張 旭

（新疆工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

隨著冶金行業(yè)的技術(shù)升級(jí)，對(duì)技術(shù)技能人才的需求越來(lái)越大。如何讓學(xué)生既具有扎實(shí)的專業(yè)技能知識(shí)，又具備很強(qiáng)的操作能力，同時(shí)這些技能可與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際相貼合，達(dá)到畢業(yè)后短時(shí)間內(nèi)即可上崗的目的，成為冶金相關(guān)企業(yè)對(duì)軋鋼教學(xué)的新要求。模擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)，使生產(chǎn)場(chǎng)景、生產(chǎn)操作真實(shí)再現(xiàn)，極大地滿足了現(xiàn)代教育和技術(shù)技能培訓(xùn)的要求。

1 模擬仿真技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用

模擬仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用真實(shí)的設(shè)備模型或生產(chǎn)過(guò)程模型，對(duì)外形、視覺感受、實(shí)際操作進(jìn)行仿真，以達(dá)到項(xiàng)目訓(xùn)練或生產(chǎn)認(rèn)知的目的。同時(shí)，結(jié)合能進(jìn)行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等多重感知的模擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，體驗(yàn)者可使自己沉浸于模擬環(huán)境中，并與模擬環(huán)境中的物體互動(dòng)，獲得身臨其境的體驗(yàn)。最近幾年，在此基礎(chǔ)之上，又發(fā)展出了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，該技術(shù)可對(duì)體驗(yàn)者的位置、動(dòng)作等進(jìn)行跟蹤和收集，進(jìn)而傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行分析，之后再返回至體驗(yàn)者身上，達(dá)到模擬和現(xiàn)實(shí)完全融合的真實(shí)體驗(yàn)。以上技術(shù)目前已應(yīng)用于教育教學(xué)、軍事訓(xùn)練、城市規(guī)劃、生物醫(yī)學(xué)、互動(dòng)娛樂(lè)等方面，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。模擬仿真技術(shù)目前還被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究中，其技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品已在產(chǎn)品開發(fā)、性能研究、功能測(cè)試、外形設(shè)計(jì)、使用維護(hù)、教育培訓(xùn)等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。我國(guó)在模擬仿真技術(shù)方面的研究已經(jīng)越來(lái)越深入，隨著進(jìn)一步的發(fā)展，該技術(shù)的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。

隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，模擬仿真技術(shù)已經(jīng)覆蓋了社會(huì)各個(gè)方面，極大地推動(dòng)了這些領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和革新，也為其注入了新的能量。比較具有代表性的有以下幾個(gè)領(lǐng)域：

1.1 教育培訓(xùn)領(lǐng)域

模擬仿真技術(shù)近些年在教育培訓(xùn)領(lǐng)域發(fā)展迅速，并起到了非常好的效果。模擬仿真將傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備、教師課堂教學(xué)以及學(xué)生實(shí)際操作結(jié)合到了一起，將書本內(nèi)容變得具有可操作性，將工廠的大型設(shè)備搬到了普通的實(shí)訓(xùn)室，使學(xué)生在模擬中學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)效率得到顯著提升。隨著高等院校，尤其是職業(yè)院校對(duì)學(xué)生技能培養(yǎng)的要求進(jìn)一步提高，模擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)越來(lái)越受到青睞，并由此延伸出配合模擬仿真教學(xué)培訓(xùn)的新的教學(xué)方法、教學(xué)手段，甚至更新了教學(xué)內(nèi)容。使得原來(lái)枯燥乏味的課本知識(shí)變得生動(dòng)有趣，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，也讓學(xué)生更加容易理解知識(shí)，操作技能也得到了提升。

1.2 交通運(yùn)輸領(lǐng)域

交通運(yùn)輸是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，它是由道路、環(huán)境、車以及人等方面組成，任何一方面的改變，都有可能引發(fā)一項(xiàng)事故。因此在評(píng)價(jià)交通安全的時(shí)候，必須要充分考慮到道路、環(huán)境、車以及人等各方面的作用和影響。模擬仿真技術(shù)的介入，為交通安全評(píng)價(jià)提供了一個(gè)可靠的方法。通過(guò)設(shè)計(jì)和模擬一定交通路段內(nèi)的車、物、環(huán)境，預(yù)測(cè)多種結(jié)果的出現(xiàn)并評(píng)測(cè)出現(xiàn)的概率，然后以旁觀者的角度來(lái)進(jìn)行結(jié)果分析，進(jìn)而得出較為準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1.3 制造業(yè)領(lǐng)域

