射線照相檢測(cè)及質(zhì)量評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)*

張鵬林,趙志強(qiáng)

(1.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050; 2.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等信息技術(shù)構(gòu)建逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)空間和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，還原和再現(xiàn)真實(shí)情境下實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，解決了部分高危險(xiǎn)、高成本、高消耗、大型綜合類實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中不易開(kāi)展的難題，有效拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度，延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化改革的重要內(nèi)容[1]。教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》中明確提出，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的重要補(bǔ)充[2]。

作為五大常規(guī)檢測(cè)之一的射線技術(shù)，自射線被德國(guó)科學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)后就一直在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用。射線照相檢測(cè)的本質(zhì)是根據(jù)被檢構(gòu)件及其內(nèi)部不同缺陷介質(zhì)對(duì)射線的衰減程度不同，造成透過(guò)工件后的強(qiáng)度存在差異，使不同缺陷在射線底片上呈現(xiàn)不同的形態(tài)，其原理如圖1所示。射線照相檢測(cè)缺陷檢出率高、定性定量準(zhǔn)確、檢測(cè)結(jié)果有直接記錄，在眾多行業(yè)領(lǐng)域廣泛使用[5]。無(wú)損檢測(cè)課程中射線照相檢測(cè)實(shí)驗(yàn)是重要訓(xùn)練項(xiàng)目，但由于射線可與生物組織發(fā)生生化效應(yīng)，防護(hù)不力會(huì)對(duì)人體造成傷害[6]。所以，射線實(shí)驗(yàn)必須要有完善的防護(hù)條件，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地必須通過(guò)輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)，并取得輻射工作許可證才能開(kāi)展輻射研究與實(shí)驗(yàn)工作。射線照相檢測(cè)暗室處理需要顯影液、停影液和定影液等化學(xué)藥品，會(huì)產(chǎn)生一定的實(shí)驗(yàn)廢液，后期處理不當(dāng)可能造成環(huán)境污染。

圖1 射線照相檢測(cè)原理圖

鑒于以上原因，開(kāi)發(fā)了射線檢測(cè)與質(zhì)量評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱射線仿真系統(tǒng))。系統(tǒng)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和仿真軟件等技術(shù)，對(duì)射線檢測(cè)及質(zhì)量評(píng)定的全過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化重構(gòu)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)任務(wù), 實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，可全方位模擬射線照相檢測(cè)的工作環(huán)境、檢測(cè)步驟和工藝要點(diǎn)，讓學(xué)習(xí)者在無(wú)設(shè)備操作安全隱患、無(wú)射線輻射風(fēng)險(xiǎn)、無(wú)化學(xué)廢液產(chǎn)生的環(huán)境下系統(tǒng)、全面、精準(zhǔn)地學(xué)習(xí)射線檢測(cè)知識(shí)。此系統(tǒng)適用于《焊接檢驗(yàn)》及《無(wú)損檢測(cè)》等課程教學(xué)，符合工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中可持續(xù)發(fā)展的要求，對(duì)培養(yǎng)和提升學(xué)生專業(yè)素質(zhì)、創(chuàng)新能力、研究能力等具有重要的實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)基本構(gòu)架

射線檢測(cè)仿真系統(tǒng)是基于DPSP平臺(tái)開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，是集實(shí)驗(yàn)資源瀏覽、仿真實(shí)驗(yàn)操作以及在線學(xué)習(xí)等于一體的信息化計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和操作管理平臺(tái)；打破傳統(tǒng)的以課堂以教師講授為中心的教學(xué)模式，學(xué)生可以隨時(shí)隨地通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)。教師可通過(guò)仿真系統(tǒng)管理平臺(tái)組織學(xué)生進(jìn)行虛擬操作測(cè)試及基礎(chǔ)理論測(cè)試考試來(lái)考核學(xué)生的學(xué)習(xí)效果；學(xué)生可以通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)與老師進(jìn)行互動(dòng)，反饋學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題、分享學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作經(jīng)驗(yàn)、完成課程學(xué)習(xí)筆記、最終參加虛擬課程考試；教師和學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可方便地進(jìn)行資源共享和仿真實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)現(xiàn)學(xué)生與成績(jī)的統(tǒng)一管理，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化以及信息化。系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)架

2 射線檢測(cè)仿真教學(xué)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

射線檢測(cè)及質(zhì)量評(píng)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以射線仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)(以下簡(jiǎn)稱射線仿真教學(xué)平臺(tái))，是采用B/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，根據(jù)面向用戶角色的不同，分為以下三個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即通過(guò)學(xué)院網(wǎng)站登錄平臺(tái)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入學(xué)生用戶子系統(tǒng)、教師用戶子系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)管理用戶子系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)呈現(xiàn)了射線檢測(cè)及質(zhì)量評(píng)定的全過(guò)程，核心功能包括射線檢測(cè)工藝參數(shù)制定、射線透照、暗室處理、缺陷識(shí)別及檢測(cè)報(bào)告等。

