王鈺文，鄧 嶸，曾 鳴

(西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,四川 成都 610500)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)的組成部分,是塑造大學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力的主要途徑。通過(guò)教學(xué)大綱設(shè)定的基礎(chǔ)型、綜合型和研究型實(shí)驗(yàn),加強(qiáng)學(xué)生邏輯思維模式的訓(xùn)練,培養(yǎng)其專業(yè)技能和創(chuàng)新精神,將知識(shí)、能力與科研素養(yǎng)發(fā)展為多層次、漸進(jìn)式且相互聯(lián)系、相互補(bǔ)充的有機(jī)整體[1]。目前石油高校關(guān)于油氣裝備技術(shù)領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的培養(yǎng)面臨著教學(xué)內(nèi)容滯后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的局面,特色專業(yè)與學(xué)科資源的整合不充分,導(dǎo)致了本科生專業(yè)技術(shù)掌握不到位,現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)能力較差,工程創(chuàng)新與實(shí)踐能力有所欠缺,嚴(yán)重制約了我國(guó)石油天然氣工業(yè)和油氣裝備的可持續(xù)性發(fā)展。經(jīng)過(guò)調(diào)研,其主要原因來(lái)自兩方面:一是落后的教學(xué)方式,課堂授課形式以傳統(tǒng)講解為主,其中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)缺乏多元化和開放性,使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)最后演變成認(rèn)知學(xué)習(xí)；二是油氣裝備專業(yè)的特殊性,石油機(jī)械多為成套大型設(shè)備且設(shè)備操作復(fù)雜,在訓(xùn)練與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中潛藏著重大安全隱患,所以實(shí)踐訓(xùn)練難以開展。

針對(duì)上述問題,本文結(jié)合西南石油大學(xué)關(guān)于油氣裝備技術(shù)虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué),以數(shù)字鉆機(jī)司鉆控制仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例,提出基于Kinect體感交互技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不受場(chǎng)地和儀器設(shè)備的限制,具備開設(shè)各種實(shí)驗(yàn)類型的條件,尤其適合高危險(xiǎn)性和不可復(fù)制的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,能夠最大化利用教學(xué)資源,彌補(bǔ)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的固有缺陷[2-3],建立與實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互補(bǔ)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究現(xiàn)狀

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將計(jì)算機(jī)應(yīng)用、電子、軟件工程深度融合后發(fā)展的一項(xiàng)革命性新技術(shù),該技術(shù)使用戶以自然方式與虛擬環(huán)境物體發(fā)生交互作用、相互影響[4],生成與真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感高度近似的數(shù)字環(huán)境。這種技術(shù)結(jié)束了人機(jī)交互應(yīng)用領(lǐng)域存在的“單實(shí)無(wú)虛”和“虛中缺實(shí)”的局面,對(duì)人們認(rèn)識(shí)、模擬和掌握事物有很大的推動(dòng)作用。目前常見的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件有Quantum3D公司開發(fā)的OpenGVS 3D應(yīng)用軟件,Kitware公司提供的Vtk軟件系統(tǒng)以及Act-3D公司開發(fā)的Quest3D等[5],此類軟件能夠?qū)崿F(xiàn)角色在虛擬環(huán)境中的互動(dòng)與交流。另一方面?zhèn)鞲性O(shè)備在質(zhì)量和性能上的提升有力地推動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)步,如Oculus公司推出的Oculus RIFT高性能頭盔顯示設(shè)備,Leap Motion公司推出的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)Leap 3D,以及Microsoft公司推出的Kinect體感交互技術(shù)等,其中Kinect傳感器可以識(shí)別用戶的運(yùn)動(dòng)、手勢(shì)和聲音信號(hào),經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)視覺和音頻特征信息的分析處理,將用戶的身體行為指令投射到虛擬環(huán)境,擺脫了用戶對(duì)鍵盤鼠標(biāo)的依賴,從根本上改變了虛擬互動(dòng)方式。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

1)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受空間的局限,無(wú)論校內(nèi)還是校外,課堂還是課下,學(xué)生根據(jù)各自的學(xué)習(xí)計(jì)劃和進(jìn)度合理調(diào)節(jié)安排實(shí)驗(yàn),并自行完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輻射范圍。

2)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有效地克服實(shí)驗(yàn)條件的諸多限制,特別是面對(duì)石油行業(yè)涉及的高溫高壓、易燃易爆等高危險(xiǎn)、高成本、高消耗的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境可以最大程度還原實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

