基于VR技術的費托合成安全系統(tǒng)開發(fā)范文

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摘要：基于vr技術開發(fā)的費托合成安全演練培訓系統(tǒng)，為煤化工企業(yè)在易燃易爆、高溫高壓、有毒腐蝕等危險環(huán)境深度沉浸式體驗與訓練指明了方向，使煤化工生產(chǎn)裝置無法進行的應急演練在虛擬現(xiàn)實場景里得以實現(xiàn)，為煤化工企業(yè)員工提供全方位安全應急演練，鍛煉和提升了員工處理突發(fā)事故的能力，提高了企業(yè)整體應急處置水平。希望能夠為相關企業(yè)提供技術支持。

關鍵詞：VR技術；費托合成；安全演練

1VR技術的產(chǎn)生與發(fā)展

虛擬現(xiàn)實技術（VirtualReality，VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它可以利用計算機將真實環(huán)境生成為一種模擬環(huán)境，使參與者不接觸真實環(huán)境便可產(chǎn)生一種身臨其境、真實體驗的三維動態(tài)視景和實體行為體驗。與3D場景相比，VR技術增加了參與者的深度介入，使人們能夠身臨其境，明顯增加了人們的參與度與感知度。目前，VR技術得到了快速發(fā)展，提供了前所未有、使人身臨其境的深度沉浸感，其必將逐步取代平面顯示，成為一種嶄新的、革命式的人機交互手段[1]。當前，VR已成功應用于游戲、購物體驗等娛樂、消費領域，并已逐步進入工業(yè)生產(chǎn)領域。事實上，VR技術的概念最初是從工業(yè)生產(chǎn)領域和專業(yè)培訓領域發(fā)展而來，其發(fā)展歷程包括準備期和成熟期兩個階段。

1.1準備期

為了克服不適宜在實際裝置、設備及儀器上進行生產(chǎn)培訓的情況，最初通過VR技術將培訓過程轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C中的虛擬現(xiàn)實場景來進行相應訓練，從而完成在現(xiàn)實中無法實現(xiàn)的培訓過程[2]。VR技術從20世紀80年代起就被廣泛應用于載運工具和流程工業(yè)培訓領域，如航天飛機模擬器、飛機模擬器、汽車駕駛模擬器、船舶駕駛模擬器以及仿真工廠等領域，尤其在流程工業(yè)培訓領域發(fā)展最為迅速。對于大型流程工業(yè)，直接將工廠生產(chǎn)流程裝置、設備及儀表等用來對員工進行培訓是不現(xiàn)實的，不僅影響生產(chǎn)，而且操作危險性大、成本高。利用VR技術開發(fā)的虛擬現(xiàn)實環(huán)境對員工進行培訓，可以使員工盡快熟悉生產(chǎn)環(huán)境，縮短崗前培訓時間，提前上崗。在VR技術發(fā)展的準備期，雖然VR裝置及其應用并未形成一個系統(tǒng)性的概念；但是，直到目前這種初級VR裝置依然在各行各業(yè)培訓及訓練中發(fā)揮著至關重要的作用；并且應用的專業(yè)領域也從模擬器拓展到交通仿真、事故模擬、行為心理研究、虛擬設備設計與維修等方面，應用專業(yè)領域越來越廣泛。在準備期VR設備的明顯缺點是體積大、造價貴，顯示效果受計算機等硬件設備限制使得圖像刷新率、模型精度較低，長時間觀看會帶來強烈眩暈感。

1.2成熟期

隨著計算機等硬件性能的提升以及三維渲染技術的逐步成熟，VR技術刷新率和模型精度存在問題得以逐步解決，成本也開始下降。同時，全幅面眼鏡式VR設備的出現(xiàn)，將人眼完全遮擋并在人類視線內(nèi)實時重構虛擬世界、跟蹤人類細微動作、實時渲染場景，實現(xiàn)“輕量化”虛擬現(xiàn)實效果，逐漸取消了虛擬座艙、仿真工廠、仿真儀器等的硬件設施，大幅降低了VR環(huán)境的構造成本[3]。隨著VR技術的迅猛發(fā)展，2016年VR設備實現(xiàn)了小型化。這些都為VR技術在大型流程工業(yè)的廣泛應用打下了堅實的基礎。

