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工程建设机械职业教育仿真培训技术的演变与发展
发布时间:2023-10-11 点击数:202

摘要:介绍了国内外工程建设机械职业教育仿真培训的技术现状、培训模式与工作机制,总结了国外工程建设机械实训教学计算机仿真系统的实践经验与发展趋势,指出了我国今后该领域的努力方向。

关键词计算机仿真技术;工程建设机械;实训教学

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随着数字化时代的来临,信息化技术在工程建设机械领域越来越得到重视和普遍采用,极大地提高了设计制造水平和管理服务水平,推动着工程建设机械领域新兴技术的不断发展;仿真技术就是近几年该领域的的热点之一。简言之,仿真就是在模拟环境下实现和预测产品在真实环境下的性能和特征(动态和静态的),它包含一系列步骤,从建模、施加负载和约束到预测在真实状况下的响应。它综合集成了计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体显示技术、传感器技术、软件工程、信仓、处理、自动控制等多个技术领域的知识。在这一技术支撑下产生了仿真培训这一工程建设机械技能培训的新方式。本文所讲的仿真,主要是对工程建设机械实训教学过程操作的仿真。

仿真培训的产生和发展

1.1仿真培训应西方军事领域需求而产生和发展

20世纪90年代中期,工程建设机械领域的仿真技术美国、欧洲等国家最先从装备设计开始应用,在三维设计、有限元分析等系列软件环境下模拟出设备的设计性能、并对制造工艺、部件结构、零配件装配等仿真出最佳方案,显著节省了研发制造成本。随着仿真技术以其良好的人机互动效果、虚拟再现真实环境和经济性显著等得到国际上的的广泛重视,西方国家最先在军事装备领域利用计算机并通过运动设备、操纵设备、显示设备、仪表设备等复现所模拟的装备对象的作业过程等行为,并产生与之适应的环境,从而训练出操纵、控制或管理这类装备对象的人员。

1.2仿真培训系统在西方的民用化、商业化获得成功

20世纪90年代后期,VR领域从硬件、接口到软件、算法都蓬勃发展起来;VR市场空间不断得到拓展。国际上仿真训练系统开始从单纯的军事应用扩展到民用大型机械装备的操作训练领域,新加坡、香港地区则率先在亚洲开发出港口机械操作员仿真训练系统,并得到实际应用,取得较好效果;标志着仿真训练系统的民用化、商品化取得突破;仿真培训技术开始向民用领域渗透,尤其大型工业装备和复杂工业装置系统的仿真培训在西方渐成趋势。

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1993 ,新加坡则开发的港口岸吊机作业训练系统——微型模拟机+仿真实训系统;

 

1995 ,香港大学开发的码头起重机操作员训练模拟系统;

国际仿真培训技术的最新发展

2.1由“真刀真枪”的消耗型实训转向“节能高效”的智能化仿真

2011美国拉斯维加斯工程机械展览会上,以加拿大安大略操作技师学院OETIO和瑞典TENSTAR SIMULATION公司伟代表的欧美先进国家推出了成熟的工程机械设备作业与维修培训仿真训练系统,显示了工程机械职业技能教育由“真刀真枪”的消耗型实训转向“节能高效”的信息化、智能化仿真模拟训练的新趋势。

 

 

 

其共同的技术特点是运用仿真系统进行辅助教学与培训,实际就是利用仿真机用数学模型建造一个与真实系统相似的操作控制系统(如模拟仪表盘、仿真操作手柄等),模拟真实的作业装置,再现真实过程的实时动态特性,使学员可以得到非常逼真的操作环境,进而取得非常好的操作技能训练结果。

 

 

 

OETIO起重机吊运作业模拟训练系统(全景三维显示系统+头盔+数字化座椅手柄)(如图)

TENSTAR起重机吊运作业模拟训练系统(大屏幕显示系统+ +数字化座椅+动作手柄)(如图)

2.2微型实训机填补了“真机实训” 的空白,降低了消耗和安全风险

OETIO还推出了1/4比例模拟实机,具备真机的全部功能,可在室内场地训练,也可方便地运输到现场联系,较好解决了大型装备运输困难、上机操练能耗高、安全风险高等系列难题。

2.3 多种训练手段有效结合,提高了训练质量和效率

OETIO将理论学习、教师教学、实际训练、场地训练与计算机仿真模拟、微型训练机实际操作训练等手段有效结合,显著降低了成本,提高了训练质量。尤其是学员通过微型实机操作、结合实验室的“真实作业环境”下作业训练,充分调动了“眼、耳、手、脚、脑”的协同,比单纯的“视听”方式提高记忆效率70%,训练通过率达到100%

