虚拟仿真技术在工程训练中的应用

刘振东， 李晓东， 马建民， 曲本全

(中国石油大学(华东) 石油工业训练中心，山东 青岛 266580)

虚拟仿真技术在工程训练中的应用

刘振东， 李晓东， 马建民， 曲本全

(中国石油大学(华东) 石油工业训练中心，山东 青岛 266580)

近年来，虚拟仿真技术在工程训练中的应用越来越广泛。数控加工仿真训练软件能够实现大部分实际数控设备的功能，大大减少了资金投入，降低了培训成本，提高了学生动手操作的机会，加快了培训效率；虚拟焊接综合仿真实训系统弥补了常规实训设备的不足，节约了大量的实训材料，减少了有害物质释放，降低了实训的危险性；中心自主研发的石油工业系列虚拟仿真教学资源，形成了独具特色的“五融合、四层次、三模式”虚拟仿真实验教学体系，解决了石油工业生产的不可视、不可及、高温、高压、危险性大等培训所面临的问题，激发了学生学习石油工业技术的兴趣，提高了学生的实践动手能力，培养了学生的工程意识。

虚拟仿真技术； 数控加工； 虚拟焊接； 石油工业

0 引 言

近年来，高等工科院校的工程训练中心普遍获得了更多的关注与资金投入，实习环境、设备升级及内涵建设都有了长足发展，为学生的工程实践能力提高做出了贡献[1-4]。但是由于受教学课时、硬件设备数量、现场实训环境等限制，并出于降低危险、减少成本和污染、提高实践教学效果等方面的考虑，虚拟仿真技术在工程训练中的应用越来越广泛[5-8]。本文结合中国石油大学(华东)石油工业训练中心的机械制造工程训练课程，将虚拟仿真技术应用于数控加工技术、焊接技术和石油工业训练等教学环节，取得了良好的教学效果。

1 数控加工技术虚拟仿真训练

目前很多学校都购置了数控设备，虽然数控机床的数量有了显著增加，但仍无法满足实训教学的需要，学生从理论学习到实际操作缺少中间过渡环节。实训教师在现场指导多名学生操作时，环境嘈杂，且很多学生围着一台机床，教学效果不理想；数控机床结构复杂紧凑，学生在学习过程中观察了解机床的工作状态和工作原理及机床的机构时，观察角度受到限制等等[9]。基于以上问题，在数控加工技术教学中引入了上海宇龙软件工程有限公司研制的数控加工仿真训练软件，其数控车床的仿真界面如图1所示。

图1 宇龙数控车床仿真界面

该软件主要有以下几个特点：

(1) 仿真软件可以提供车床、立式铣床、卧式加工中心、立式加工中心等机床的仿真训练；

(2) 仿真软件采用数据库统一管理刀具材料和性能参数库，刀具库包含数百种不同材料和形状的车刀、铣刀，支持用户自定义刀具以及相关特征参数；

(3) 仿真软件能够实现加工运行全环境仿真：仿真数控程序的自动运行和MDI运行模式；三维工件的实时切削，刀具轨迹的三维显示；提供刀具补偿、坐标系设置等系统参数的设定；

(4) 仿真软件具有考试操作过程和结果记录回放功能。

采用数控仿真软件进行数控实训，学生在学习过程中，能够将书本中笼统、抽象的概念转换成形象、直观的实体操作，激发了学习数控编程与操作课程的学习兴趣；提高了学生动手操作的机会，加快了培训效率和速度。

2 焊接技术虚拟仿真训练

焊接成形是现代工业高质量、高效率制造技术中一种不可缺少的加工工艺，广泛应用于各种生产场合，如汽车制造、压力容器制造、船舶制造和航空航天工业等。虽然目前各种自动化焊接方法比较成熟，应用也越来越多，但是由于手工焊接的方便和灵活性，人工焊接仍占有一定的比例[10]。

目前，大多数高校的手工焊接训练均采用传统的模式，不仅要消耗大量的焊条和工件，培训成本高，而且会因焊接作业时有毒有害气体、焊接烟尘、粉尘、强光、紫外线、辐射以及电磁污染等有害物质的产生，对学生的身体造成一定的危害。基于以上问题，在焊接技术教学中引入了郑州捷安高科有限公司研制的虚拟焊接综合仿真实训系统，其结构组成如图2所示。

