模擬仿真技術在軋鋼教學應用中的探索

張 旭

（新疆工業職業技術學院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

隨著冶金行業的技術升級，對技術技能人才的需求越來越大。如何讓學生既具有扎實的專業技能知識，又具備很強的操作能力，同時這些技能可與企業生產實際相貼合，達到畢業后短時間內即可上崗的目的，成為冶金相關企業對軋鋼教學的新要求。模擬仿真技術的出現，使生產場景、生產操作真實再現，極大地滿足了現代教育和技術技能培訓的要求。

1 模擬仿真技術在各領域的應用

模擬仿真技術是利用計算機技術，利用真實的設備模型或生產過程模型，對外形、視覺感受、實際操作進行仿真，以達到項目訓練或生產認知的目的。同時，結合能進行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等多重感知的模擬現實系統，體驗者可使自己沉浸于模擬環境中，并與模擬環境中的物體互動，獲得身臨其境的體驗。最近幾年，在此基礎之上，又發展出了增強現實技術，該技術可對體驗者的位置、動作等進行跟蹤和收集，進而傳輸到計算機中進行分析，之后再返回至體驗者身上，達到模擬和現實完全融合的真實體驗。以上技術目前已應用于教育教學、軍事訓練、城市規劃、生物醫學、互動娛樂等方面，具有良好的經濟效益和社會效益。模擬仿真技術目前還被廣泛應用于科學研究中，其技術和相關產品已在產品開發、性能研究、功能測試、外形設計、使用維護、教育培訓等領域發揮了巨大作用。我國在模擬仿真技術方面的研究已經越來越深入，隨著進一步的發展，該技術的應用必將越來越廣泛。

隨著技術的發展和成熟，模擬仿真技術已經覆蓋了社會各個方面，極大地推動了這些領域的技術發展和革新，也為其注入了新的能量。比較具有代表性的有以下幾個領域：

1.1 教育培訓領域

模擬仿真技術近些年在教育培訓領域發展迅速，并起到了非常好的效果。模擬仿真將傳統的實訓設備、教師課堂教學以及學生實際操作結合到了一起，將書本內容變得具有可操作性，將工廠的大型設備搬到了普通的實訓室，使學生在模擬中學習，學習效率得到顯著提升。隨著高等院校，尤其是職業院校對學生技能培養的要求進一步提高，模擬仿真實訓教學越來越受到青睞，并由此延伸出配合模擬仿真教學培訓的新的教學方法、教學手段，甚至更新了教學內容。使得原來枯燥乏味的課本知識變得生動有趣，在提高學生學習興趣的同時，也讓學生更加容易理解知識，操作技能也得到了提升。

1.2 交通運輸領域

交通運輸是一個極其復雜的系統，它是由道路、環境、車以及人等方面組成，任何一方面的改變，都有可能引發一項事故。因此在評價交通安全的時候，必須要充分考慮到道路、環境、車以及人等各方面的作用和影響。模擬仿真技術的介入，為交通安全評價提供了一個可靠的方法。通過設計和模擬一定交通路段內的車、物、環境，預測多種結果的出現并評測出現的概率，然后以旁觀者的角度來進行結果分析，進而得出較為準確的風險評估。

1.3 制造業領域

制造業技術的革新和提升需要大量的試驗數據做基礎，這些大量數據的獲得需要耗費非常多的人力和財力，這也是很多制造業企業的實際難題。隨著模擬仿真技術的出現，這些數據的獲得都可以在模擬的環境中實現，并且仿真數據可以做到與實際數據的高度吻合，大大降低了試驗的難度和成本。

2 軋鋼教學中的難題

2.1 傳統教學多以講授為主，實操訓練較少

一直以來，課堂授課始終是教育教學的主要方式。傳統的課堂授課，其方法較為單一，通常為教師講，學生被動的聽，學生學習興趣較低，甚至產生抵觸、厭學的心理。如此，學生不能主動去學習，只是在被動接受知識，學生不愛學，教學效果將收到很大影響。尤其作為職業教育來說，傳統教學方式在技能學習方面效果差，學生必須要去實操訓練，真正上手或處于仿真環境中，才能培養學生適應工作崗位的能力。