制造業(yè)技術(shù)的革新和提升需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做基礎(chǔ)，這些大量數(shù)據(jù)的獲得需要耗費(fèi)非常多的人力和財(cái)力，這也是很多制造業(yè)企業(yè)的實(shí)際難題。隨著模擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)的獲得都可以在模擬的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，并且仿真數(shù)據(jù)可以做到與實(shí)際數(shù)據(jù)的高度吻合，大大降低了試驗(yàn)的難度和成本。

2 軋鋼教學(xué)中的難題

2.1 傳統(tǒng)教學(xué)多以講授為主，實(shí)操訓(xùn)練較少

一直以來(lái)，課堂授課始終是教育教學(xué)的主要方式。傳統(tǒng)的課堂授課，其方法較為單一，通常為教師講，學(xué)生被動(dòng)的聽，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣較低，甚至產(chǎn)生抵觸、厭學(xué)的心理。如此，學(xué)生不能主動(dòng)去學(xué)習(xí)，只是在被動(dòng)接受知識(shí)，學(xué)生不愛學(xué)，教學(xué)效果將收到很大影響。尤其作為職業(yè)教育來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)教學(xué)方式在技能學(xué)習(xí)方面效果差，學(xué)生必須要去實(shí)操訓(xùn)練，真正上手或處于仿真環(huán)境中，才能培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)工作崗位的能力。

2.2 專業(yè)知識(shí)難理解

軋鋼專業(yè)是冶金類專業(yè)之一，冶金專業(yè)具有專業(yè)性強(qiáng)、知識(shí)與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合度高的特點(diǎn)，因此相關(guān)課程較抽象，而且課本大多是理論知識(shí)的講解，與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合不緊密，學(xué)生很難理解領(lǐng)會(huì)，將相關(guān)知識(shí)進(jìn)行熟練應(yīng)用的難度更高。

2.3 實(shí)訓(xùn)操作難實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代教育尤其是職業(yè)教育，對(duì)學(xué)生操作技能的要求越來(lái)越高，而像軋鋼課程的實(shí)操現(xiàn)場(chǎng)都是大型化的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，將這些大型設(shè)備搬到學(xué)校實(shí)訓(xùn)室難度大，也不可能讓學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操練習(xí)，不利于學(xué)生實(shí)操技能的學(xué)習(xí)。

2.4 職工培訓(xùn)效果差

職工培訓(xùn)也是企業(yè)發(fā)展的必要條件之一，現(xiàn)在企業(yè)對(duì)職工的再教育越來(lái)越重視，企業(yè)希望通過(guò)培訓(xùn)，能提高職工的理論水平及操作能力。但目前的職工培訓(xùn)大多只進(jìn)行理論教學(xué)，而忽略了技能的提升，這與企業(yè)的期望有所偏差。

3 仿真模擬系統(tǒng)在軋鋼教學(xué)中的具體應(yīng)用

將模擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于軋鋼教學(xué)中，通過(guò)模擬真實(shí)的工作場(chǎng)景，將學(xué)生和員工置于模擬場(chǎng)景中，以獲得更多實(shí)用、扎實(shí)的實(shí)踐技能。

3.1 軟硬件結(jié)合仿真

使用計(jì)算機(jī)軟件三維成像技術(shù)與硬件技術(shù)相結(jié)合的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，其成本更低，使用起來(lái)也更加靈活；而與純計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)軟件相比，其又具有直觀、操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。除此之外，軟硬件結(jié)合的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，還很好地解決了建設(shè)經(jīng)費(fèi)、實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地不足等方面的難題，因此已逐漸成為高等院校和企業(yè)進(jìn)行教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、培訓(xùn)的首選。

軋制模擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)軟件三維成像技術(shù)與硬件技術(shù)相結(jié)合，打造類似于軋機(jī)的模擬工作環(huán)境，讓學(xué)員和企業(yè)員工快速熟悉軋機(jī)的運(yùn)行和工作環(huán)境。在模擬環(huán)境中提高技能、學(xué)會(huì)工藝，解決傳統(tǒng)教學(xué)無(wú)法在現(xiàn)實(shí)中操作的困難。

