè)工藝的仿真動畫，時長達32 h，所有仿真動畫均配有文字和同步語音解說。形象的動畫使學生理解起來非常容易，大大激發(fā)了學生的學習興趣，提高了學生的學習效率(見圖4)。

圖4 “卡瓦打撈筒”結構講解

(2) 仿真操作。在“仿真操作”教學環(huán)節(jié)，共研發(fā)了11種典型的油氣井維修作業(yè)仿真項目和6種典型的油層改造作業(yè)仿真項目。仿真操作的界面如圖5所示，中間主界面為虛擬數(shù)字樣機工況顯示區(qū)，右邊為主要設備儀表監(jiān)視區(qū)，下方為控制臺。學生可以在教師的引導下自己動手操作控制臺按鈕和手柄，完成各種井下作業(yè)工藝的仿真訓練。本環(huán)節(jié)具有良好的人機交互功能，操作方便，運行可靠，容錯性好。通過本環(huán)節(jié)的培訓，學生的動手能力、工程實踐意識和對所學知識的綜合運用能力得到很大提高，能夠很好地與現(xiàn)場操作對接。

圖5 仿真操作界面

(3) 知識考核。該環(huán)節(jié)，不僅具有理論考核功能，還可以進行實操考核。

理論考核主要為選擇題和判斷對錯題。學生答題后提交，系統(tǒng)能夠自動評出成績，并在答錯的題目處給出正確答案，便于學生檢查、改正。

實操考核時，學生須先登記姓名和學號，然后選擇實操項目，進入實操考核環(huán)境，系統(tǒng)能夠根據(jù)考生操作的正確程度和熟練程度進行評分。通過該環(huán)節(jié)，學生能夠?qū)W習情況做出客觀評價，更好地規(guī)劃學習目標。

另外，平臺還可以與硬件模擬器對接，如圖6所示，通過軟硬結合，學生如同身臨其境，可顯著提高學生的認知能力和操作技能。

圖6 學生通過模擬器進行實操練習

通過石油工業(yè)技術虛擬仿真訓練，使學生增加了對石油工業(yè)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的了解，掌握了各生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要設備和工具的內(nèi)部結構、工作原理等，激發(fā)了學生學習石油工業(yè)技術的興趣，提高了學生的實踐動手能力，達到了中國石油大學對本科生的培養(yǎng)目標。

4 結 語

通過以上實例可以看出，虛擬仿真技術在工程訓練教學中起到了很好的助學、助教的作用，降低了實訓成本，提高了實訓效率，尤其是達到了常規(guī)教學方法難以實現(xiàn)的教學效果。相信隨著三維建模技術和動作交互技術等虛擬仿真技術的發(fā)展，將有更多的虛擬仿真教學系統(tǒng)或軟件在工程訓練教學中得到廣泛應用。

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Application of Virtual Simulation Technology in Engineering Training

LIUZhendong,LIXiaodong,MAJianmin,QUBenquan

(Petroleum Industry Training Center，China University of Petroleum (East China)， Qingdao 266580， Shandong, China)

In recent years, application of virtual simulation technology in engineering training is more and more wide. Now most functions of the NC equipment can be achieved by the virtual simulation training software. It greatly reduces funding and training costs, improves the students’ operation chance and training efficiency. Virtual welding comprehensive simulation training system makes up for the deficiency of the training equipment. It saves a lot of training materials, reduces the training risk and the harmful material release. Oil Industry Training Center independently researched and developed a series of virtual simulation teaching resources for the oil industry, formed a virtual simulation experiment teaching system with the advantage of “five fusion, four levels, three model”. It solved the problems such as invisible and untouchable processes, high temperature, high pressure and dange in the training process. It inspired students’ interest in learning oil industry technology, improved students’ practice ability, cultivated the students’ engineering awareness.

virtual simulation technology; numerical control machining; virtual welding; petroleum industry

2016-07-13

國家級虛擬仿真實驗教學中心建設項目(2014)；中國石油大學(華東)教學改革重點項目(JY-A201425)；中國石油大學(華東)教學改革一般項目(JY-B201453)

劉振東(1982-)，男，山東單縣人，工程師，研究方向為海洋石油裝備，機電一體化控制等。

Tel.:18561510989；E-mail: liuzd28@upc.edu.cn

TP 391.0;G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0160-04