基于擴展現實技術的工業管道安監人員技能培訓應用研究

高薇?鄧葛云?朱景超?朱明輝?鄭大威

摘要：信息化時代新媒體技術不斷迭代，擴展現實技術對于各行業的賦能應用日漸成熟，在教育培訓領域的推進也越來越廣泛。本文利用擴展現實技術實現在安全監察工業管道特種作業人員的培訓領域的應用，是對傳統教育方式帶來的改革和創新作為研究，探討技術革新教學模式對于教學升級的必要性和重要性。在擴展現實技術的應用下，“沉浸式”式虛擬課堂和虛實結合的教學形式逐漸被認可，將極大地改善特種安全監察人員的技能培訓，并開啟一個全新的篇章。

關鍵詞：擴展現實技術；信息化教學；虛擬培訓

基層特種設備安全監察人員的傳統能力提升模式固化在課堂培訓上，存在內容枯燥、課程設計欠缺精準化、受訓人員無法有效參與，形式單一、時間短、頻率低、效果不理想等問題。本文針對這些問題，參考國內外文獻資料，運用擴展現實技術，開發相關職業培訓素材庫和交互工具。通過3D虛擬場景和物件，融合視聽覺信息感官，并透過人機互動和意識理解，讓受訓人員獲得場景化感受和流程化培訓。同時結合移動計算技術，可以讓培訓和受訓人員不受時間和空間的限制，做到課堂培訓與現場培訓相融合。這樣既解決了傳統教學模式存在的問題，也進一步推動了能力提升模式的創新。

一、擴展現實技術概述

科學技術的不斷發展為新媒體技術革新奠定了基礎，以沉浸式體驗、深度學習為目標的系列技術如增強現實、虛擬現實、混合現實技術應運而生，并在教育領域掀起了一股熱潮。

（一）虛擬現實技術

虛擬現實技術是仿真技術與人機接口技術、傳感技術、計算機圖形學、網絡技術、多媒體技術等多種技術的集合。虛擬現實技術主要包括環境模擬、交互感知、自然技能和傳感設備等方面。環境模擬是由計算機通過特定的程序自動生成實時動態的三維立體仿真圖像。

（二）增強現實技術

增強現實技術是一種將虛擬信息和現實環境 “無縫”集成的技術，是把原本在現實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息通過計算機科學等技術，模擬仿真后再實施疊加，將虛擬信息應用到現實環境，被人類感官所捕獲，以達到超越現實的傳統感官體驗。該技術構建了虛擬信息和真實環境實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在的場景。

（三）新技術的融合

虛擬現實和增強現實技術的融合應用既可以展現真實世界的信息，也可以將虛擬信息同步顯示，兩種技術相互補充，構建了新的交互型、可視化虛擬環境。在視覺化的增強現實中，用戶利用AR眼鏡、移動終端等裝備把真實世界與電腦圖形多重合成，達到一種在真實世界與虛擬空間和諧共存的狀態，從而獲得良好的使用體驗。

二、增強現實學習環境的教學方式

（一）基于角色扮演的AR 教學

目前，工業管道特種設備安全監察人員現行的培訓模式存在課程設計欠缺，方式形式化、受訓人員無法有效地參與，形式單一等問題，通過增強現實技術和虛擬現實技術相融合的技能培訓系統設計讓培訓人員在虛擬環境中扮演不同的角色，例如培訓人員、安檢人員等，多視角對特種設備安全監察流程進行觀察和學習。

（二）基于位置的AR 教學

基于位置的教學方式，更注重培訓人員和現實環境的交互，所以使用位置AR教學方式的要充分利用移動技術的優勢，通過AR圖像識別模塊內置圖像識別追蹤功能，針對部分圖片進行AR圖像識別與追蹤，通過AR圖像識別顯示出的3D模型可以定位在被識別圖像上，在實際的培訓實驗中會感覺更真實。

（三）基于任務的AR 教學

在工業管道特種設備安全監察人員培訓的VR實訓場景中，培訓人員點擊標記的模型或者在右側目錄中點擊相應的內容，系統將會自動展示工業管道設備的3D模型或者圖文介紹，用戶可以自行采用旋轉、縮放等方式以及使用屏幕下方頂視圖、正面視圖、自動旋轉、組合動畫、AR/VR等不同類型進行交互。語音里可以播放相關的安監管理方面知識，提高培訓者注意力。

三、擴展現實技術培訓教學體系架構設計

（一） 需求分析

在信息技術快速發展的今天，傳統的理論知識培訓方式已經無法滿足信息化時代下的教學需求和指標。移動終端的普及以及擴展現實技術的發展，為打造高仿真、重交互、超時空的數字信息化培訓模式開辟了“虛擬培訓”的新領域。通過擴展現實系統進行培訓，可把原有需要在實操實驗室進行的實際操作培訓內容，轉化為利用沉浸式媒體技術植入教室，有效解決了教室和培訓場地緊張的問題。同時也將乏味的教室課堂教學變得活潑有趣，還可以忽略考慮自然環境等因素的干擾。工業管道的應用場景比較復雜，培訓過程對環境空間感要求更高，通過擴展現實教學模式，可以構建清晰直觀的虛擬教學場景，高效完成學員的學習目標。