3.2 結(jié)合軋鋼工藝模型

模擬仿真技術(shù)很重要的一個(gè)特點(diǎn)就是可以進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，相關(guān)軟件在進(jìn)行開發(fā)時(shí)可根據(jù)用戶的需要對(duì)實(shí)物進(jìn)行等比例還原，使得模擬場(chǎng)景更加真實(shí)。

模擬軋鋼系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際軋鋼機(jī)械，根據(jù)實(shí)際機(jī)械制作模擬數(shù)學(xué)三維模型，根據(jù)真實(shí)機(jī)械的動(dòng)作做出模擬模型動(dòng)作，以達(dá)到真實(shí)場(chǎng)景的再現(xiàn)。

3.3 設(shè)置考核評(píng)分系統(tǒng)

以課堂教學(xué)和分段績(jī)效考核為主要內(nèi)容，評(píng)價(jià)軋鋼模擬仿真系統(tǒng)在學(xué)生教學(xué)和員工培訓(xùn)中的效果。利用模擬技術(shù)提高常規(guī)評(píng)價(jià)的效率和準(zhǔn)確性，也可以結(jié)合實(shí)際情況，實(shí)施多重評(píng)價(jià)，改善和提升學(xué)生及員工的學(xué)習(xí)效果。

4 意義

4.1 解決鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備操作人員的培訓(xùn)問(wèn)題

軋鋼工藝相對(duì)于其他冶金工藝來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜，近些年來(lái)，雖然軋制操作的自動(dòng)化程度有所提高，但是人工操作仍占據(jù)重要位置。因此，軋鋼一線操作工的技術(shù)水平將直接影響鋼鐵軋制的效率以及軋鋼產(chǎn)品的質(zhì)量。目前技術(shù)工人的培訓(xùn)依舊延續(xù)著傳統(tǒng)的傳、幫、帶的方式，即有經(jīng)驗(yàn)的操作工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)新工人進(jìn)行邊操作演示邊培訓(xùn)。隨著對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，這種培訓(xùn)方式的弊端也越來(lái)越明顯。首先，這種培訓(xùn)方式的周期長(zhǎng)，鋼鐵軋制是實(shí)際生產(chǎn)中節(jié)奏非?？?，新工人很難通過(guò)幾次展示就學(xué)會(huì)弄懂，而是需要多次觀察、上手操作后，才能真正掌握技術(shù)要領(lǐng)。其次，這種培訓(xùn)方式易造成經(jīng)濟(jì)損失，新工人在學(xué)習(xí)或有經(jīng)驗(yàn)工人在展示的過(guò)程中，會(huì)有一些因失誤或教學(xué)展示而形成的廢料，如此便出現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)損失。因此，一個(gè)不影響工業(yè)生產(chǎn)，同時(shí)還能讓新工人快速上手操作學(xué)習(xí)的培訓(xùn)方式，稱為眾多冶金企業(yè)的期盼。

針對(duì)上面的情況，基于模擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軋鋼仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。主要思想是利用模擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)圖形顯示技術(shù)為核心，在計(jì)算機(jī)中生成栩栩如生的模擬環(huán)境，讓用戶通過(guò)必要的硬件設(shè)備與模擬環(huán)境中的物體自然交互，相互影響，產(chǎn)生身臨其境的感覺和經(jīng)驗(yàn)。軋鋼操作員被放置在真實(shí)的模擬軋制生產(chǎn)環(huán)境中，通過(guò)向操作臺(tái)發(fā)送各種控制信號(hào)，在模擬環(huán)境中連續(xù)改變鋼板的軋制狀態(tài)，然后通過(guò)眼睛觀察軋制狀態(tài)及相應(yīng)的運(yùn)行效果，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)交互式實(shí)時(shí)控制。在不影響實(shí)際生產(chǎn)的前提下，達(dá)到了培訓(xùn)軋鋼操作工軋制協(xié)調(diào)性和準(zhǔn)確性的目的，大大縮短了培訓(xùn)周期，彌補(bǔ)了原有在線培訓(xùn)的局限性。