2.2 專業知識難理解

軋鋼專業是冶金類專業之一，冶金專業具有專業性強、知識與現場結合度高的特點，因此相關課程較抽象，而且課本大多是理論知識的講解，與實際生產結合不緊密，學生很難理解領會，將相關知識進行熟練應用的難度更高。

2.3 實訓操作難實現

現代教育尤其是職業教育，對學生操作技能的要求越來越高，而像軋鋼課程的實操現場都是大型化的生產現場，將這些大型設備搬到學校實訓室難度大，也不可能讓學生長時間在現場實操練習，不利于學生實操技能的學習。

2.4 職工培訓效果差

職工培訓也是企業發展的必要條件之一，現在企業對職工的再教育越來越重視，企業希望通過培訓，能提高職工的理論水平及操作能力。但目前的職工培訓大多只進行理論教學，而忽略了技能的提升，這與企業的期望有所偏差。

3 仿真模擬系統在軋鋼教學中的具體應用

將模擬仿真系統應用于軋鋼教學中，通過模擬真實的工作場景，將學生和員工置于模擬場景中，以獲得更多實用、扎實的實踐技能。

3.1 軟硬件結合仿真

使用計算機軟件三維成像技術與硬件技術相結合的實訓設備，相對于傳統的實訓設備，其成本更低，使用起來也更加靈活；而與純計算機實訓軟件相比，其又具有直觀、操作性強的特點。除此之外，軟硬件結合的實訓設備，還很好地解決了建設經費、實訓場地不足等方面的難題，因此已逐漸成為高等院校和企業進行教學、實訓、培訓的首選。

軋制模擬實訓系統采用計算機軟件三維成像技術與硬件技術相結合，打造類似于軋機的模擬工作環境，讓學員和企業員工快速熟悉軋機的運行和工作環境。在模擬環境中提高技能、學會工藝，解決傳統教學無法在現實中操作的困難。

3.2 結合軋鋼工藝模型

模擬仿真技術很重要的一個特點就是可以進行定制化設計，相關軟件在進行開發時可根據用戶的需要對實物進行等比例還原，使得模擬場景更加真實。

模擬軋鋼系統結合實際軋鋼機械，根據實際機械制作模擬數學三維模型，根據真實機械的動作做出模擬模型動作，以達到真實場景的再現。

3.3 設置考核評分系統

以課堂教學和分段績效考核為主要內容，評價軋鋼模擬仿真系統在學生教學和員工培訓中的效果。利用模擬技術提高常規評價的效率和準確性，也可以結合實際情況，實施多重評價，改善和提升學生及員工的學習效果。

4 意義

4.1 解決鋼鐵企業生產設備操作人員的培訓問題

軋鋼工藝相對于其他冶金工藝來說較為復雜，近些年來，雖然軋制操作的自動化程度有所提高，但是人工操作仍占據重要位置。因此，軋鋼一線操作工的技術水平將直接影響鋼鐵軋制的效率以及軋鋼產品的質量。目前技術工人的培訓依舊延續著傳統的傳、幫、帶的方式，即有經驗的操作工現場對新工人進行邊操作演示邊培訓。隨著對產品質量的要求越來越高，這種培訓方式的弊端也越來越明顯。首先，這種培訓方式的周期長，鋼鐵軋制是實際生產中節奏非常快，新工人很難通過幾次展示就學會弄懂，而是需要多次觀察、上手操作后，才能真正掌握技術要領。其次，這種培訓方式易造成經濟損失，新工人在學習或有經驗工人在展示的過程中，會有一些因失誤或教學展示而形成的廢料，如此便出現了經濟損失。因此，一個不影響工業生產，同時還能讓新工人快速上手操作學習的培訓方式，稱為眾多冶金企業的期盼。