图2 虚拟焊接综合仿真实训系统结构组成

该系统主要有以下几个特点：

(1) 无需焊材、工件、保护气体等焊接材料和工业用电，节能环保；

(2) 焊接过程不产生高温、明火及烟尘，无任何有毒气体排放，能够全面保护教师和学员的身体健康；

(3) 系统可进行多角度、全方位的焊接演练，可实现不同焊接位置如平焊、立焊、横焊、仰焊等；

(4) 能够以直观的图形符号和语音实时提示学员自行矫正焊接姿势，无需教师亲自指导；

(5) 学员完成焊接后，系统自动分析学员的焊接速度、中心偏移、喷嘴高度、工作角度、焊接角度等参数变化并生成评估报告；

(6) 教师可以灵活设置公差大小及各项参数的分值比重，制定个性化培训计划，分级培养学员。

该系统在焊接技术实践教学中起到了很好的助学和助教的作用，受到老师和学生的欢迎。

3 石油工业技术虚拟仿真训练

石油工业技术主要包括地质勘探、测录井、钻井、固井、井下作业、油气开采、油气集输和油气炼制等多个环节，很多施工环节具有不可视、不可及、高温、高压、危险性大等特点[11]，采用常规教学方法难以达到教学目的。专业实习又面临着耗费资金大、外出时间长、组织协调困难、存在不安全因素等难题，实习效果较差[12]。

石油工业训练中心为解决以上问题，凭借雄厚的项目经验和专业优势，依托虚拟现实、仿真装备与多媒体技术[13]，融合多种互动硬件与数据库，投入大量人力和物力对石油勘探开发工业生产工艺流程的各个真实环节进行模拟仿真，建成了8个虚拟仿真教学模块，形成了中心独具特色的“五融合、四层次、三模式”虚拟仿真实验教学体系(见图3)。该教学体系已在国内外几十个油田培训中心和石油类院校的工训中心得到广泛应用。

图3 石油工业训练中心虚拟仿真教学体系

下面以井下作业仿真训练模块为例。井下作业主要包括油气井维修和油层改造等作业施工，其中油气井维修主要包括检泵、试注、堵水、打捞、解卡、套管修复和侧钻等作业；油层改造主要包括酸化和压裂作业[14]。为便于讲解和学生学习，将教学平台分为知识讲解、仿真操作和知识考核三部分。

(1) 知识讲解。该教学环节，主要分为油气井维修和油层改造两部分，其中油气井维修主要讲解相关基础知识、常用设备和工具、常用施工工艺等；油层改造主要讲解酸化和压裂施工的常用工具和常用施工工艺。本环节共研发了120种典型井下作业工具和34种典型井下作业工艺的仿真动画，时长达32 h，所有仿真动画均配有文字和同步语音解说。形象的动画使学生理解起来非常容易，大大激发了学生的学习兴趣，提高了学生的学习效率(见图4)。

图4 “卡瓦打捞筒”结构讲解

(2) 仿真操作。在“仿真操作”教学环节，共研发了11种典型的油气井维修作业仿真项目和6种典型的油层改造作业仿真项目。仿真操作的界面如图5所示，中间主界面为虚拟数字样机工况显示区，右边为主要设备仪表监视区，下方为控制台。学生可以在教师的引导下自己动手操作控制台按钮和手柄，完成各种井下作业工艺的仿真训练。本环节具有良好的人机交互功能，操作方便，运行可靠，容错性好。通过本环节的培训，学生的动手能力、工程实践意识和对所学知识的综合运用能力得到很大提高，能够很好地与现场操作对接。

图5 仿真操作界面

(3) 知识考核。该环节，不仅具有理论考核功能，还可以进行实操考核。

理论考核主要为选择题和判断对错题。学生答题后提交，系统能够自动评出成绩，并在答错的题目处给出正确答案，便于学生检查、改正。

实操考核时，学生须先登记姓名和学号，然后选择实操项目，进入实操考核环境，系统能够根据考生操作的正确程度和熟练程度进行评分。通过该环节，学生能够对学习情况做出客观评价，更好地规划学习目标。