2VR技術在工業(yè)生產(chǎn)中的應用

VR虛擬環(huán)境構建成本的大幅降低與VR設備的小型化，使VR技術在大型流程工業(yè)中普遍應用成為可能，而圖像刷新率問題的攻克又解決了VR眩暈問題與實現(xiàn)跟蹤不及時問題，使VR技術在大型流程工業(yè)中廣泛應用變?yōu)楝F(xiàn)實。全幅面眼鏡式VR設備內(nèi)置了基于陀螺儀或紅外的視線跟蹤傳感器，可提供90Hz以上的圖像刷新率，從根本上解決了VR眩暈問題與跟蹤問題，使長時間使用VR設備得以實現(xiàn)。如果手機加光學透鏡VR實現(xiàn)方式在技術上取得突破、大幅提升顯示效果與刷新率等視覺體驗，手機將發(fā)展成為VR主流設備，將大大促進VR技術在包括大型流程工業(yè)在內(nèi)的各個領域的廣泛應用。目前，借助頭盔穿戴式VR設備已成為虛擬現(xiàn)實新的發(fā)展趨勢，必將逐步取代實體仿真工廠而發(fā)展成為今后虛擬現(xiàn)實的主要方向。穿戴式VR設備作為培訓用具，其優(yōu)點在于成本相對較低、可控，可通過構建虛擬現(xiàn)實環(huán)境模擬實體工廠中的生產(chǎn)、操作，進行無法在化工企業(yè)中演練的火災、爆炸、泄漏等應急演練與處置，提高應急處置能力和水平，提升培訓的效果[4]。

3VR技術在費托合成安全演練培訓系統(tǒng)中應用的意義

在大型流程工業(yè)，尤其在化工行業(yè)企業(yè)，多為高溫高壓、易燃易爆、有毒腐蝕等苛刻工藝操作條件和危險生產(chǎn)環(huán)境，在這種危險條件下進行員工生產(chǎn)操作培訓或開展應急演練十分困難；而利用VR技術開發(fā)的虛擬現(xiàn)實培訓系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實應急演練系統(tǒng)，易使生產(chǎn)操作培訓與應急演練得以實現(xiàn)。煤制油生產(chǎn)工藝與煤制烯烴生產(chǎn)工藝是當今煤化工行業(yè)發(fā)展的兩個主要方向，屬于典型的現(xiàn)代大型流程工業(yè)。其中，費托合成工段是煤制油生產(chǎn)工藝的核心部分，也是最易發(fā)生突發(fā)事故的工段。由于煤化工企業(yè)在實際生產(chǎn)過程中無法對現(xiàn)實裝置進行火災、爆炸、泄露等突然事故進行應急演練，而為煤化工行業(yè)企業(yè)開發(fā)的煤化工仿真工廠，目前只能進行煤化工生產(chǎn)開、停車操作技能培訓，在DCS控制系統(tǒng)提供緊急情況下停車訓練以及燃燒、爆炸、泄露等突發(fā)事故的應急處置演練，不能提供身臨其境的深度沉浸式現(xiàn)場操作演練。利用VR技術開發(fā)煤制油費托合成工段虛擬現(xiàn)實安全演練培訓系統(tǒng)，通過提供深度沉浸式費托合成虛擬現(xiàn)實安全演練，會大大提高煤制油費托合成工段應對突發(fā)安全事故的應急處置能力，大幅度降低緊急突發(fā)事故造成的不利影響，最大限度地保障員工生命安全和企業(yè)財產(chǎn)安全。

4基于VR技術費托合成安全演練培訓系統(tǒng)開發(fā)研究

將快速發(fā)展的VR技術與虛擬現(xiàn)實計算主機、虛擬現(xiàn)實眼鏡、虛擬現(xiàn)實手柄、大屏幕和三維定位儀等VR硬件裝置結合，研究開發(fā)費托合成工段安全演練培訓系統(tǒng)，為煤化工行業(yè)企業(yè)員工和化工專業(yè)學生提供深度沉浸式煤制油費托合成工段突發(fā)事故應急處置演練，可鍛煉煤化工行業(yè)企業(yè)員工和化工專業(yè)學生應對突發(fā)安全事故的應急處置技能，提高處理突發(fā)安全事故的應急處置水平與能力，消除緊急突發(fā)安全事故造成的不利影響，最大限度保證企業(yè)員工生命和企業(yè)財產(chǎn)安全。