2.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)目的

通過(guò)引入射線檢測(cè)仿真教學(xué)平臺(tái)，在理論教學(xué)和技能實(shí)訓(xùn)之間搭建一個(gè)關(guān)鍵性的“紐帶”，有效破解高校射線檢測(cè)理論教學(xué)與技能實(shí)訓(xùn)難以有效融合的難題，提升射線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)踐技能訓(xùn)練、教學(xué)組織管理的效果、效率和效益，優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。射線檢測(cè)仿真教學(xué)平臺(tái)聚合了教授、學(xué)習(xí)、操作、考試、管理和評(píng)價(jià)等功能，可提供完備的教學(xué)功能，學(xué)生可通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)約、仿真實(shí)訓(xùn)的練習(xí)及考核、最后提交仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告等，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程的“閉環(huán)控制”和學(xué)生學(xué)習(xí)效果的“形成性評(píng)價(jià)”。

2.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

(1) 教師可通過(guò)射線檢測(cè)與質(zhì)量評(píng)定仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)理論教學(xué)，同時(shí)在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上傳相關(guān)數(shù)字化的教學(xué)資料如微課、視頻及相關(guān)文獻(xiàn)等，學(xué)生在課前通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行理論知識(shí)的預(yù)習(xí)。教師可對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，例如“通過(guò)式機(jī)制”，學(xué)生只有進(jìn)行理論知識(shí)自測(cè)并通過(guò)后，系統(tǒng)才“認(rèn)可”其已掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)理論，方可進(jìn)入后續(xù)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。

(2) 學(xué)生通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)上下載安裝射線檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，然后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)啟動(dòng)本地計(jì)算機(jī)的射線檢測(cè)虛擬仿真軟件，學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可選擇新手上路對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛙浖僮鞣绞降冗M(jìn)行預(yù)習(xí)。射線檢測(cè)虛擬仿真軟件可以模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)流程等，讓學(xué)生直觀體驗(yàn)射線檢測(cè)與質(zhì)量評(píng)定全過(guò)程。

(3) 教師通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可查看學(xué)生虛擬仿真實(shí)訓(xùn)成績(jī)及各步驟得分情況，并對(duì)學(xué)生輸出的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行審核，反饋實(shí)訓(xùn)結(jié)構(gòu)和指導(dǎo)意見(jiàn)。當(dāng)評(píng)價(jià)為合格，學(xué)生將有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)物實(shí)訓(xùn)演練(特別是將虛擬仿真試驗(yàn)作為實(shí)物實(shí)訓(xùn)前置程序時(shí))，也可用于無(wú)損檢測(cè)資格認(rèn)證考試工作，從各方面都顯著提高了實(shí)物實(shí)訓(xùn)的安全性、有效性和可靠性。

(4) 實(shí)物實(shí)驗(yàn)組織管理。如果條件允許，學(xué)生可進(jìn)行真實(shí)的射線檢測(cè)與質(zhì)量評(píng)定實(shí)驗(yàn)。首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)記錄實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、過(guò)程和結(jié)果的表單、視頻和照片等過(guò)程及結(jié)果信息。學(xué)生通過(guò)發(fā)展實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師可在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的審閱和批改，很大程度上解決了純實(shí)物實(shí)驗(yàn)容易發(fā)生的參數(shù)、過(guò)程和結(jié)果跟蹤記錄不確切、不及時(shí)及不完整等問(wèn)題，對(duì)線下實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)起到很好的計(jì)劃、監(jiān)督、管理以及存檔的控制作用，使實(shí)物實(shí)訓(xùn)更便捷、安全和有效。

2.3 系統(tǒng)實(shí)施的效果

通過(guò)“理論、虛擬和現(xiàn)實(shí)”一體化教學(xué)方式，保證了學(xué)生操作的正確性和規(guī)范性，提高了實(shí)驗(yàn)的可靠性與有效性，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)在資源、設(shè)備以及流程等方面存在的不足。

學(xué)生通過(guò)動(dòng)畫(huà)和VR的學(xué)習(xí)，能夠根據(jù)所選擇的焊接試板(材質(zhì)、厚度及焊接缺陷等)，制定正確的射線檢測(cè)工藝參數(shù)并進(jìn)行模擬曝光；能夠配制顯影液、停影液和定影液，并進(jìn)行暗室處理過(guò)程獲得合格的射線檢測(cè)底片；通過(guò)觀察檢測(cè)底片，能夠發(fā)現(xiàn)焊縫中的缺陷并可對(duì)缺陷進(jìn)行定位、定量及定性，根據(jù)擬給定的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)(NB/T47013-2015)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定，并出具合格的檢測(cè)報(bào)告。