（二）培訓教學架構設計

工業管道特種設備安監人員培訓系統設計主要包括五個模塊系統：工業管道、安監管理、現場安監、案例分析和AR圖像識別。其中，AR圖像識別模塊是培訓系統內部的一個重要模塊，它具有圖像識別功能。該模塊可以識別部分工業管道的圖片，然后通過AR技術，將識別結果顯示為相應的3D管道模型。這樣，學員們可以精準地定位在被識別的圖像上，對管道損傷類型進行分析，并再現故障場景，起到很好的展示作用。

AR圖像識別模塊的出現，為學員提供了一個更加直觀、實用的培訓方式。通過圖片的AR識別，學員們可以深入了解與工業管道相關的知識，同時，也可以通過實際應用場景的模擬，增強學員們的實踐能力和應變能力。AR圖像識別模塊的使用，不僅能增強培訓效果和質量，還能讓學員們更加深入地理解工業管道特種設備的安監工作，為今后的工作打下堅實的基礎。五大模塊設計又分為了二級模塊。在工業管道模塊中，設計了管道類型、視圖類型、漫游類型和元件展示。通過上述四個二級模塊清晰地展現了工業管道的類型和視圖，一目了然。除此之外，在安監管理模塊設計中，開發了動力管道、工藝管道和制冷管道三個部分，將不同的管道類型進行了模塊化。其內部設有VR實訓場景模塊、安監管理實訓項目目錄、3D交互功能按鈕、AI智能實訓/自主控制實訓切換按鈕和導航欄層級目錄?？梢酝ㄟ^不同案例的場景復原和損傷分析進行模擬，讓培訓者在實操練習中事半功倍。系統設計圖如圖1所示。

（三）開發模塊

通過上一節所述，擴展現實技術在工業管道安全監察人員技能培訓系統中應用，主要開發了工業管道、安監管理、現場安監、案例分析和AR圖像識別五個模塊。在開展不同等級人員的工作培訓時，通過不同的配置和用戶角色權限進入不同的培訓模塊，方便對不同等級培訓人員進行培訓，提高培訓的效果和效率，保證操作的安全性，方便裝置的使用。通過系統內部設計的AR圖像識別模塊，可追蹤并定位培訓人員實操過程中的問題和故障復現。在工業管道模塊開發中，添加了各種類型管道模塊、視圖類型模塊、漫游類型模塊和元件展示模塊。在工業管道模塊內，可以通過三維模擬的方式清晰地對管道元件、安全裝置、附屬設施、伴熱設施進行詳細的培訓。平時容易磨損的管子、管件、閥門、管法蘭等配件通過三維模擬的方式展現，既可以達到練習的效果，也提高培訓的效率，保證培訓人員的安全性。還有一個開發亮點是在安監管理模塊內設計了VR實訓場景模塊、3D交互功能按鈕、AI智能實訓/自主控制實訓切換按鈕和導航欄層級目錄。根據不同培訓角色的權限進入安監管理中工業管道/工藝管道/制冷管道之后，可以通過相對應的安監管理VR實訓功能模塊，進行動力管道、工藝管道和制冷管道的VR實訓場景，讓培訓人員仿佛身臨其境，感受真實的場景氛圍，從而更好地理解并消化所學內容。同時，AI智能實訓/自主控制實訓切換按鈕也可以讓培訓者在不同的實訓階段進行自由切換，滿足不同階段實訓的需求。導航欄層級目錄則提供了方便快捷的培訓指引，便于培訓者查找所需的功能和模塊。

四、擴展現實技術在實訓教學中的應用

（一）虛擬現實沉浸課

沉浸式學習源于三維仿真模擬的培訓系統，通過新媒體移動終端，如智能手機、VR頭顯、AR眼鏡等，培訓者能視覺上進入虛擬學習環境，達到超越真實場景的培訓效果。在工業管道安監人員培訓領域中，應用沉浸式虛擬現實技術，既能達到“漫步星空”的奇幻培訓體驗，也能感受“暢游深?！钡膶W習樂趣。

（二）培訓教材體系的應用

1.教學環境的真實性還原

擴展現實技術通過融合虛擬信息和真實信息在培訓人員終端同屏顯示，可以打造更符合培訓人員期望的擬真的訓練場景。特種作業培訓人員可以在模擬的“真實”環境中體驗、學習，同時也能夠觸摸基于AR 技術的虛擬3D 模型，通過互動體驗增強培訓效果。此外，通過AR技術，培訓人員可以從不同角度觀察3D 模型，快速理解該模型描述的現實事物?；贏R技術的即時性和互動性，教學內容可以圍繞培訓人員的視覺、聽覺、觸覺等方面進行設計，從而調動學員的興趣，增強培訓效果。