4.1VR技術費托合成安全演練培訓系統(tǒng)主體框架開發(fā)

基于VR技術煤制油費托合成安全演練培訓系統(tǒng)的開發(fā)，首先依據(jù)煤制油費托合成工段生產(chǎn)實際情況，構建費托合成工段VR技術虛擬現(xiàn)實生產(chǎn)環(huán)境，構建的虛擬現(xiàn)實生產(chǎn)環(huán)境可充分對接費托合成工段裝置布局，涵蓋費托合成工段的主要生產(chǎn)工藝流程與生產(chǎn)裝置以及緊急突發(fā)事故情況下進行停車操作的主要工藝參數(shù)調(diào)節(jié)變化幅度，同時包括突發(fā)應急處置的相關知識。

4.2建立基于VR技術費托合成安全演練培訓及考核評價體系

基于VR技術開發(fā)的煤制油費托合成安全演練培訓系統(tǒng)，具備模型選擇、倍率選擇、狀態(tài)凍結、狀態(tài)保存與恢復、實時與歷史趨勢顯示、單人訓練與協(xié)同操作、操作員和教師事件記錄、操作員培訓績效監(jiān)控以及故障設置等模塊，能夠為煤化工企業(yè)員工與化工專業(yè)學生提供深度沉浸、方便、實用的安全應急處置技能訓練[5]。開發(fā)的考評系統(tǒng)具有技能鑒定和考核評價兩種功能，可滿足職業(yè)技能競賽、技能鑒定及培訓考核等不同要求，能夠選擇角色演練、設置考評方式并監(jiān)控考評結果，能夠?qū)κ苡柸藛T信息進行管理，實時監(jiān)控學員成績、保存和導出，對學員成績進行實時管理，最大程度發(fā)揮安全演練培訓系統(tǒng)功能。

4.3基于VR技術費托合成安全演練培訓系統(tǒng)開發(fā)與應用

基于VR技術煤制油費托合成安全演練培訓系統(tǒng)的開發(fā)研究，分別開發(fā)了安全應急演練的單人培訓系統(tǒng)、多人培訓系統(tǒng)、為了更快適應和使用安全應急演練培訓系統(tǒng)開發(fā)的認知練習系統(tǒng)[6]。

4.3.1費托合成VR技術安全應急演練單人培訓系統(tǒng)開發(fā)

為了使煤化工行業(yè)企業(yè)員工和化工專業(yè)學生熟悉掌握費托合成工段安全應急處置程序、步驟及處置措施，開發(fā)了單人費托合成VR技術安全應急演練系統(tǒng)，使個人能深度沉浸到費托合成虛擬現(xiàn)實生產(chǎn)環(huán)境，接受到火災、爆炸、泄漏等突發(fā)狀況的應急處置訓練，進一步熟悉和掌握費托合成工段裝置布局、生產(chǎn)工藝流程與生產(chǎn)設備、附屬裝置、閥門、儀表等控制點以及緊急突發(fā)事故情況下進行停車操作和事故處理。同時，通過主要裝置和控制點專業(yè)知識介紹與知識問答，了解費托合成主要裝置、設備、突發(fā)應急狀況處理的相關知識，掌握了煤化工安全生產(chǎn)基本知識、安全標識的認知、個人防護用品穿戴與使用、防毒防化應急救援培訓、應急救助基本技能、開展防護及緊急停車的應急處置預案，增強應對突發(fā)安全事故的處置技能和提升正確處置突發(fā)安全事故的能力[7]。

4.3.2費托合成VR技術安全應急演練多人培訓系統(tǒng)開發(fā)

為了適應并提高在突發(fā)事故中應急處置能力、團隊協(xié)作意識和應急響應效率，在VR技術費托合成安全應急演練單人培訓系統(tǒng)的基礎上開發(fā)升級了多人培訓系統(tǒng)，以增強班組、車間乃至全廠的團結協(xié)作、應對突發(fā)安全事故的能力。在多人培訓系統(tǒng)中，可以分別承擔不同的應急處置角色的安全處置任務，熟悉、掌握不同應急處理崗位的應急工作程序與步驟，樹立團隊處理突發(fā)安全事故的團結協(xié)作精神，從整體上提高團隊科學合理應對處置突發(fā)事故的水平與能力。