2.4 系統(tǒng)主要操作步驟

此射線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作步驟如下：①選定被檢工件，根據(jù)透照厚度選擇檢測(cè)參數(shù)(包括焦距、管電壓、管電流和曝光時(shí)間等)；②根據(jù)選擇的曝光參數(shù)，對(duì)射線機(jī)進(jìn)行訓(xùn)機(jī)；③選擇膠片系統(tǒng)(包括膠片類型、增感屏規(guī)格)，模擬暗室環(huán)境，將膠片系統(tǒng)裝入暗袋內(nèi)；④在暗袋外布置相關(guān)標(biāo)記(包括產(chǎn)品編號(hào)、焊縫編號(hào)、檢測(cè)人員代號(hào)、檢測(cè)日期、底片編號(hào)、中心標(biāo)記和搭接標(biāo)記等)；⑤將暗袋放置在底部鉛屏蔽板上，暗袋中心對(duì)準(zhǔn)射線窗口中心，然后將待檢試件放置在暗袋上，并將像質(zhì)計(jì)放置在待檢試件上方規(guī)定的位置；⑥將射線機(jī)高度調(diào)節(jié)為所選擇的焦距；⑦在射線機(jī)控制面板上設(shè)置曝光時(shí)間、管電壓和管電流等曝光參數(shù)；⑧按壓高壓按鈕啟動(dòng)射線機(jī)進(jìn)行曝光；⑨配制顯影液、停影液和定影液；暗室處理(在暗室中對(duì)已曝光的膠片進(jìn)行顯影、停影和定影處理)，獲得射線檢測(cè)的底片；用光學(xué)密度計(jì)測(cè)定底片黑度，排除偽缺陷，根據(jù)像質(zhì)計(jì)顯示情況判斷靈敏度；底片質(zhì)量評(píng)定，在虛擬觀片燈下評(píng)定底片，判定有無(wú)缺陷、何種缺陷、缺陷位置及大小等；根據(jù)第12步的結(jié)果，對(duì)照檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，出具檢測(cè)報(bào)告或返修報(bào)告。主要操作步驟如圖3所示。

圖3 虛擬仿真系統(tǒng)操作步驟

3 系統(tǒng)特色

按照“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，在射線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并建立射線檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，使其成為傳統(tǒng)射線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充。實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合，極大地豐富了理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的手段，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得較好的教學(xué)效果。此系統(tǒng)主要特色有：①實(shí)訓(xùn)內(nèi)容豐富，完整囊括了模擬射線檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)定的全流程；②安全系數(shù)更高，規(guī)避射線輻射風(fēng)險(xiǎn)，符合環(huán)評(píng)要求；③實(shí)訓(xùn)成本更低，無(wú)需購(gòu)買(mǎi)昂貴的射線檢測(cè)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)防護(hù)設(shè)備；④互動(dòng)氛圍更強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)互動(dòng)程度高，教學(xué)效果好；⑤項(xiàng)目綠色環(huán)保，無(wú)化學(xué)廢液產(chǎn)生，綠色環(huán)保。

4 結(jié) 語(yǔ)

此次研究開(kāi)發(fā)的“射線照相檢測(cè)及質(zhì)量評(píng)定虛擬仿真”系統(tǒng)，可作為實(shí)物實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、監(jiān)督和管理平臺(tái)，也可代替射線照相檢測(cè)及質(zhì)量評(píng)定實(shí)物實(shí)驗(yàn)，成為無(wú)損檢測(cè)理實(shí)一體化教學(xué)的一項(xiàng)能力拓展項(xiàng)目，使學(xué)生在無(wú)射線輻射風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境下學(xué)習(xí)無(wú)損檢測(cè)知識(shí)，學(xué)會(huì)射線照相檢測(cè)的基本原理、操作流程、評(píng)片技能，了解如何出具合格的檢測(cè)報(bào)告。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)射線檢測(cè)的原理理解更加深刻；學(xué)生掌握射線照相檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程(包括曝光參數(shù)的制定，膠片系統(tǒng)的選擇，標(biāo)記帶的使用，像質(zhì)計(jì)的選擇與擺放，射線機(jī)的操作，顯影液、定影液的配制及暗室處理)；學(xué)生能夠進(jìn)行射線照相檢測(cè)質(zhì)量評(píng)定，并出具檢測(cè)報(bào)告。