基于扩展现实技术的工业管道安监人员技能培训应用研究

高薇?邓葛云?朱景超?朱明辉?郑大威

摘要：信息化时代新媒体技术不断迭代，扩展现实技术对于各行业的赋能应用日渐成熟，在教育培训领域的推进也越来越广泛。本文利用扩展现实技术实现在安全监察工业管道特种作业人员的培训领域的应用，是对传统教育方式带来的改革和创新作为研究，探讨技术革新教学模式对于教学升级的必要性和重要性。在扩展现实技术的应用下，“沉浸式”式虚拟课堂和虚实结合的教学形式逐渐被认可，将极大地改善特种安全监察人员的技能培训，并开启一个全新的篇章。

关键词：扩展现实技术；信息化教学；虚拟培训

基层特种设备安全监察人员的传统能力提升模式固化在课堂培训上，存在内容枯燥、课程设计欠缺精准化、受训人员无法有效参与，形式单一、时间短、频率低、效果不理想等问题。本文针对这些问题，参考国内外文献资料，运用扩展现实技术，开发相关职业培训素材库和交互工具。通过3D虚拟场景和物件，融合视听觉信息感官，并透过人机互动和意识理解，让受训人员获得场景化感受和流程化培训。同时结合移动计算技术，可以让培训和受训人员不受时间和空间的限制，做到课堂培训与现场培训相融合。这样既解决了传统教学模式存在的问题，也进一步推动了能力提升模式的创新。

一、扩展现实技术概述

科学技术的不断发展为新媒体技术革新奠定了基础，以沉浸式体验、深度学习为目标的系列技术如增强现实、虚拟现实、混合现实技术应运而生，并在教育领域掀起了一股热潮。

（一）虚拟现实技术

虚拟现实技术是仿真技术与人机接口技术、传感技术、计算机图形学、网络技术、多媒体技术等多种技术的集合。虚拟现实技术主要包括环境模拟、交互感知、自然技能和传感设备等方面。环境模拟是由计算机通过特定的程序自动生成实时动态的三维立体仿真图像。

（二）增强现实技术

增强现实技术是一种将虚拟信息和现实环境 “无缝”集成的技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息通过计算机科学等技术，模拟仿真后再实施叠加，将虚拟信息应用到现实环境，被人类感官所捕获，以达到超越现实的传统感官体验。该技术构建了虚拟信息和真实环境实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在的场景。

（三）新技术的融合

虚拟现实和增强现实技术的融合应用既可以展现真实世界的信息，也可以将虚拟信息同步显示，两种技术相互补充，构建了新的交互型、可视化虚拟环境。在视觉化的增强现实中，用户利用AR眼镜、移动终端等装备把真实世界与电脑图形多重合成，达到一种在真实世界与虚拟空间和谐共存的状态，从而获得良好的使用体验。

二、增强现实学习环境的教学方式

（一）基于角色扮演的AR 教学

目前，工业管道特种设备安全监察人员现行的培训模式存在课程设计欠缺，方式形式化、受训人员无法有效地参与，形式单一等问题，通过增强现实技术和虚拟现实技术相融合的技能培训系统设计让培训人员在虚拟环境中扮演不同的角色，例如培训人员、安检人员等，多视角对特种设备安全监察流程进行观察和学习。

（二）基于位置的AR 教学

基于位置的教学方式，更注重培训人员和现实环境的交互，所以使用位置AR教学方式的要充分利用移动技术的优势，通过AR图像识别模块内置图像识别追踪功能，针对部分图片进行AR图像识别与追踪，通过AR图像识别显示出的3D模型可以定位在被识别图像上，在实际的培训实验中会感觉更真实。

（三）基于任务的AR 教学

在工业管道特种设备安全监察人员培训的VR实训场景中，培训人员点击标记的模型或者在右侧目录中点击相应的内容，系统将会自动展示工业管道设备的3D模型或者图文介绍，用户可以自行采用旋转、缩放等方式以及使用屏幕下方顶视图、正面视图、自动旋转、组合动画、AR/VR等不同类型进行交互。语音里可以播放相关的安监管理方面知识，提高培训者注意力。

三、扩展现实技术培训教學体系架构设计

（一） 需求分析

在信息技术快速发展的今天，传统的理论知识培训方式已经无法满足信息化时代下的教学需求和指标。移动终端的普及以及扩展现实技术的发展，为打造高仿真、重交互、超时空的数字信息化培训模式开辟了“虚拟培训”的新领域。通过扩展现实系统进行培训，可把原有需要在实操实验室进行的实际操作培训内容，转化为利用沉浸式媒体技术植入教室，有效解决了教室和培训场地紧张的问题。同时也将乏味的教室课堂教学变得活泼有趣，还可以忽略考虑自然环境等因素的干扰。工业管道的应用场景比较复杂，培训过程对环境空间感要求更高，通过扩展现实教学模式，可以构建清晰直观的虚拟教学场景，高效完成学员的学习目标。

