浅析虚拟仿真技术在制造业技能培训中的应用

张玮+沈浩

摘 要 随着社会的不断发展进步，计算机技术的更新换代，虚拟仿真技术应运而生并被广泛的应用于各行各业中，其便捷性、安全性及带来的社会经济效益不言而喻。将虚拟仿真技术应用到船舶制造技能培训中，是改进企业传统技能教学模式的弊端的大胆尝试。

关键词 虚拟仿真技术 技能培训 效益 成果

中图分类号：TH164 文献标识码：A

1企业概况

沪东中华造船（集团）有限公司是中国船舶工业集团公司旗下的骨干企业，建造产品涵盖多型军用舰船、超大型液化天然气船、超大型集装箱船、成品油船、原油船、散货船、特种船等上百种船型，以及海洋工程产品、超大型钢结构工程等产品，是国内海洋装备的重要制造基地。

沪东中华技术实力雄厚，不仅拥有国家级企业技术中心、博士后科研工作站， 还建立了四大数字造船信息管理系统，实现了设计、制造和管理的协同集成。在船舶研发、设计方面引领行业发展。

2企业传统技能教学模式的弊端

传统的技术工人培训一般采用课堂理论培训与现场实际操作交替进行的模式。教材根据实际生产工艺采用定期固定的模式，现场实际操作训练也基本上由老师针对实验项目进行强化培训。教学手段往往受到诸多条件的限制，例如：实训现场空间大、运行维护费用较高、实训内容单一、无法操作大型设备等问题，致使学员对所学对象缺少感性认识，无法得到新时代产业工人的接受条件，使其新知识无法得到快速掌握，其创新能力也得不到很好的培养和挖掘。随着产业升级及工业4.0推进步伐的加快，传统教学方式很难适应新形势的发展，无法与时俱进，而造成教学成本和培训费用攀升。

随着公司产品结构的调整，各种高附加值船舶建造难度越来越大，技术革新越来越频繁，对技术工人的要求也越来越高，同时技术工人的流动性却在日益变大，这些都导致了公司在人员培训方面的需求量激增，培訓各种资源负荷加大，培训成本直线上升。鉴于此，我们必须寻找开发新模式以适应企业降本增益的要求。因此针对传统培训中的诸多问题，公司大力推进教学培训新方法的研究，解决长期以来对专业教学水平和教学质量的制约。

3虚拟仿真技术应用于技能培训的尝试

随着计算机技术的发展，虚拟仿真教学在学员专业能力、操作技巧等方面培训上的优势逐渐显现，此技术已应用于对海员、飞行员的技术培训以及考核。如以飞行员培训为例，在融入了虚拟仿真技术之后，飞行员的平均成熟周期可缩短70%以上，培训成本降低60%以上。

为切实解决传统教学模式存在的大量问题，面对员工培训中出现的实际问题，在召集各方面的专家进行广泛咨询并寻求解决方案后，决定从船体装配着手开发虚拟仿真教学软件。从2011年开始，集工法设计人员、信息程序开发人员、职业培训人员和教学专家于一体进行攻关。工法设计人员主要编制典型船舶的建造流程和关键操作步骤；信息程序开发人员开发虚拟仿真教学软件，打通教学软件与设计软件的接口；职业培训人员研究考评规则。在各方面的共同努力下，2012年船体装配虚拟仿真教学软件开发完成，2013年经过一些列测试、教学实验和完善后正式投入使用，到目前为止，已完成10000余人次的培训，该三维仿真教学不仅快速完成了公司的培训计划，也为培训贴近生产、节省培训成本、增强培训效果起到了关键作用。

该船体装配虚拟仿真教学完全借助三维虚拟技术，构建公司实际施工现场、施工工艺流程相结合的虚拟仿真，对船体分段建造、分段总组阶段的装配工艺流程进行模拟重现，并通过人机交互、装配演示等功能实现船体三维体验式培训和考核。主要功能包括培训人员信息管理、分段建造培训与考核、分段总组培训与考核、知识库扩充功能等，集教学和考评于一体。

