虛擬仿真技術在工程訓練中的應用

劉振東， 李曉東， 馬建民， 曲本全

(中國石油大學(華東) 石油工業訓練中心，山東 青島 266580)

虛擬仿真技術在工程訓練中的應用

劉振東， 李曉東， 馬建民， 曲本全

(中國石油大學(華東) 石油工業訓練中心，山東 青島 266580)

近年來，虛擬仿真技術在工程訓練中的應用越來越廣泛。數控加工仿真訓練軟件能夠實現大部分實際數控設備的功能，大大減少了資金投入，降低了培訓成本，提高了學生動手操作的機會，加快了培訓效率；虛擬焊接綜合仿真實訓系統彌補了常規實訓設備的不足，節約了大量的實訓材料，減少了有害物質釋放，降低了實訓的危險性；中心自主研發的石油工業系列虛擬仿真教學資源，形成了獨具特色的“五融合、四層次、三模式”虛擬仿真實驗教學體系，解決了石油工業生產的不可視、不可及、高溫、高壓、危險性大等培訓所面臨的問題，激發了學生學習石油工業技術的興趣，提高了學生的實踐動手能力，培養了學生的工程意識。

虛擬仿真技術； 數控加工； 虛擬焊接； 石油工業

0 引 言

近年來，高等工科院校的工程訓練中心普遍獲得了更多的關注與資金投入，實習環境、設備升級及內涵建設都有了長足發展，為學生的工程實踐能力提高做出了貢獻[1-4]。但是由于受教學課時、硬件設備數量、現場實訓環境等限制，并出于降低危險、減少成本和污染、提高實踐教學效果等方面的考慮，虛擬仿真技術在工程訓練中的應用越來越廣泛[5-8]。本文結合中國石油大學(華東)石油工業訓練中心的機械制造工程訓練課程，將虛擬仿真技術應用于數控加工技術、焊接技術和石油工業訓練等教學環節，取得了良好的教學效果。

1 數控加工技術虛擬仿真訓練

目前很多學校都購置了數控設備，雖然數控機床的數量有了顯著增加，但仍無法滿足實訓教學的需要，學生從理論學習到實際操作缺少中間過渡環節。實訓教師在現場指導多名學生操作時，環境嘈雜，且很多學生圍著一臺機床，教學效果不理想；數控機床結構復雜緊湊，學生在學習過程中觀察了解機床的工作狀態和工作原理及機床的機構時，觀察角度受到限制等等[9]?；谝陨蠁栴}，在數控加工技術教學中引入了上海宇龍軟件工程有限公司研制的數控加工仿真訓練軟件，其數控車床的仿真界面如圖1所示。

圖1 宇龍數控車床仿真界面

該軟件主要有以下幾個特點：

(1) 仿真軟件可以提供車床、立式銑床、臥式加工中心、立式加工中心等機床的仿真訓練；

(2) 仿真軟件采用數據庫統一管理刀具材料和性能參數庫，刀具庫包含數百種不同材料和形狀的車刀、銑刀，支持用戶自定義刀具以及相關特征參數；

(3) 仿真軟件能夠實現加工運行全環境仿真：仿真數控程序的自動運行和MDI運行模式；三維工件的實時切削，刀具軌跡的三維顯示；提供刀具補償、坐標系設置等系統參數的設定；

(4) 仿真軟件具有考試操作過程和結果記錄回放功能。

采用數控仿真軟件進行數控實訓，學生在學習過程中，能夠將書本中籠統、抽象的概念轉換成形象、直觀的實體操作，激發了學習數控編程與操作課程的學習興趣；提高了學生動手操作的機會，加快了培訓效率和速度。

2 焊接技術虛擬仿真訓練

焊接成形是現代工業高質量、高效率制造技術中一種不可缺少的加工工藝，廣泛應用于各種生產場合，如汽車制造、壓力容器制造、船舶制造和航空航天工業等。雖然目前各種自動化焊接方法比較成熟，應用也越來越多，但是由于手工焊接的方便和靈活性，人工焊接仍占有一定的比例[10]。

目前，大多數高校的手工焊接訓練均采用傳統的模式，不僅要消耗大量的焊條和工件，培訓成本高，而且會因焊接作業時有毒有害氣體、焊接煙塵、粉塵、強光、紫外線、輻射以及電磁污染等有害物質的產生，對學生的身體造成一定的危害?；谝陨蠁栴}，在焊接技術教學中引入了鄭州捷安高科有限公司研制的虛擬焊接綜合仿真實訓系統，其結構組成如圖2所示。

圖2 虛擬焊接綜合仿真實訓系統結構組成

該系統主要有以下幾個特點：

(1) 無需焊材、工件、保護氣體等焊接材料和工業用電，節能環保；

(2) 焊接過程不產生高溫、明火及煙塵，無任何有毒氣體排放，能夠全面保護教師和學員的身體健康；

(3) 系統可進行多角度、全方位的焊接演練，可實現不同焊接位置如平焊、立焊、橫焊、仰焊等；

(4) 能夠以直觀的圖形符號和語音實時提示學員自行矯正焊接姿勢，無需教師親自指導；

(5) 學員完成焊接后，系統自動分析學員的焊接速度、中心偏移、噴嘴高度、工作角度、焊接角度等參數變化并生成評估報告；

(6) 教師可以靈活設置公差大小及各項參數的分值比重，制定個性化培訓計劃，分級培養學員。

該系統在焊接技術實踐教學中起到了很好的助學和助教的作用，受到老師和學生的歡迎。

3 石油工業技術虛擬仿真訓練

石油工業技術主要包括地質勘探、測錄井、鉆井、固井、井下作業、油氣開采、油氣集輸和油氣煉制等多個環節，很多施工環節具有不可視、不可及、高溫、高壓、危險性大等特點[11]，采用常規教學方法難以達到教學目的。專業實習又面臨著耗費資金大、外出時間長、組織協調困難、存在不安全因素等難題，實習效果較差[12]。