（二）培训教学架构设计

工业管道特种设备安监人员培训系统设计主要包括五个模块系统：工业管道、安监管理、现场安监、案例分析和AR图像识别。其中，AR图像识别模块是培训系统内部的一个重要模块，它具有图像识别功能。该模块可以识别部分工业管道的图片，然后通过AR技术，将识别结果显示为相应的3D管道模型。这样，学员们可以精准地定位在被识别的图像上，对管道损伤类型进行分析，并再现故障场景，起到很好的展示作用。

AR图像识别模块的出现，为学员提供了一个更加直观、实用的培训方式。通过图片的AR识别，学员们可以深入了解与工业管道相关的知识，同时，也可以通过实际应用场景的模拟，增强学员们的实践能力和应变能力。AR图像识别模块的使用，不仅能增强培训效果和质量，还能让学员们更加深入地理解工业管道特种设备的安监工作，为今后的工作打下坚实的基础。五大模块设计又分为了二级模块。在工业管道模块中，设计了管道类型、视图类型、漫游类型和元件展示。通过上述四个二级模块清晰地展现了工业管道的类型和视图，一目了然。除此之外，在安监管理模块设计中，开发了动力管道、工艺管道和制冷管道三个部分，将不同的管道类型进行了模块化。其内部设有VR实训场景模块、安监管理实训项目目录、3D交互功能按钮、AI智能实训/自主控制实训切换按钮和导航栏层级目录。可以通过不同案例的场景复原和损伤分析进行模拟，让培训者在实操练习中事半功倍。系统设计图如图1所示。

（三）開发模块

通过上一节所述，扩展现实技术在工业管道安全监察人员技能培训系统中应用，主要开发了工业管道、安监管理、现场安监、案例分析和AR图像识别五个模块。在开展不同等级人员的工作培训时，通过不同的配置和用户角色权限进入不同的培训模块，方便对不同等级培训人员进行培训，提高培训的效果和效率，保证操作的安全性，方便装置的使用。通过系统内部设计的AR图像识别模块，可追踪并定位培训人员实操过程中的问题和故障复现。在工业管道模块开发中，添加了各种类型管道模块、视图类型模块、漫游类型模块和元件展示模块。在工业管道模块内，可以通过三维模拟的方式清晰地对管道元件、安全装置、附属设施、伴热设施进行详细的培训。平时容易磨损的管子、管件、阀门、管法兰等配件通过三维模拟的方式展现，既可以达到练习的效果，也提高培训的效率，保证培训人员的安全性。还有一个开发亮点是在安监管理模块内设计了VR实训场景模块、3D交互功能按钮、AI智能实训/自主控制实训切换按钮和导航栏层级目录。根据不同培训角色的权限进入安监管理中工业管道/工艺管道/制冷管道之后，可以通过相对应的安监管理VR实训功能模块，进行动力管道、工艺管道和制冷管道的VR实训场景，让培训人员仿佛身临其境，感受真实的场景氛围，从而更好地理解并消化所学内容。同时，AI智能实训/自主控制实训切换按钮也可以让培训者在不同的实训阶段进行自由切换，满足不同阶段实训的需求。导航栏层级目录则提供了方便快捷的培训指引，便于培训者查找所需的功能和模块。

四、扩展现实技术在实训教学中的应用

（一）虚拟现实沉浸课

沉浸式学习源于三维仿真模拟的培训系统，通过新媒体移动终端，如智能手机、VR头显、AR眼镜等，培训者能视觉上进入虚拟学习环境，达到超越真实场景的培训效果。在工业管道安监人员培训领域中，应用沉浸式虚拟现实技术，既能达到“漫步星空”的奇幻培训体验，也能感受“畅游深海”的学习乐趣。

（二）培训教材体系的应用

1.教学环境的真实性还原

扩展现实技术通过融合虚拟信息和真实信息在培训人员终端同屏显示，可以打造更符合培训人员期望的拟真的训练场景。特种作业培训人员可以在模拟的“真实”环境中体验、学习，同时也能够触摸基于AR 技术的虚拟3D 模型，通过互动体验增强培训效果。此外，通过AR技术，培训人员可以从不同角度观察3D 模型，快速理解该模型描述的现实事物。基于AR技术的即时性和互动性，教学内容可以围绕培训人员的视觉、听觉、触觉等方面进行设计，从而调动学员的兴趣，增强培训效果。