3)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的趣味性和教學(xué)資源的利用率,學(xué)習(xí)者以角色化身虛擬場(chǎng)景中,使其更關(guān)注學(xué)習(xí)任務(wù),有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,貫徹“寓學(xué)于樂”的教育理念。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為高校在教育教學(xué)帶來(lái)革新與突破,西方的發(fā)達(dá)國(guó)家瞄準(zhǔn)了該技術(shù)的先進(jìn)性和潛在優(yōu)勢(shì),率先將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于教育教學(xué)中,其中有超過(guò)150所美國(guó)高校受益于林登實(shí)驗(yàn)室的Second Life項(xiàng)目,此外美國(guó)的東卡羅琳那大學(xué)、科羅拉多大學(xué)[6-7],英國(guó)開放大學(xué)等眾多國(guó)外高校均利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建了各自的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[8]。

相比而言,雖然國(guó)內(nèi)在虛擬現(xiàn)實(shí)的教育應(yīng)用起步相對(duì)較晚,但是技術(shù)的推廣勢(shì)頭卻很迅猛,根據(jù)“國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革與發(fā)展規(guī)劃綱要(2011—2020)”中指出:信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性作用,必須予以高度重視。近年來(lái),國(guó)內(nèi)高校積極構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,通過(guò)虛擬仿真填補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不足[9]。本文為了便于對(duì)比,對(duì)非石油類高校的調(diào)研對(duì)象分為985/211高校和普通高校兩類[10-13],如表1和表2所示。調(diào)研方向主要圍繞實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、應(yīng)用技術(shù)和特征等幾個(gè)方面展開,從虛擬仿真在實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的不同方面出發(fā),參考各高校的案例,結(jié)合技術(shù)發(fā)展的一般規(guī)律來(lái)看,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有望成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最有效形式之一。

表1 985/211高校虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用

表2 普通高校虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用

分別選取中國(guó)石油大學(xué)(北京)、中國(guó)石油大學(xué)(華東)、東北石油大學(xué)和西南石油大學(xué)在行業(yè)內(nèi)具有代表性的石油高校作為調(diào)研對(duì)象,描述這四所大學(xué)在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體使用情況。以中國(guó)石油大學(xué)(北京)為例,基于油氣儲(chǔ)運(yùn)學(xué)科在國(guó)內(nèi)的領(lǐng)先地位,開發(fā)了油田聯(lián)合站仿真等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；中國(guó)石油大學(xué)(華東)開發(fā)了石油鉆采機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[14]；東北石油大學(xué)應(yīng)用沉浸式交互G-Magic系統(tǒng)完成石油鉆采機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[15]；西南石油大學(xué)油氣裝備技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心通過(guò)Kinect技術(shù)研發(fā)了數(shù)字鉆機(jī)司鉆控制平臺(tái)虛擬仿真系統(tǒng),上述石油高校利用虛擬技術(shù)在油氣裝備實(shí)驗(yàn)教學(xué)中展開了相關(guān)實(shí)驗(yàn),如表3所示。

表3 石油高校虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用

2 對(duì)象和方法

實(shí)驗(yàn)主要承擔(dān)機(jī)械工程專業(yè)設(shè)下的石油礦產(chǎn)機(jī)械、海洋石油裝備、井下作業(yè)及工具三個(gè)專業(yè)的教學(xué)任務(wù)。根據(jù)相關(guān)專業(yè)的教學(xué)需求,開設(shè)了鉆井機(jī)械和采油機(jī)械實(shí)驗(yàn)課程,課程包含了三項(xiàng)綜合型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,兩項(xiàng)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和一項(xiàng)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；此外,該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還面對(duì)全校相關(guān)專業(yè)的工程認(rèn)知教學(xué)任務(wù),課程包含了三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,如圖1所示。實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬鉆機(jī)的操作工況,使學(xué)生掌握鉆機(jī)設(shè)備的基本知識(shí),清楚鉆機(jī)的操作流程和注意事項(xiàng)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由體感信息采集、處理部分和鉆機(jī)司鉆控制仿真部分組成,其中硬件包括計(jì)算機(jī)、Kinect體感攝影機(jī)和投影幕布。Kinect體感攝影機(jī)是系統(tǒng)的核心部件,它的工作原理是通過(guò)紅外傳感器和光深度感應(yīng)器測(cè)量攝影機(jī)與對(duì)象的相對(duì)距離,Kinect的有效范圍0.8～4.0 m內(nèi),測(cè)量角度為±28°,當(dāng)測(cè)量超出有效范圍以外,Kinect還具有一定的追焦功能。Kinect與一般攝像機(jī)最大的區(qū)別在于借助紅外線跟蹤對(duì)象的運(yùn)動(dòng),所以無(wú)論在什么光照條件下,依然能夠完成人體骨架關(guān)節(jié)信息的收集。如圖2所示,本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是將Kinect體感攝影機(jī)設(shè)計(jì)安裝在被測(cè)對(duì)象的正前方,在被測(cè)對(duì)象的上前方安裝投影幕布。當(dāng)傳感器生成的圖像數(shù)據(jù)由USB傳輸?shù)接?jì)算機(jī),通過(guò)計(jì)算機(jī)算法對(duì)圖像實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景識(shí)別,既滿足用戶操作,又能準(zhǔn)確掌握對(duì)象的運(yùn)動(dòng)情況。