針對上面的情況，基于模擬現實技術的軋鋼仿真模擬訓練系統應運而生。主要思想是利用模擬現實技術，以計算機圖形顯示技術為核心，在計算機中生成栩栩如生的模擬環境，讓用戶通過必要的硬件設備與模擬環境中的物體自然交互，相互影響，產生身臨其境的感覺和經驗。軋鋼操作員被放置在真實的模擬軋制生產環境中，通過向操作臺發送各種控制信號，在模擬環境中連續改變鋼板的軋制狀態，然后通過眼睛觀察軋制狀態及相應的運行效果，以此來實現交互式實時控制。在不影響實際生產的前提下，達到了培訓軋鋼操作工軋制協調性和準確性的目的，大大縮短了培訓周期，彌補了原有在線培訓的局限性。

4.2 模擬軋鋼系統是解決軋鋼操作人員培訓的重要手段

從事鋼鐵行業的企業必須加強對員工的培訓，以期在提高生產效率的同時，避免安全事故的發生。然而，傳統的培訓方式不僅成本高昂，而且效果差，員工也感覺枯燥，這讓企業陷入了兩難的境地。模擬軋鋼培訓和模擬操作系統以模擬方式培訓人員，解決了鋼鐵行業員工培訓問題。通常由于設備、空間和資金等硬件限制，許多現場培訓無法開展。借助模擬軋鋼系統，學生足不出戶即可進行各種操作，獲得與真實軋鋼一樣的體驗。在保證教學效果的前提下，成本得到了顯著降低。除此之外，在現實操作中，一些實驗具有一定的危險性，學生進行操作時存在安全隱患，但如果利用模擬仿真技術進行模擬操作，將會徹底解決這個問題。同時，相較于傳統實訓設備，模擬設備的更新更加簡單和低成本，教學內容也可以及時更新，使其跟上現實技術的發展。

4.3 培訓新方法推動創新革命

長期以來，軋鋼工的培訓和考核大多采用面授教學、紙質考試的方式進行，教學方式簡單，純理論的教學知識晦澀難懂，培訓效果差。同時，因缺乏實操訓練，使得操作技能有所欠缺，對軋鋼設備的結構不甚清楚，缺乏處理設備故障和應對緊急情況的能力。

模擬軋鋼系統提出了基于三維設計平臺的產品快速創新設計理論體系。在三維平臺上，實現了操作人員對過程自動化的理解和操作，以及設備維護與故障排除的實踐，使其能夠在模擬樣機層面，對過程操作和設備維護技術進行評估，優化篩選，大大提高了工作效率。

4.4 推動行業培訓再上新臺階

模擬仿真技術目前已經是企業和高校的新方向、新主題，其將有效提升這些企業和高校的綜合競爭力，并大大促進企業職工技術的進步、學校學生技能的提高。跟發達國家相比，模擬仿真培訓在我國的起步比較晚，起點較高，模擬仿真將成為企業和學校培訓的新模式，高校和企業開始逐步向數字化以及網絡化方向轉變。

企業和學校正面臨向數字化和網絡化的重大轉變。模擬仿真技術將前沿科技與傳統的工藝生產相結合，不斷拉動經濟增長，為金融投資、社會就業和企業發展帶來巨大商機。模擬仿真系統的實現是企業和院校實現新型培養模式的條件，有利于實現高校和企業的高質量跨越式發展。模擬仿真培訓系統將為企業和高校的培訓帶來新的發展機遇。

5 結語

總而言之，人工智能技術的出現促進了教育行業的智能浪潮，未來的教育和培訓行業將繼續通過新技術進行創新，教育培訓的效率和規模將大大提高，優質教育資源的可獲得性將增加，這將重新定義我國的教育培訓形式。仿真技術作為一種新型的教學模式，可以在學習過程中結合“教、學、練、評、測”五個環節，利用其圖像、語音等識別功能，分析問題，提高學生的自主學習能力，增強學習興趣，提高學習效率。