例如分段建造培训，学员在软件所模拟的现场环境中，对与现场实际建造完成的分段及其一致的各个分段加以操作。在此过程中，学员将循序渐进地了解分段总组的意义，知道分段总组的具体流程，掌握分段总组的各项工艺要求和规范。而后进行知识考核、评分，该功能是作为考量学员在完成整个学习周期后，量化其知识掌握程度的一种可靠手段。学员必须在规定时间内，完成软件从题库中随机挑选出的考题。软件自动跟踪学员的每一个操作过程，记录下每一步正确或错误但由本人确认后的操作。学员每完成考题中的一个阶段，软件就会正确显示所有该阶段物体信息，并进入下一阶段直至学员交卷。最后，软件自动根据评分规则计算出学员的得分。

4实施效果

4.1社会效益

船体装配仿真系统有助于避免传统教学中的风险，大大降低客观条件对教学的制约，作为一种结合前沿科技的重要教学手段，该社会效益具体体现在以下几个方面：

推动船舶行业教学培训方式不断创新。与传统教学操作相比，船体装配仿真系统教学不仅知识更新快和贴近生产实际、教学更加便捷和高效、学员更加乐于接受。它必将带动船舶行业的其它专业（管子工、电工等）教学培训方式的改变，推动船舶教学事业不断创新。

教学方式更加环保。与传统教学操作相比，由于培训处在虚拟的环境当中，在锻炼学员反复操作的同时，可以大大减少气体、电、钢材的消耗，降低废气的排放量。教学方式更加环保，完全符合目前社会发展的时代要求，起到示范作用。

4.2经济效益

减少耗材使用。传统的专业实践训练需要大量实习耗材，例如装配实训需要大量的钢板与切割设备、切割气体等。在虚拟仿真培训系统，由于使用与实际生产数据完全一致的模型数据，并且严格遵守实际生产工艺流程和规范，因此在学员无须身处现场，就能获得与现场培训相同效果的前提下，可以大大节约在现场学习过程中耗材的消耗。例如公司在2013-2014年内共培训各类船体装配工1429人，共节约材料费用214万元。

5成果应用单位情况反馈

5.1培训运用

本系统不仅可以用于对新进大学生岗位需求的培训，也可用于公司推广某项新工艺、新技术时，对在岗员工的培训任务。本系统自2012年10月通过专家评审后，并于2013年在培训工作中开始实施分层培训。

5.1.1人员培训数量（见表1）

5.1.2实训课程实施前后对比（见表2）

5.2培训效果体现

教学不仅节约培训成本，而且能避免各种危险，具有较高的安全性。虚拟现实仿真技术在教学中的运用，开辟了实训教学的一条新思路。该系统真实模拟了船舶建造装配的工艺流程和操作要点，提供与实际施工现场高度相一致的虚拟环境，严格遵守生产工艺流程、规范的提示和限制功能，使用与实际生产数据完全一致的模型数据，再现了真实的船舶装配生产过程。利用该系统培训，使学员无须身处现场，就能得到与现场培训相同的效果，减少实物教学中的许多重复性工作，缩短学生完成各项工作任务的时间；针对学习过程中存在的问题还可以进行反复的操作训练，不用考虑场地、设备的损耗和材料、能源消耗，与传统的实训教学相比，极大地节约了培训成本，提高了学习效率；同时学员可以在机房中反复使用船体装配工艺软件进行培训，而不受船舶实际建造周期的影响。并且能够大大降低恶劣气候环境对实训带来的影响，便于教师对学员的管理。从而消除可能需要在不同的培训场地进行培训而带来现场安全管理等问题。

经过多年的开发与完善，三维虚拟仿真教学在船体装配中得到实际应用，除了在工人技能培训、大学生认识教育、新员工入厂教育发挥作用外，还对所有员工新产品工艺推广，包括现场工程师、现场管理人员的新工艺、新技术的培训和工艺均有了一些尝试，并取得了较好的社会效益和经济效益。endprint