劉 剛,李 磊,2,王志強(qiáng),王 春,李智臨

(1.中國(guó)石化安全工程研究院,山東青島 266071;2.國(guó)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)的大型化工設(shè)備實(shí)景培訓(xùn)方法研究

劉 剛1,李 磊1,2,王志強(qiáng)1,王 春1,李智臨1

(1.中國(guó)石化安全工程研究院,山東青島266071;2.國(guó)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(wèn)題，討論了一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的大型化工設(shè)備安全生產(chǎn)實(shí)景培訓(xùn)方法。該方法將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入大型化工設(shè)備安全生產(chǎn)培訓(xùn)，通過(guò)在真實(shí)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(chǎng)進(jìn)行互動(dòng)式、剖析式、實(shí)時(shí)式的一體化高效培訓(xùn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) 大型化工設(shè)備 安全生產(chǎn) 實(shí)景培訓(xùn)

大型塔、爐類(lèi)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(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(shí)間非常短暫，如果不能及時(shí)正確處理，后果不堪設(shè)想。大型化工設(shè)備的上述特點(diǎn)決定了它對(duì)崗位操作人員的素質(zhì)要求很高，在保證設(shè)備安(全)、滿(mǎn)(負(fù)荷)、長(zhǎng)(期)、穩(wěn)(定)、優(yōu)(質(zhì))運(yùn)行情況下，積極開(kāi)展高效率的安全生產(chǎn)培訓(xùn)顯得尤為重要。

本文通過(guò)對(duì)大型化工設(shè)備安全培訓(xùn)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，討論了一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的大型化工設(shè)備安全生產(chǎn)實(shí)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(wèn)題

a)書(shū)本自學(xué)。即通過(guò)查閱設(shè)備圖紙、文本等資料進(jìn)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(shí)踐且學(xué)習(xí)時(shí)間較長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

b)師傅帶徒。即由有經(jīng)驗(yàn)的老員工幫帶新員工，是一種比較傳統(tǒng)但卻相對(duì)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(chǎng)進(jìn)行實(shí)地講解及操作實(shí)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(huì)在一定程度上受限于老員工的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、習(xí)慣、能力與講解水平，老員工往往會(huì)習(xí)慣性地將一些慣例式經(jīng)驗(yàn)傳授給新員工，而某些所謂的經(jīng)驗(yàn)可能并不完全正確，可能會(huì)在一定程度上違背標(biāo)準(zhǔn)化的操作規(guī)范，會(huì)對(duì)新員工安全意識(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，通過(guò)視頻、PPT等多媒體方式對(duì)安全生產(chǎn)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)已逐漸為人們所接受。多媒體學(xué)習(xí)作為書(shū)本自學(xué)的擴(kuò)展，雖然在形式上生動(dòng)了許多，但同樣存在著與生產(chǎn)實(shí)踐脫離、學(xué)習(xí)時(shí)間較長(zhǎng)的不足。

d)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬交互式學(xué)習(xí)。即通過(guò)構(gòu)建逼真的三維場(chǎng)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(chǎng)景并與之進(jìn)行互動(dòng)操作。這種培訓(xùn)方式建立在真實(shí)感較強(qiáng)且具有交互操作能力的虛擬場(chǎng)景基礎(chǔ)之上，形式生動(dòng)，寓教于樂(lè)，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(chǎng)實(shí)際狀態(tài)存在差異，無(wú)法從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、感覺(jué)等多重感官上真實(shí)體驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

大型化工設(shè)備操作培訓(xùn)的重點(diǎn)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(chǎng)進(jìn)行互動(dòng)式、剖析式、實(shí)時(shí)式的一體化高效學(xué)習(xí)。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)是一種由計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)創(chuàng)造的新世界，是一個(gè)看似真實(shí)的模擬環(huán)境[1]。本質(zhì)上，它是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶(hù)接口技術(shù)，通過(guò)給用戶(hù)同時(shí)提供諸如視、聽(tīng)、說(shuō)、觸等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，最大限度地方便用戶(hù)操作，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包括3個(gè)特點(diǎn)，即沉浸感、交互性、自主性[3,4]。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)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?cè)O(shè)計(jì)的一個(gè)輔助布線系統(tǒng)中提出[5]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在本質(zhì)上，是將虛擬物體準(zhǔn)確放置在真實(shí)環(huán)境中，使虛擬物體和現(xiàn)實(shí)環(huán)境達(dá)到虛實(shí)融合的效果，讓用戶(hù)不僅能感受到真實(shí)環(huán)境中的真實(shí)信息，也能感受到視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)等多方面的虛擬信息，達(dá)到對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)一步認(rèn)識(shí)的目的[6]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維注冊(cè)的新特點(diǎn)[7]。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)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(duì)用戶(hù)沉浸程度的要求不同。傳統(tǒng)意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)強(qiáng)調(diào)在完全虛擬化環(huán)境中的沉浸體驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)人能以自然方式與虛擬世界中的對(duì)象進(jìn)行交互操作；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)則致力于將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體或信息疊加到現(xiàn)實(shí)景物上，從而產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對(duì)象，再通過(guò)傳感技術(shù)將虛擬對(duì)象準(zhǔn)確“放置”在真實(shí)環(huán)境中，并借助顯示設(shè)備將虛擬對(duì)象與真實(shí)環(huán)境融為一體，最終呈現(xiàn)給使用者一個(gè)感官效果真實(shí)的新環(huán)境[9]。其次，兩者對(duì)系統(tǒng)計(jì)算能力的要求不同。對(duì)于已經(jīng)存在大量現(xiàn)實(shí)環(huán)境信息的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)而言，計(jì)算機(jī)不必花費(fèi)大量精力去計(jì)算現(xiàn)實(shí)中已經(jīng)存在的信息來(lái)構(gòu)建環(huán)境，它只需要計(jì)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(shí)系統(tǒng)則需要構(gòu)建完整的虛擬環(huán)境場(chǎng)景并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算，故其對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算能力要求較高。