圖1 實(shí)驗(yàn)課程及項(xiàng)目

圖2 操作示意圖

3 實(shí)例研究與實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

數(shù)字化鉆機(jī)司鉆控制平臺(tái)采用Unity 3D軟件對(duì)井場(chǎng)場(chǎng)景及鉆機(jī)設(shè)備三維建模,如圖3所示。圖中虛擬環(huán)境涉及井場(chǎng)環(huán)境、鉆井平臺(tái)和鉆機(jī)設(shè)備,考慮到學(xué)生平時(shí)難有機(jī)會(huì)接觸井隊(duì)現(xiàn)場(chǎng),不了解井場(chǎng)的布局情況,所以為營(yíng)造與真實(shí)環(huán)境相契合的虛擬環(huán)境,系統(tǒng)最大限度還原了井架場(chǎng)景,如此有助于學(xué)生盡快建立對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的感性認(rèn)識(shí)。

從圖3可看出,鉆井平臺(tái)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且龐大的機(jī)械裝置,故虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)其主要設(shè)備的工作參數(shù)和性能指標(biāo)進(jìn)行了詳盡說(shuō)明。此外操作模式的自主選擇也體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的人性化,如系統(tǒng)為用戶提供了體感交互操作模式、網(wǎng)頁(yè)操作模式和可執(zhí)行文件選項(xiàng),用戶可以通過(guò)瀏覽服務(wù)器登陸或者在電腦上安裝執(zhí)行文件使用該系統(tǒng),并且用戶可以根據(jù)硬件配置,自主選擇系統(tǒng)提供的分辨率和顯示質(zhì)量模式。

圖3 虛擬鉆機(jī)平臺(tái)布局

3.2 仿真操作

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)非常重視虛擬環(huán)境的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),在虛擬的司鉆房中設(shè)置了司鉆臺(tái)、畫面監(jiān)視器和參數(shù)顯示儀等。由于司鉆房的空間比較狹小,儀器儀表操作復(fù)雜,所以如何穩(wěn)定、精確地操控虛擬司鉆臺(tái)成為問題的關(guān)鍵。為此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)用戶動(dòng)作的識(shí)別精度做出了嚴(yán)格要求,重點(diǎn)測(cè)試學(xué)生的站立、坐下、張手、抬臂等動(dòng)作姿態(tài)及手指關(guān)節(jié)的彎曲程度,如圖4和圖5所示。從圖中可以看出,學(xué)生處于真實(shí)的自然環(huán)境中,利用Kinect的光深度感應(yīng)器和動(dòng)態(tài)捕捉儀監(jiān)測(cè)學(xué)生的骨骼關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,然后圖形信息經(jīng)計(jì)算機(jī)反映到虛擬環(huán)境中,學(xué)生通過(guò)手臂和手指的動(dòng)作指揮著虛擬事物的移動(dòng)和觸發(fā),宛如現(xiàn)場(chǎng)操控司鉆臺(tái)的機(jī)械手柄和功能按鍵。

圖4 司鉆控制仿真

圖5 操作界面

3.3 應(yīng)用效果

基于Kinect技術(shù)的數(shù)字鉆機(jī)司鉆控制平臺(tái)基本滿足石油高校關(guān)于鉆井設(shè)備方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。通過(guò)觀察與走訪后發(fā)現(xiàn):實(shí)驗(yàn)的體感交互設(shè)計(jì)和網(wǎng)頁(yè)交互設(shè)計(jì)雙模式提升了學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣,允許學(xué)生在任何有網(wǎng)絡(luò)的條件下登陸實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行學(xué)習(xí)與認(rèn)知,促使學(xué)生主動(dòng)探索和學(xué)習(xí)。體感互換的操作模式鍛煉了學(xué)生對(duì)鉆機(jī)起、下鉆的操作,掌握起、下鉆的動(dòng)作指令,熟悉鉆壓、鉆速、轉(zhuǎn)盤扭矩、大鉤速度和大鉤高度等各重要參數(shù)指標(biāo)的安全范圍,有助于培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)操控能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)憑借方便、高效的操作優(yōu)勢(shì),逐漸成為石油相關(guān)高校人才培養(yǎng)的發(fā)展趨勢(shì)之一。本文通過(guò)數(shù)字鉆機(jī)司鉆控制平臺(tái)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目闡述了Kinect體感交互技術(shù)的特點(diǎn),利用該技術(shù)可以解決大型裝備實(shí)訓(xùn)安全性的問題,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力,提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的沉浸感,彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在石油鉆機(jī)操作上“只能看,不能動(dòng)”的空白,其協(xié)同配合的教學(xué)效果優(yōu)于其他類型虛擬仿真實(shí)驗(yàn),有助于推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)和能力的雙重發(fā)展,為相關(guān)石油院校在革新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法上提供了參考。