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(xué)品登記中心,山東青島 266071)

基于增強現(xiàn)實的大型化工設(shè)備實景培訓(xùn)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(xué)品登記中心,山東青島266071)

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

增強現(xiàn)實 大型化工設(shè)備 安全生產(chǎn) 實景培訓(xùn)

大型塔、爐類設(shè)備(常壓塔、加熱爐等)作為化工行業(yè)的常用設(shè)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(shè)備龐大、昂貴等特點，在實際生產(chǎn)過程中，許多大型化工設(shè)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(shè)想。大型化工設(shè)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(shè)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(xùn)顯得尤為重要。

本文通過對大型化工設(shè)備安全培訓(xùn)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(shù)的大型化工設(shè)備安全生產(chǎn)實景培訓(xùn)方法。

1 大型化工設(shè)備安全培訓(xùn)現(xiàn)狀及存在的問題

a)書本自學(xué)。即通過查閱設(shè)備圖紙、文本等資料進行自主學(xué)習(xí)，這種培訓(xùn)方式具有形式單一、脫離生產(chǎn)實踐且學(xué)習(xí)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(xùn)方式，其主要形式是在老員工的帶領(lǐng)下在設(shè)備現(xiàn)場進行實地講解及操作實習(xí)。然而，這樣的培訓(xùn)方式也存在著一定的不足。一方面，它受設(shè)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(shè)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(xí)慣、能力與講解水平，老員工往往會習(xí)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(biāo)準(zhǔn)化的操作規(guī)范，會對新員工安全意識及標(biāo)準(zhǔn)化操作習(xí)慣的養(yǎng)成產(chǎn)生不利影響。

c)多媒體學(xué)習(xí)。隨著計算機技術(shù)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(xué)習(xí)已逐漸為人們所接受。多媒體學(xué)習(xí)作為書本自學(xué)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(xué)習(xí)時間較長的不足。

d)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬交互式學(xué)習(xí)。即通過構(gòu)建逼真的三維場景模型并利用各種輔助設(shè)備，讓學(xué)習(xí)者沉浸于虛擬場景并與之進行互動操作。這種培訓(xùn)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(chǔ)之上，形式生動，寓教于樂，能夠極大地提高培訓(xùn)質(zhì)量與培訓(xùn)效果。然而，虛擬交互學(xué)習(xí)畢竟是虛擬化的，其或多或少都與設(shè)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(shè)備操作培訓(xùn)的重點應(yīng)以工藝原理、技術(shù)參數(shù)以及規(guī)范化操作的學(xué)習(xí)為主，其較為理想的方法應(yīng)該是可以在設(shè)備現(xiàn)場進行互動式、剖析式、實時式的一體化高效學(xué)習(xí)。

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

虛擬現(xiàn)實(VR)是一種由計算機和電子技術(shù)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(shù)，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(shù)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(shù)的一個重要分支，其概念于20世紀(jì)90年代初期由波音公司的Tom Caudell和他的同事在他們設(shè)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(zhǔn)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(rèn)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(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)雖然密不可分，并且具有相似的應(yīng)用領(lǐng)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(shù)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(shù)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(shù)將虛擬對象準(zhǔn)確“放置”在真實環(huán)境中，并借助顯示設(shè)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(shù)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(zhǔn)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(yīng)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(shè)備安全生產(chǎn)實景培訓(xùn)方法設(shè)計

3.1 總體設(shè)計思路

首先，需要根據(jù)大型化工設(shè)備的培訓(xùn)特點與要求，梳理知識點并構(gòu)建設(shè)備知識庫及其管理系統(tǒng)，設(shè)備知識庫用于存儲大型化工設(shè)備的圖紙、技術(shù)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(xùn)管理系統(tǒng)則包括路線巡檢、考核評分、操作指導(dǎo)等功能模塊；然后，將培訓(xùn)知識點按設(shè)備部位進行分類并在每一個標(biāo)記卡上匹配一個或多個知識點；最后，將標(biāo)記卡放置于設(shè)備的相應(yīng)部位。

受訓(xùn)人員佩戴防爆便攜式設(shè)備(微處理系統(tǒng)、光學(xué)透視式頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等)在設(shè)備現(xiàn)場進行觀察，當(dāng)行至標(biāo)記卡所在位置時，攝像頭自動捕獲標(biāo)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(biāo)記卡相對應(yīng)的各類信息，如剖析及工作原理模型、基礎(chǔ)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(biāo)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(xùn)人員提供一個感官效果真實的全新學(xué)習(xí)環(huán)境。

受訓(xùn)人員在現(xiàn)場感受真實環(huán)境并學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)成果、提高學(xué)習(xí)效率。同時，受訓(xùn)人員在設(shè)備現(xiàn)場的觀察路徑由設(shè)備培訓(xùn)管理系統(tǒng)進行引導(dǎo)，以便受訓(xùn)人員能夠進行全面而高效的學(xué)習(xí)。大型化工設(shè)備培訓(xùn)管理系統(tǒng)在培訓(xùn)過程中，能夠從知識庫中隨機抽取試題對受訓(xùn)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(xùn)結(jié)束后，管理系統(tǒng)根據(jù)考核情況對受訓(xùn)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(shè)備安全生產(chǎn)實景培訓(xùn)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(yīng)軟件系統(tǒng)，包括標(biāo)記卡識別與匹配系統(tǒng)、圖形繪制系統(tǒng)、設(shè)備知識庫以及培訓(xùn)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(biāo)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(xùn)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(zé)采集數(shù)據(jù)手套的數(shù)據(jù)，計算手部關(guān)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(yīng)的操作動作。

3.2.4標(biāo)記卡

現(xiàn)場標(biāo)記卡與設(shè)備知識庫中的知識點相互匹配，放置于對應(yīng)知識點的現(xiàn)場實際位置上，其上繪制有醒目的標(biāo)記圖案，用于攝像機快速捕獲并由識別系統(tǒng)進行準(zhǔn)確識別。針對石化企業(yè)的生產(chǎn)特點，標(biāo)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(dāng)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(yīng)位置上。

3.3 系統(tǒng)工作流程

大型化工設(shè)備安全生產(chǎn)實景培訓(xùn)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(shè)備開始，受訓(xùn)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(dāng)遇到標(biāo)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(biāo)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(xué)完的判斷，如果還存在沒有學(xué)習(xí)的知識點，則繼續(xù)在設(shè)備現(xiàn)場行走與觀察，以再次捕獲標(biāo)記卡，否則則結(jié)束本次培訓(xùn)。

4 結(jié)語

本文對增強現(xiàn)實技術(shù)在大型化工設(shè)備安全生產(chǎn)培訓(xùn)中的應(yīng)用進行了初步探討，雖然增強現(xiàn)實本身及其在石化領(lǐng)域的應(yīng)用還有很多需要研究的問題，如石化裝置復(fù)雜環(huán)境下標(biāo)記卡的快速識別、增強現(xiàn)實設(shè)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(shù)、高效圖像識別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及單片機技術(shù)的快速發(fā)展，大型化工設(shè)備的安全生產(chǎn)培訓(xùn)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(shè)備安全生產(chǎn)實景培訓(xùn)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(xué)計算機應(yīng)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。