典型機械工程安全事故虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)建

李連豪　朱書慧　袁志華　劉婉茹

【摘 要】針對在傳統(tǒng)工程力學(xué)課堂教學(xué)活動中，學(xué)生與實際安全場景互動性差等問題。本文利用虛擬仿真技術(shù)，以架橋機為例，通過知識點模塊分析、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)條件、用戶特殊外置硬件設(shè)計，結(jié)合技術(shù)架構(gòu)及主要技術(shù)開發(fā)，構(gòu)建出典型機械工程安全事故虛擬仿真系統(tǒng)。可大大提高學(xué)生在實際機械安全問題中的互動性。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真;安全事故;架橋機;系統(tǒng);構(gòu)建

中圖分類號： U445.36 文獻標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）27-0201-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.090

【Abstract】Aiming at the problem that the interaction between students and the actual safety scene is poor in the traditional engineering mechanics classroom teaching activities. The virtual simulation system was used to simulate the working conditions of bridge machine in this thesis. Through knowledge point module analysis， operating system and network conditions， design of user special external hardware， combined with technical architecture and main technology development， a virtual simulation system of typical safety accidents in mechanical engineering was constructed. It can greatly improve the interaction of students in practical mechanical safety problems.

【Key words】Virtual simulation; Safety accidents; Bridge machine; System; Construction

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，諸多生產(chǎn)事故頻現(xiàn)，因此在時代的大背景下，避免事故發(fā)生和安全生產(chǎn)等意識逐漸深入人心。

目前，諸多生產(chǎn)事故多屬于機械工程事故。如何避免機械工程事故需要從頭抓起，也就是說，需要從機械工程的設(shè)計者初始就需要增強安全意識，避免事故發(fā)生[1]。

從理論上講，機械工程事故多屬于工程力學(xué)范疇。需要機械工程設(shè)計者具有較高的工程力學(xué)素養(yǎng)才能有效地避免機械工程事故的發(fā)生，也就需要機械工程設(shè)計者在初始學(xué)習(xí)工程力學(xué)時就能意識到不同工況下可能出現(xiàn)的機械工程事故。

在傳統(tǒng)工程力學(xué)課堂教學(xué)活動中，學(xué)生與實際安全場景的互動性差。在理解及認識上和實際相差很大，因此遠不能達到該課程的教學(xué)目的。正是基于這些問題，新的教學(xué)模式應(yīng)運而生。目前，應(yīng)用較廣的是虛擬仿真技術(shù)[2-3]，其結(jié)合信息技術(shù)，可將復(fù)雜和危險場景再現(xiàn)在學(xué)習(xí)者，可增強學(xué)生的對復(fù)雜問題的認知，提高對相關(guān)知識的理解能力[4]。

由于機械工程事故眾多，就其基礎(chǔ)學(xué)科工程力學(xué)而言，典型機械工程安全事故，如架橋機工作過程可能出現(xiàn)的事故，是工程力學(xué)全部知識點和相關(guān)實驗的再現(xiàn)，具有典型的代表性。

鑒于上述原因，本文通過虛擬仿真技術(shù)再現(xiàn)架橋機工作過程可能出現(xiàn)的事故為出發(fā)點，彌補傳統(tǒng)工程實踐教育的不足，提高機械工程本科生創(chuàng)新、動手能力，作業(yè)實踐素質(zhì)及思考和解決問題的能力。

1 配套裝置及軟件

1.1 硬件

硬件包括VR圖形工作站;頭戴式虛擬現(xiàn)實頭盔;六自由度操控手柄等。

1.2 軟件系統(tǒng)

1.2.1 知識模塊

知識模塊如表1所示。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)條件

客戶端向服務(wù)器，正常狀態(tài)下1秒可上傳1MB內(nèi)容，建議安裝10M帶寬的網(wǎng)絡(luò)。客戶端同時響應(yīng)量100，超過此數(shù)量系統(tǒng)提供在線登陸排隊提醒服務(wù)。

1.2.3 用戶操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)：Windows;版本要求：XP、Win 7、Win 8、Win 10;其他計算終端操作系統(tǒng)和版本要求;操作系統(tǒng)：Windows;版本要求：XP、Win 7、Win 8、Win 10。支持移動端。

1.2.4 用戶硬件配置

內(nèi)存：8GB，CPU：I7顯卡：GTX 1060 4G以上存儲容量：500G網(wǎng)卡：10/100。

1.2.5 用戶特殊外置硬件

配備2個6 Dof手柄及一個6 Dof虛擬現(xiàn)實頭盔;分辨率：1440*1440;對角顯示尺寸：2.89”（*2）;頭盔：可翻轉(zhuǎn)式;水平視野：105度顯示屏：OLED屏。

刷新率：90HZ;音頻：內(nèi)置音頻輸出和麥克風(fēng)支持3.5mm單線連接;定位：自帶雙攝像頭定位。

2 技術(shù)架構(gòu)及主要研發(fā)技術(shù)

如表2所示。

3 結(jié)束語

本文以架橋機為例將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到《工程力學(xué)》的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中。通過知識點模塊分析、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)條件和用戶特殊外置硬件設(shè)計，結(jié)合技術(shù)架構(gòu)及主要技術(shù)開發(fā)，初步構(gòu)建出典型機械工程安全事故虛擬仿真系統(tǒng)。其將在探索和發(fā)展《工程力學(xué)》的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)思路、提升《工程力學(xué)》的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)水平、改造其教學(xué)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程和推動教學(xué)改革等發(fā)揮一定的推動作用。

【參考文獻】

[1]曾子力.安全工程中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用分析[J].電腦迷，2016（03）：47.

[2]劉方奎，張輝.安全工程中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用分析[J].河南科技，2015（23）：91.

[3]王子君.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在煤礦安全工程中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2007（12）：64-65.

[4]丁楠，汪亞珉.虛擬現(xiàn)實在教育中的應(yīng)用：優(yōu)勢與挑戰(zhàn)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2017，27（02）：19-25.