2.交互自然，反馈迅速

扩展现实技术支持用户与终端中基于物理环境的虚拟对象自然交互。培训人员可通过与虚拟对象的交互快速理解书本中的抽象概念，在培训过程中兼顾趣味性，激发培训人员受训的积极性。另外终端还能根据学习者不同的交互方式给予不同的反馈，通过这种方式可以差异化指导培训人员的学习，提高培训人员的专注度和参与度。培训人员可以通过手部动作、语音提示、体感等方式交互，扩展现实技术尽可能地调动培训人员所有感官来学习。培训人员在听、看的基础上，还能通过肢体语言与环境交互，扩展现实技术基于这种方式完善培训人员的受训体验。

3.提升教学安全性

扩展现实技术的安全性体现在真实性和虚拟性方面。真实性是指增强现实技术的最终呈现效果是基于真实的物理世界，与纯虚拟环境的虚拟现实技术不同。在学习过程中，培训人员可以实时观察周围物理环境，提前排除危险因素或应对突发状况，基于真实的模拟为培训人员提供了人身安全的保障。虚拟性指扩展现实技术可以模拟高危险系数的实验场景，如工业管道。在模拟环境下，培训人员进行危险实验操作，即使出现失误也不会受到伤害。

（三）培训形式的变更

1.教学内容的具象立体化

此前扩展现实技术的发展趋势主要体现在增强现实硬件设备的迭代升级上。增强现实终端可以将现实信息和虚拟信息融合，并同步展示在使用者视野中。基于虚实结合和虚实同步的特点，可以将书本中的抽象知识建模，并以虚拟3D模型呈现。相对于传统教学方式中通过平面的图像去想象立体的知识。三维空间中通过与教学模型的交互更有助于学生理解抽象知识，这种技术对学生空间思维的训练、对抽象知识的理解起到重要作用。通过把虚拟信息叠加到现实世界中，能够把教学中不容易理解的抽象知识内容转化为立体的、生动的虚拟形象，提高学习者的学习兴趣，从而调动学习者的主动性和积极性。

2.多样化教学素材的关联展示

扩展现实技术能够支持丰富多样的信息展示，包括：文字、图片、视频、音频、网站链接、三维模型、三维动画、全景信息等等。利用增强现实技术，可以在同一个终端将多种信息同屏展示。将这种信息技术运用于教学，可以方便地实现教学内容的扩展和管理知识点的展示，因为知识体系是具有成体系化的特点的。各知识点之间、各单元章节之间、各学科之间并非互相独立而是有所关联的。因此，知识的展现形式可以是多种多样的，但都应该基于知识本身的体系化，整合碎片化的信息，服务于教学目的。基于这种理念，增强现实技术在一个学习场景中展示相关联知识的不同形式信息，这种教学方式可以帮助学习者快速建立知识体系，拓展知识面。

3.不受空间约束的教学即时性

图像扫描识别是扩展现实技术的入口，因为图像信息依托于真实的物理世界存在。扩展现实技术通过扫描图像信息并将这些数据存储到数据库中。在任何环境中，培训人员可以通过图像扫描技术获取真实环境的信息，并由数据库向培训人员终端发送更多相关信息，实现随时随地学习的效果，从而大大减少了教育环境对教学效果的限制。实证研究结果表明，基于增强现实技术的特种安监人员培训软件可以明显提高培训人员的学习效率和学习效果。增强现实技术产生的可视化教学体验，使培训者对抽象概念和现象的理解力的训练起到重要作用。

五、结束语

在传统教育中应用扩展现实技术可以增强学习过程中的真实性和交互性，提高学习效率，创新教育方式，提升教学质量。扩展现实技术突破了传统培训学习中空间和时间的限制，为培训人员带来全新的学习体验。将虚拟现实技术提供的增强现实场景应用于教学任务中，培训人员可以沉浸式地理解和实践学习内容。在传统教育中应用扩展现实技术，可以实现个性化定制教学方案，因材施教，实现碎片化管理。这为未来的培训教育模式带来了新的思路。本文研究扩展现实技术在工业管道安监人员技能培训领域的应用和实践，有助于该技术更好地为教育培训服务。本文从应用模型和实施策略两个角度论证了扩展现实技术在特种人员培训中心的应用前景和价值。随着扩展现实技术的发展和应用性能的提高，它在特种行业的培训应用中将极具发展潜力。

作者单位：高薇 邓葛云 安徽省特種设备检测院

朱景超 合肥永固特种设备职业培训学校

朱明辉 郑大威 中国科学技术大学先进技术研究院

参  考  文  献

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