4.3.3VR技術費托合成安全應急演練培訓認知練習系統(tǒng)開發(fā)

為充分發(fā)揮VR技術費托合成安全應急演練培訓系統(tǒng)的功能，將單人安全演練培訓系統(tǒng)和多人安全演練培訓系統(tǒng)的作用充分發(fā)揮出來，減少學習、適用、培訓、演練時間，應對安全演練培訓系統(tǒng)的功能進行詳細介紹與說明，將模型選擇、倍率選擇、狀態(tài)凍結、狀態(tài)保存與恢復、實時與歷史趨勢顯示、單人訓練與協(xié)同操作、操作員和教師事件記錄、操作員培訓績效監(jiān)控、故障設置、職業(yè)技能競賽、技能鑒定和培訓考核功能模塊等單元的作用、功能、使用方法作詳細說明，使安全演練培訓系統(tǒng)易懂、易學、易記，使學員深度沉浸費托合成虛擬安全應急演練系統(tǒng)，充分發(fā)揮其應有作用。

5基于VR技術費托合成安全演練培訓系統(tǒng)存在的不足與改進方向

基于VR技術開發(fā)的煤制油費托合成安全演練培訓系統(tǒng)，能夠為煤化工企業(yè)提供深度沉浸式火災、爆炸、泄漏等安全性事故的應急演練，大幅度提高了煤化工企業(yè)應對安全性事件的能力，降低了安全性事故可能帶來的不利影響，穩(wěn)定了企業(yè)的生產(chǎn)生存能力。但是，硬件發(fā)展滯后使得VR虛擬現(xiàn)實技術在煤化工生產(chǎn)培訓領域發(fā)展得還不夠充分，基于VR技術費托合成安全演練培訓系統(tǒng)在圖像刷新率、沉浸感覺、手柄操作靈活性、角色互換、訓練內(nèi)容豐富程度以及獲得應急能力體驗上還存在不足。具體表現(xiàn)在以下幾個方面。第一，由于硬件發(fā)展沒有跟上軟件發(fā)展的速度，使得圖像刷新率還不能完全與人的行動匹配，導致場景畫面轉(zhuǎn)換不同步，削弱了體驗感。第二，沉浸感不足主要表現(xiàn)在各崗位體驗感還有差距，整體框架裝置在觸摸或碰撞時沒有實物感、各裝置結構與現(xiàn)場不能完全吻合、不能對每個裝置進行相應的應急處置操作，費托合成安全應急演練不能與裝置緊急停車完美結合，使得訓練內(nèi)容的豐富程度、訓練人員的應急體驗、突發(fā)情況下處理問題的能力受到了影響。第三，多人培訓系統(tǒng)不能自定協(xié)同操作人數(shù)，使不同人數(shù)進行安全演練的靈活程度受到限制。第四，全幅面頭盔式眼鏡還是有線設備，在操作過程中反應不夠靈活、方便，操作的幅度也受到一定程度的限制，降低了體驗感，無線裝備將會使操作體驗有較大提高。

6結語

基于VR技術開發(fā)的煤制油費托合成安全演練培訓系統(tǒng)，很大程度上解決了煤化工企業(yè)易燃易爆、高溫高壓、有毒腐蝕等危險條件獲得深度沉浸虛擬體驗機會，使得在煤化工企業(yè)無法進行的應急演練在虛擬現(xiàn)實場景里得以實現(xiàn)，鍛煉了員工，提高了處理突發(fā)事件的應急能力。當VR技術硬件裝置取得進步、軟件得以進一步完善后，基于VR技術開發(fā)的煤制油費托合成安全演練培訓系統(tǒng)功能必將越來越完善，能夠為煤化工企業(yè)員工提供全方位安全應急演練，大幅度提高員工的應急處置水平與能力。

參考文獻

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[5]朱連毅.基于HLA和VR的煤化工現(xiàn)場突發(fā)事故應急管理培訓研究[J].中國集體經(jīng)濟,2011(2):208,216.

[6]易濤.基于HLA架構下的化工安全虛擬現(xiàn)實仿真演練系統(tǒng)[J].中國集體經(jīng)濟,2011,24(4):519-523.

[7]易濤.化工安全虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機與應用化學,2006,23(1):49-54.

作者:唐文秀 單位:寧夏工商職業(yè)技術學院