2.交互自然，反饋迅速

擴展現實技術支持用戶與終端中基于物理環境的虛擬對象自然交互。培訓人員可通過與虛擬對象的交互快速理解書本中的抽象概念，在培訓過程中兼顧趣味性，激發培訓人員受訓的積極性。另外終端還能根據學習者不同的交互方式給予不同的反饋，通過這種方式可以差異化指導培訓人員的學習，提高培訓人員的專注度和參與度。培訓人員可以通過手部動作、語音提示、體感等方式交互，擴展現實技術盡可能地調動培訓人員所有感官來學習。培訓人員在聽、看的基礎上，還能通過肢體語言與環境交互，擴展現實技術基于這種方式完善培訓人員的受訓體驗。

3.提升教學安全性

擴展現實技術的安全性體現在真實性和虛擬性方面。真實性是指增強現實技術的最終呈現效果是基于真實的物理世界，與純虛擬環境的虛擬現實技術不同。在學習過程中，培訓人員可以實時觀察周圍物理環境，提前排除危險因素或應對突發狀況，基于真實的模擬為培訓人員提供了人身安全的保障。虛擬性指擴展現實技術可以模擬高危險系數的實驗場景，如工業管道。在模擬環境下，培訓人員進行危險實驗操作，即使出現失誤也不會受到傷害。

（三）培訓形式的變更

1.教學內容的具象立體化

此前擴展現實技術的發展趨勢主要體現在增強現實硬件設備的迭代升級上。增強現實終端可以將現實信息和虛擬信息融合，并同步展示在使用者視野中?；谔搶嵔Y合和虛實同步的特點，可以將書本中的抽象知識建模，并以虛擬3D模型呈現。相對于傳統教學方式中通過平面的圖像去想象立體的知識。三維空間中通過與教學模型的交互更有助于學生理解抽象知識，這種技術對學生空間思維的訓練、對抽象知識的理解起到重要作用。通過把虛擬信息疊加到現實世界中，能夠把教學中不容易理解的抽象知識內容轉化為立體的、生動的虛擬形象，提高學習者的學習興趣，從而調動學習者的主動性和積極性。

2.多樣化教學素材的關聯展示

擴展現實技術能夠支持豐富多樣的信息展示，包括：文字、圖片、視頻、音頻、網站鏈接、三維模型、三維動畫、全景信息等等。利用增強現實技術，可以在同一個終端將多種信息同屏展示。將這種信息技術運用于教學，可以方便地實現教學內容的擴展和管理知識點的展示，因為知識體系是具有成體系化的特點的。各知識點之間、各單元章節之間、各學科之間并非互相獨立而是有所關聯的。因此，知識的展現形式可以是多種多樣的，但都應該基于知識本身的體系化，整合碎片化的信息，服務于教學目的?；谶@種理念，增強現實技術在一個學習場景中展示相關聯知識的不同形式信息，這種教學方式可以幫助學習者快速建立知識體系，拓展知識面。

3.不受空間約束的教學即時性

圖像掃描識別是擴展現實技術的入口，因為圖像信息依托于真實的物理世界存在。擴展現實技術通過掃描圖像信息并將這些數據存儲到數據庫中。在任何環境中，培訓人員可以通過圖像掃描技術獲取真實環境的信息，并由數據庫向培訓人員終端發送更多相關信息，實現隨時隨地學習的效果，從而大大減少了教育環境對教學效果的限制。實證研究結果表明，基于增強現實技術的特種安監人員培訓軟件可以明顯提高培訓人員的學習效率和學習效果。增強現實技術產生的可視化教學體驗，使培訓者對抽象概念和現象的理解力的訓練起到重要作用。

五、結束語

在傳統教育中應用擴展現實技術可以增強學習過程中的真實性和交互性，提高學習效率，創新教育方式，提升教學質量。擴展現實技術突破了傳統培訓學習中空間和時間的限制，為培訓人員帶來全新的學習體驗。將虛擬現實技術提供的增強現實場景應用于教學任務中，培訓人員可以沉浸式地理解和實踐學習內容。在傳統教育中應用擴展現實技術，可以實現個性化定制教學方案，因材施教，實現碎片化管理。這為未來的培訓教育模式帶來了新的思路。本文研究擴展現實技術在工業管道安監人員技能培訓領域的應用和實踐，有助于該技術更好地為教育培訓服務。本文從應用模型和實施策略兩個角度論證了擴展現實技術在特種人員培訓中心的應用前景和價值。隨著擴展現實技術的發展和應用性能的提高，它在特種行業的培訓應用中將極具發展潛力。

作者單位：高薇 鄧葛云 安徽省特種設備檢測院

朱景超 合肥永固特種設備職業培訓學校

朱明輝 鄭大威 中國科學技術大學先進技術研究院

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