3 大型化工設(shè)備安全生產(chǎn)實(shí)景培訓(xùn)方法設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)思路

首先，需要根據(jù)大型化工設(shè)備的培訓(xùn)特點(diǎn)與要求，梳理知識(shí)點(diǎn)并構(gòu)建設(shè)備知識(shí)庫(kù)及其管理系統(tǒng)，設(shè)備知識(shí)庫(kù)用于存儲(chǔ)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(píng)分、操作指導(dǎo)等功能模塊；然后，將培訓(xùn)知識(shí)點(diǎn)按設(shè)備部位進(jìn)行分類(lèi)并在每一個(gè)標(biāo)記卡上匹配一個(gè)或多個(gè)知識(shí)點(diǎn)；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(chǎng)進(jìn)行觀察，當(dāng)行至標(biāo)記卡所在位置時(shí)，攝像頭自動(dòng)捕獲標(biāo)記信息并將其傳輸給識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別。識(shí)別系統(tǒng)匹配出與標(biāo)記卡相對(duì)應(yīng)的各類(lèi)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(xiàng)以及DCS實(shí)時(shí)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(duì)象與真實(shí)環(huán)境融為一體并顯示出來(lái)，從而為受訓(xùn)人員提供一個(gè)感官效果真實(shí)的全新學(xué)習(xí)環(huán)境。

受訓(xùn)人員在現(xiàn)場(chǎng)感受真實(shí)環(huán)境并學(xué)習(xí)虛擬化信息的同時(shí)，也可以進(jìn)行一定的交互式操作來(lái)加深學(xué)習(xí)成果、提高學(xué)習(xí)效率。同時(shí)，受訓(xùn)人員在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的觀察路徑由設(shè)備培訓(xùn)管理系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)，以便受訓(xùn)人員能夠進(jìn)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(guò)程中，能夠從知識(shí)庫(kù)中隨機(jī)抽取試題對(duì)受訓(xùn)人員進(jìn)行考核，考核以選擇文本或交互操作的虛擬化方式進(jìn)行，培訓(xùn)結(jié)束后，管理系統(tǒng)根據(jù)考核情況對(duì)受訓(xùn)人員進(jìn)行綜合評(píng)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(shí)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(shí)別與匹配系統(tǒng)、圖形繪制系統(tǒng)、設(shè)備知識(shí)庫(kù)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(jī)、顯示器、合并器(反光鏡)3個(gè)部分組成。攝像機(jī)用于捕獲標(biāo)記卡并將其傳輸給識(shí)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(chǎng)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?chē)鎸?shí)環(huán)境中的光線照射進(jìn)來(lái)，從而在使用者視野中呈現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的生動(dòng)影像。

3.2.3數(shù)據(jù)手套

用于受訓(xùn)人員在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行交互操作，圖形繪制系統(tǒng)(三維引擎)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)手套的數(shù)據(jù)，計(jì)算手部關(guān)節(jié)的位置和姿態(tài)，再用計(jì)算得出的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)并完成相應(yīng)的操作動(dòng)作。

3.2.4標(biāo)記卡

現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記卡與設(shè)備知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)點(diǎn)相互匹配，放置于對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際位置上，其上繪制有醒目的標(biāo)記圖案，用于攝像機(jī)快速捕獲并由識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。針對(duì)石化企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，標(biāo)記卡需符合防爆、防腐、防靜電的要求。

3.2.5無(wú)線傳輸系統(tǒng)

無(wú)線傳輸系統(tǒng)用于接收遠(yuǎn)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(shí)場(chǎng)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(shí)景培訓(xùn)系統(tǒng)的工作流程如圖2所示，流程從用戶(hù)佩戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備開(kāi)始，受訓(xùn)人員不斷行走并通過(guò)合并器觀察并感受現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境，當(dāng)遇到標(biāo)記卡，則由攝像頭進(jìn)行捕獲并經(jīng)識(shí)別、檢索等處理過(guò)程，再由顯示器將標(biāo)記卡匹配的虛擬場(chǎng)景投射到合并器上，與透過(guò)合并器傳入人眼的真實(shí)場(chǎng)景共同組成虛實(shí)結(jié)合的全新場(chǎng)景。之后，系統(tǒng)進(jìn)行是否考核與知識(shí)點(diǎn)是否全部學(xué)完的判斷，如果還存在沒(méi)有學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)，則繼續(xù)在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)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(yǔ)

本文對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(jìn)行了初步探討，雖然增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)本身及其在石化領(lǐng)域的應(yīng)用還有很多需要研究的問(wèn)題，如石化裝置復(fù)雜環(huán)境下標(biāo)記卡的快速識(shí)別、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境下的便攜化與防爆處理等，但隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、高效圖像識(shí)別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及單片機(jī)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(huì)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(shí)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(jì)算機(jī)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事HSE數(shù)字化、虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真等工作。