基于Virtools的虚拟现实技术及在特种设备教学中的应用

王艳娥

【摘 要】本文以起重运输机械作为案例，分析了虚拟现实技术在特种设备教学培训过程中的具体的应用，论述了应用的方法和应用的措施，可供今后参考和借鉴。

【关键词】Virtools；虚拟现实技术；特种设备教学

虚拟现实又称为虚拟环境。是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的装备，以自然的方式与虚拟环境的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。它综合了先进的信息技术（如网络计算、图形图像处理、多媒体技术、新型传感器、仿真模拟等），甚至心理学、仿生学、艺术等领域的研究成果，目的是致力于构建一个能使人沉浸其中、虚实结合、交互作用的高效的多维的、更为和谐的人机环境。简单而言，技术就是要让用户可以沉浸在一种人工的虚拟环境中，通过虚拟现实软件及其外部设备与计算机进行充分的交互，进行构思，完成所希望的任务。

一、起重运输机械作业人员培训现状

近年来，国内安全生产形势不容乐观，起重运输机械作业事故时有发生，重要的原因就在于起重运输机械作业人员专业知识不足、操作技能不熟练、安全操作素质不高、误操作等。

目前，起重运输机械作为特种设备的范畴，在我国已建立较为健全的特种作业安全培训管理制度，但培训过程及培训方式较为滞后。因此，改变起重运输机械作业人员培训现状，提高作业人员专业素质和操作技能，保证起重运输机械安全、稳定的运行是当今一个刻不容缓的工作。目前，虚拟现实技术已在医学、军事、航空、机器人及制造业、建筑、教育及娱乐等众多领域得到成功的应用。在提高起重运输机械作业人员培训效果方面也将有显著的作用。

2013年6月29日中华人民共和国第十二届全国人民代表大会常务委员会在北京召开的第三次会议审议通过了《中华人民共和国特种设备安全法》，并决定自2014年1月1日起全面施行。而《中华人民共和国特种设备安全法》全面具体的实施，标志着我国特种设备培训、安全管理等工作向法制化、科学化方向迈进了一大步。该安全法的具体颁布实施，以国家法律的形式对特种设备的设计、生产、经营、使用到检验检测、报废等的各个环节作了具体明确的规定，更加法制化、科学化，使得我国的特种设备安全监管体制得到进一步完善。

该法的具体实施对加强特种设备的安全工作起到了积极的作用，而中石化集团公司对其特种设备作业人员的管理更加严格，其安全技术培训取证要求更加规范，理论考试要求微机化，实际操作考试要求实物化，严格按照考核大纲及安全技术规范要求执行。

为进一步提高特种设备作业人员安全操作意识和操作水平，提高特种设备作业人员持证上岗率及理论知识水平与实际操作能力，推进企业全面落实安全主体责任，需要多措并举，从方法模式上创新突破，不断提高职工对企业安全工作的认识和安全操作技能，增强安全生产的社会责任感和法律意识，增强贯彻执行安全法律、法规以及各项规章制度的自觉性，促进全员安全素质提升，形成良好的企业安全氛围，从而推进企业安全培训工作的深度发展。

针对调研分析现有的安全培训存在的问题，提出增强安全培训课堂效果的方式方法。企业安全培训效果的提升通俗易懂地说就是企业员工在劳动生产中的安全思想意识、与安全相关的知识和安全实操技能等方面的提升，针对这四方面提出具体的方式方法如下。

二、虚拟现实在培训教学中的应用

为了改变起重运输机械作业人员培训现状，开发出了基于虚拟现实技术的桥式起重机操作模拟系统。

该系统是套用于桥式起重机操作培训、技能练习、安全教育和实践考核的模拟操作系统。它主要在以下几个方面提高或改善了桥式起重机作业人员培训与考核的效果。

（一）利用虚拟现实沉浸性，提高对起重机械结构和工作原理的了解

该系统利用计算机三维虚拟仿真技术产生逼真的三维立体的桥式起重机工作场景和工况。受训人员通过大屏幕投影仪或佩戴立体成像眼镜，在立体场景中操作桥式起重机，具有很强的身临其境的感觉。

此外，通过该系统还可以近距离，多个角度的观察桥式起重机金属结构和运行机构，甚至于平时看不到的部件，如减速箱内部等，都可以进行实时的观察，能让学员直观、全面的学习桥式起重机各个部件的运行原理和工作方式。

（二）利用虚拟现实的交互性，提高作业人员实际操作的能力

该系统可以很好的让操作员与行进中的三维立体场景实时交互，在各场景中可以进行运行大小车、上下吊钩、各类安全装置的使用等技能的训练。使操作者初步了解桥式起重机的基本原理和基本知识，体会操作桥式起重机的动作要领感受各类安全装置的动作方式。

（三）事故再现与案例分析

在操作训练中，受训人员可通过现场复现功能来观察分析自己的操作训练情况，特别是训练过程中发生重大错误如撞车、撞障碍物、啃轨、安全装置动作等可利用再现的效果来判断和分析错误原因。适合于毫无桥式起重机操作经验的学员进行操作培训，部分具备操作员资格的新手进行实战练习。

（四）该系统还可用于新产品的设计、开发

在研究开发新型桥式起重机时可以通过本系统对新机型进行包括临界、限工况的全工况仿真试验，分析、预估鄉价歸郝關操纵稳定性、安全性、制动性、动力性等；为设计师提供新机型结构参数匹配的最优方案；为引进机型的国产化或进行结构分析和性能比较。

此外，本系统可与人机工程相结合研究各类型桥式起重机对操作员行为、操作员心理和生理特征及机型的操作适应性的统计分析，为桥式起重机人性化设计提供依据。

三、该系统的主要优点

与以前的培训与考核方式相比，基于虚拟现实技术的桥式起重机模拟操作系统有强大的功能，在进行训练、考核、安全技术教育方面具有如下优点：

（一）安全性高

使用桥式起重机模拟操作系统可以安全地进行高速、极限行驶以及非常危险的安全性实验，这在实车实验中是无法达到的。

（二）再现性好

由于桥式起重机运行状态和使用工况等因素很难控制，实车实验再现性较差。而基于虚拟现实技术的桥式起重机模拟器则可以方便地进行数据采集、机型模型的选择和模拟环境的设定，再现性好。

（三）可方便地设定各种条件，經济性高

与实车实验相比，模拟器占地小、耗能少，在软件环境中还可便利地设定各种实验条件和实验参数。

四、总结

虚拟现实技术是一项多学科的综合技术。其基本思想是利用现代科技的手段，人为制造个虚拟的空间，人们能够在这个空间中实现看、听、移动等交互活动，就像在真的环境中一样，用户可以通过计算机进人这个环境并能操纵系统中的对象与之交互，三维环境下的实时性和可交互性是其主要特征。

将虚拟现实应用于起重运输机械作业人员培训，就是将虚拟视景的概念进行设计并构思成可视化和可操作化；实现逼真的现场效果并通过计算机用户接口，给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的感知交互手段，最大限度利用计算机仿真训练器对起重作业人员进行培训，可以提高培训水平，缩短培训周期，减少培训费用。而基于虚拟现实技术的桥式起重机培训系统在实际使用过程达到了良好的效果，显著提高了桥式起重机操作人员的培训质量和效率。

【参考文献】

[1]赵广立.为了生命安全-学习《特种设备安全法》[J].大众标准化，2017（03）：48-51

[2]彭卫芬.营造安全文化氛围提高全员安全意识[J].广西电业，2017（6）：16-17.