另外，平台还可以与硬件模拟器对接，如图6所示，通过软硬结合，学生如同身临其境，可显著提高学生的认知能力和操作技能。

图6 学生通过模拟器进行实操练习

通过石油工业技术虚拟仿真训练，使学生增加了对石油工业各生产环节的了解，掌握了各生产环节主要设备和工具的内部结构、工作原理等，激发了学生学习石油工业技术的兴趣，提高了学生的实践动手能力，达到了中国石油大学对本科生的培养目标。

4 结 语

通过以上实例可以看出，虚拟仿真技术在工程训练教学中起到了很好的助学、助教的作用，降低了实训成本，提高了实训效率，尤其是达到了常规教学方法难以实现的教学效果。相信随着三维建模技术和动作交互技术等虚拟仿真技术的发展，将有更多的虚拟仿真教学系统或软件在工程训练教学中得到广泛应用。

[1] 梁延德. 我国高校工程训练中心的建设与发展[J]. 实验技术与管理,2013(6):6-8.

[2] 傅水根，严绍华. 创建国内领先的工程训练教学示范中心[J]. 实验技术与管理，2006(4):1-2,31.

[3] 刘 艳，孟 威. 大学生创新实践教育模式的探索与实践[J]. 实验室研究与探索，2016,35(1):166-168.

[4] 吕 明，杨胜强. 创新理念下的工学类工程训练中心建设的探索与实践[J]. 中国大学教学，2007(4):31-32,47.

[5] 杨宏伟. 虚拟仿真技术在物理实验中的应用[J]. 实验室研究与探索，2005,24(9):38-39.

[6] 纪 芳，于 伟. 论虚拟仿真技术在文科实验教学中的社会意义[J]. 实验技术与管理，2015(5):184-186.

[7] 郭 亮，梁 宏. 基于虚拟仿真技术的市政环境类实验教学[J]. 实验室研究与探索，2015,34(7):107-110,121.

[8] 陈丽霞，范士勇. 虚拟仿真技术在现代通信网实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理，2015(4):133-135.

[9] 周 文. 虚拟仿真技术在中职数控教学中的应用[J]. 计算机光盘软件与应用，2013(8)：205-206.

[10] 胡淑兰，马跃进. 虚拟现实技术在焊接培训中的应用[J]. 焊接技术，2010, 39(2):1-3.

[11] 孙树强.井下作业[M].北京:石油工业出版社，2006：25-86.

[12] 马继振. 修井作业[M].北京:石油工业出版社，2012：18-122.

[13] 夏一名. 基于Web的在线考试系统设计与实现[D]. 成都：电子科技大学，2012：29-62.

[14] 毕志英. 基于PCL的井控仿真模拟器的开发研究[D]. 北京：中国石油大学(北京)，2010：9-50.

Application of Virtual Simulation Technology in Engineering Training

LIUZhendong,LIXiaodong,MAJianmin,QUBenquan

(Petroleum Industry Training Center，China University of Petroleum (East China)， Qingdao 266580， Shandong, China)

In recent years, application of virtual simulation technology in engineering training is more and more wide. Now most functions of the NC equipment can be achieved by the virtual simulation training software. It greatly reduces funding and training costs, improves the students’ operation chance and training efficiency. Virtual welding comprehensive simulation training system makes up for the deficiency of the training equipment. It saves a lot of training materials, reduces the training risk and the harmful material release. Oil Industry Training Center independently researched and developed a series of virtual simulation teaching resources for the oil industry, formed a virtual simulation experiment teaching system with the advantage of “five fusion, four levels, three model”. It solved the problems such as invisible and untouchable processes, high temperature, high pressure and dange in the training process. It inspired students’ interest in learning oil industry technology, improved students’ practice ability, cultivated the students’ engineering awareness.

virtual simulation technology; numerical control machining; virtual welding; petroleum industry

2016-07-13

国家级虚拟仿真实验教学中心建设项目(2014)；中国石油大学(华东)教学改革重点项目(JY-A201425)；中国石油大学(华东)教学改革一般项目(JY-B201453)

刘振东(1982-)，男，山东单县人，工程师，研究方向为海洋石油装备，机电一体化控制等。

Tel.:18561510989；E-mail: liuzd28@upc.edu.cn

TP 391.0;G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0160-04