3  国外虚拟现实模拟器的研发动向

3.1全数字三维全景仿真训练系统成为发展潮流

依托仿真系统实现了有效的模拟训练,极大地提高了时间利用效率,给学员构建了一个亲身体验、安全可控,现实再现、反应迅速的“真实作业环境”,尤其“全数字化三维全景仿真训练系统”引领了建设机械仿真模拟训练系统的技术发展潮流,正在成为仿真培训行业的佼佼者。

3.2 远程学习、网络教育、在校教育相结合成为培训方案的创新热点

OETIOTENSTAR目前均经开发了远程教育、网络教育的基础方案;能够提供CD – ROM模拟训练程序,用于移动式起重机操作员、锅炉、重型机械等特种设备的培训。建立了互联网门户站点,供学员在线学习、在线考试、在线评估。

3.3虚拟现实模拟器成为研究开发方向

虚拟现实模拟器是仿真培训的核心支撑技术,近年来成为各国竞相关注和研发的技术焦点。OETIO一直从事建模和三维技术在培训领域的研究应用,并与加拿大国家研究委员会、CMLabs实验室等联合设计开发虚拟现实模拟器、并应用于培训课程设计;尤其移动式塔式起重机已经安装在计算机程序中,供学员使用模拟器训练。

除了虚拟现实模拟器,OETIO还开发了四分之一大小的全套机械模拟器或机械样机,用于训练学员。这些机型上的经验将为液压重型装备的训练系统研究开发提供范本。

4我国正努力追踪和研发仿真培训技术,缩短国内外差距

我国建筑机械化领域的科研团队对本领域的技术给予了长期充分关注,并做了较好的前期技术准备,启动了部分机型模拟机的研发工作;目前已经开发出相应机种的模拟训练机、模拟显示系统、数字化操作手柄、配套传感器组建以及操作系统等。

如,北京建筑机械化研究院利用国家实验室的基本条件,在单通道被动式立体投影系统、数据手套、虚拟头盔等虚拟现实设备及虚拟现实软件平台等方面进行了技术准备;开发出塔式起重机司机模拟训练手柄及分布式服务器培训系统,其操作类似CS游戏;

 

该系统主要包括:建立虚拟的塔机作业真实环境;完成了动画设计;在具体内容上涵盖了塔式起重机产品介绍、操纵过程演示、拆卸安装训练过程演示;实现互动漫游,观察塔式起重机总体结构及零部件;实现互动模拟培训操作,进行塔式起重机操纵模拟培训及拆卸安装模拟培训,虚拟作业人员在虚拟场景中可以随意行走、操作;自学考试虚拟培训系统等。并针对工程建设机械(塔式起重机、施工升降机等机种)结合虚拟现实技术,完成了有关工程建设机械的三维建模、虚拟装配、仿真操作。

此外,江苏宏昌工程机械有限公司开发了铲运机、挖掘机、叉车、装载机等几个几种的模拟机;和黎明视景科技公司结合大型工程需求,也开发了装载机、大型运输机等训练模拟器等训练装备,为军事训练提供了新手段。如下图

  

综上,仿真培训对于提高操作人员的素质、改善培训条件并相应提高教学效率、减少事故发生等都具有十分重要的意义。通过国内外对比,我国目前绝大多数培训机构仍停留在传统意义上的 “真刀真枪”“实机操练”“出汗冒烟”等消耗型“手把手”人工教学模式;随着工程建设机械设备系统功能的不断丰富和技术水平与复杂程度的日益提高,设备造价日益高昂,技能操作训练时因操作不当引起的破坏、以及安全风险上升而带来的损失大大增加;凸显出我国在该领域培训理念、总体技术,教育手段、教育模式的落后。

因此国家和行业管理部门应尽快加强该领域政策指引,促进该领域“产学研用”平台的建设,引导高级别的科研项目立项实施,获得自主知识产权的成果,为我国工程建设机械技能培训实现“节能、环保、低碳、高效”提供技术装备和智力支撑。

作者简介: 平(1972--    ,河北景县人,高级工程师,中国建筑科学研究院建筑机械化分院科技开发办副主任,兼中国建设教育协会建设机械职业教育专业委员会秘书长。


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