石油工業訓練中心為解決以上問題，憑借雄厚的項目經驗和專業優勢，依托虛擬現實、仿真裝備與多媒體技術[13]，融合多種互動硬件與數據庫，投入大量人力和物力對石油勘探開發工業生產工藝流程的各個真實環節進行模擬仿真，建成了8個虛擬仿真教學模塊，形成了中心獨具特色的“五融合、四層次、三模式”虛擬仿真實驗教學體系(見圖3)。該教學體系已在國內外幾十個油田培訓中心和石油類院校的工訓中心得到廣泛應用。

圖3 石油工業訓練中心虛擬仿真教學體系

下面以井下作業仿真訓練模塊為例。井下作業主要包括油氣井維修和油層改造等作業施工，其中油氣井維修主要包括檢泵、試注、堵水、打撈、解卡、套管修復和側鉆等作業；油層改造主要包括酸化和壓裂作業[14]。為便于講解和學生學習，將教學平臺分為知識講解、仿真操作和知識考核三部分。

(1) 知識講解。該教學環節，主要分為油氣井維修和油層改造兩部分，其中油氣井維修主要講解相關基礎知識、常用設備和工具、常用施工工藝等；油層改造主要講解酸化和壓裂施工的常用工具和常用施工工藝。本環節共研發了120種典型井下作業工具和34種典型井下作業工藝的仿真動畫，時長達32 h，所有仿真動畫均配有文字和同步語音解說。形象的動畫使學生理解起來非常容易，大大激發了學生的學習興趣，提高了學生的學習效率(見圖4)。

圖4 “卡瓦打撈筒”結構講解

(2) 仿真操作。在“仿真操作”教學環節，共研發了11種典型的油氣井維修作業仿真項目和6種典型的油層改造作業仿真項目。仿真操作的界面如圖5所示，中間主界面為虛擬數字樣機工況顯示區，右邊為主要設備儀表監視區，下方為控制臺。學生可以在教師的引導下自己動手操作控制臺按鈕和手柄，完成各種井下作業工藝的仿真訓練。本環節具有良好的人機交互功能，操作方便，運行可靠，容錯性好。通過本環節的培訓，學生的動手能力、工程實踐意識和對所學知識的綜合運用能力得到很大提高，能夠很好地與現場操作對接。

圖5 仿真操作界面

(3) 知識考核。該環節，不僅具有理論考核功能，還可以進行實操考核。

理論考核主要為選擇題和判斷對錯題。學生答題后提交，系統能夠自動評出成績，并在答錯的題目處給出正確答案，便于學生檢查、改正。

實操考核時，學生須先登記姓名和學號，然后選擇實操項目，進入實操考核環境，系統能夠根據考生操作的正確程度和熟練程度進行評分。通過該環節，學生能夠對學習情況做出客觀評價，更好地規劃學習目標。

另外，平臺還可以與硬件模擬器對接，如圖6所示，通過軟硬結合，學生如同身臨其境，可顯著提高學生的認知能力和操作技能。

圖6 學生通過模擬器進行實操練習

通過石油工業技術虛擬仿真訓練，使學生增加了對石油工業各生產環節的了解，掌握了各生產環節主要設備和工具的內部結構、工作原理等，激發了學生學習石油工業技術的興趣，提高了學生的實踐動手能力，達到了中國石油大學對本科生的培養目標。

4 結 語

通過以上實例可以看出，虛擬仿真技術在工程訓練教學中起到了很好的助學、助教的作用，降低了實訓成本，提高了實訓效率，尤其是達到了常規教學方法難以實現的教學效果。相信隨著三維建模技術和動作交互技術等虛擬仿真技術的發展，將有更多的虛擬仿真教學系統或軟件在工程訓練教學中得到廣泛應用。

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[2] 傅水根，嚴紹華. 創建國內領先的工程訓練教學示范中心[J]. 實驗技術與管理，2006(4):1-2,31.

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Application of Virtual Simulation Technology in Engineering Training

LIUZhendong,LIXiaodong,MAJianmin,QUBenquan

(Petroleum Industry Training Center，China University of Petroleum (East China)， Qingdao 266580， Shandong, China)

In recent years, application of virtual simulation technology in engineering training is more and more wide. Now most functions of the NC equipment can be achieved by the virtual simulation training software. It greatly reduces funding and training costs, improves the students’ operation chance and training efficiency. Virtual welding comprehensive simulation training system makes up for the deficiency of the training equipment. It saves a lot of training materials, reduces the training risk and the harmful material release. Oil Industry Training Center independently researched and developed a series of virtual simulation teaching resources for the oil industry, formed a virtual simulation experiment teaching system with the advantage of “five fusion, four levels, three model”. It solved the problems such as invisible and untouchable processes, high temperature, high pressure and dange in the training process. It inspired students’ interest in learning oil industry technology, improved students’ practice ability, cultivated the students’ engineering awareness.

virtual simulation technology; numerical control machining; virtual welding; petroleum industry

2016-07-13

國家級虛擬仿真實驗教學中心建設項目(2014)；中國石油大學(華東)教學改革重點項目(JY-A201425)；中國石油大學(華東)教學改革一般項目(JY-B201453)

劉振東(1982-)，男，山東單縣人，工程師，研究方向為海洋石油裝備，機電一體化控制等。

Tel.:18561510989；E-mail: liuzd28@upc.edu.cn

TP 391.0;G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0160-04