4.2 模擬軋鋼系統(tǒng)是解決軋鋼操作人員培訓(xùn)的重要手段

從事鋼鐵行業(yè)的企業(yè)必須加強(qiáng)對(duì)員工的培訓(xùn)，以期在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，避免安全事故的發(fā)生。然而，傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式不僅成本高昂，而且效果差，員工也感覺枯燥，這讓企業(yè)陷入了兩難的境地。模擬軋鋼培訓(xùn)和模擬操作系統(tǒng)以模擬方式培訓(xùn)人員，解決了鋼鐵行業(yè)員工培訓(xùn)問(wèn)題。通常由于設(shè)備、空間和資金等硬件限制，許多現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)無(wú)法開展。借助模擬軋鋼系統(tǒng)，學(xué)生足不出戶即可進(jìn)行各種操作，獲得與真實(shí)軋鋼一樣的體驗(yàn)。在保證教學(xué)效果的前提下，成本得到了顯著降低。除此之外，在現(xiàn)實(shí)操作中，一些實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性，學(xué)生進(jìn)行操作時(shí)存在安全隱患，但如果利用模擬仿真技術(shù)進(jìn)行模擬操作，將會(huì)徹底解決這個(gè)問(wèn)題。同時(shí)，相較于傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，模擬設(shè)備的更新更加簡(jiǎn)單和低成本，教學(xué)內(nèi)容也可以及時(shí)更新，使其跟上現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展。

4.3 培訓(xùn)新方法推動(dòng)創(chuàng)新革命

長(zhǎng)期以來(lái)，軋鋼工的培訓(xùn)和考核大多采用面授教學(xué)、紙質(zhì)考試的方式進(jìn)行，教學(xué)方式簡(jiǎn)單，純理論的教學(xué)知識(shí)晦澀難懂，培訓(xùn)效果差。同時(shí)，因缺乏實(shí)操訓(xùn)練，使得操作技能有所欠缺，對(duì)軋鋼設(shè)備的結(jié)構(gòu)不甚清楚，缺乏處理設(shè)備故障和應(yīng)對(duì)緊急情況的能力。

模擬軋鋼系統(tǒng)提出了基于三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的產(chǎn)品快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論體系。在三維平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了操作人員對(duì)過(guò)程自動(dòng)化的理解和操作，以及設(shè)備維護(hù)與故障排除的實(shí)踐，使其能夠在模擬樣機(jī)層面，對(duì)過(guò)程操作和設(shè)備維護(hù)技術(shù)進(jìn)行評(píng)估，優(yōu)化篩選，大大提高了工作效率。

4.4 推動(dòng)行業(yè)培訓(xùn)再上新臺(tái)階

模擬仿真技術(shù)目前已經(jīng)是企業(yè)和高校的新方向、新主題，其將有效提升這些企業(yè)和高校的綜合競(jìng)爭(zhēng)力，并大大促進(jìn)企業(yè)職工技術(shù)的進(jìn)步、學(xué)校學(xué)生技能的提高。跟發(fā)達(dá)國(guó)家相比，模擬仿真培訓(xùn)在我國(guó)的起步比較晚，起點(diǎn)較高，模擬仿真將成為企業(yè)和學(xué)校培訓(xùn)的新模式，高校和企業(yè)開始逐步向數(shù)字化以及網(wǎng)絡(luò)化方向轉(zhuǎn)變。

企業(yè)和學(xué)校正面臨向數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的重大轉(zhuǎn)變。模擬仿真技術(shù)將前沿科技與傳統(tǒng)的工藝生產(chǎn)相結(jié)合，不斷拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，為金融投資、社會(huì)就業(yè)和企業(yè)發(fā)展帶來(lái)巨大商機(jī)。模擬仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是企業(yè)和院校實(shí)現(xiàn)新型培養(yǎng)模式的條件，有利于實(shí)現(xiàn)高校和企業(yè)的高質(zhì)量跨越式發(fā)展。模擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)將為企業(yè)和高校的培訓(xùn)帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，人工智能技術(shù)的出現(xiàn)促進(jìn)了教育行業(yè)的智能浪潮，未來(lái)的教育和培訓(xùn)行業(yè)將繼續(xù)通過(guò)新技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，教育培訓(xùn)的效率和規(guī)模將大大提高，優(yōu)質(zhì)教育資源的可獲得性將增加，這將重新定義我國(guó)的教育培訓(xùn)形式。仿真技術(shù)作為一種新型的教學(xué)模式，可以在學(xué)習(xí)過(guò)程中結(jié)合“教、學(xué)、練、評(píng)、測(cè)”五個(gè)環(huán)節(jié)，利用其圖像、語(yǔ)音等識(shí)別功能，分析問(wèn)題，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。