MR混合现实辅助系统在石油化工中的应用.pdf

化纤与纺织技术 第 52 卷 2023 年 4 月 装备器械115MR 混合现实辅助系统在石油化工中的应用*亢生磊甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100摘要：混合现实（Mixed Reality,MR）技术是一种集成了虚拟现实（Virtual Reality,VR）和增强现实（Aug-mented Reality,AR）技术特点的技术类型，可以实现物理（现实）对象和数字（虚拟）对象共存，并实时自然交互。近年来，混合现实技术在教学变革、实验室创设、技能培训等多个不同的领域得到日益广泛的应用，在改善学习方式、提升教学效果等方面发挥出重要的作用。文章先对 MR 混合现实技术的特点进行简要的介绍，进而结合石油化工相关专业教学的特点，分析二者之间的密切联系，之后，结合石油化工相关专业的教学需求，分析 MR 混合现实辅助系统的建设框架、相关模块设计和具体的建设内容等。最后，结合石油化工教学相关实际情况，分析 MR 混合现实辅助系统在石油化工中的预期应用效果。关键词：混合现实技术；石油化工教学；辅助系统分类号：G4341 MR 混合现实技术概述MR 混合现实技术指的是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境1。在新的可视化环境里，物理和数字对象共存，并实时互动2。混合现实技术是AR 技术的升级，将虚拟世界和真实世界合成一个无缝衔接的虚实融合世界，其中的物理实体和数字对象满足真实的三维投影关系，用以增强用户体验的真实感受。此项技术具有真实性、实时互动性、构想性的各类特质等。该技术融合了虚拟现实和增强现实技术的特点3，能实现物理世界与虚拟数字环境的融合、互动与操作，为使用者构建全新的三维的、沉浸式的虚实融合世界，凭借其灵活的使用形态、便利的开发条件，在工业生产、教育实训、医疗仿真等专业复杂的领域具有突出的优势，可为数字经济的发展提供新动力。近年来，混合现实技术已经逐步渗透到多个不同的领域和行业之中，悄然地改变着人们的生活方式和工作方式，并积极地促进多个不同行业的创新发展4。2 MR 混合现实辅助系统与石油化工的关系石油化工领域、日常生产活动与相关教学活动的开展，均与 MR 混合现实辅助系统之间存在十分密切的联系，可以为各项教学互动、实训活动的开展提供开放性的思路。其中，在日常生产中，MR 混合现实辅助系统在石油化工中的应用可以很好地满足巡检岗位需求，在巡检工作中读取设备或装置的工作状态和运行数据，自动生成巡检质量的报表和设备运行情况（包括运行状态和运行参数）的报表，包括对生产装置的缺陷分析、运行参数的历史分析和运行趋势预测等，为生产装置的日常维护和维修提供有力的帮助，确保装置的安全、稳定运行5。在石油化工教学方面，MR 混合现实辅助系统应用于石油化工教学之中，可以使学生清晰、直观地掌握实训装置的有效信息，实现透明化与可视化学习，增强实训课程内容和实训装置硬件之间的关联性与互动性，使学生获得更好的学习体验，进而有效提升学习效率，增强学习兴趣。传统石油化工相关专业的教学过程中，存在十分突出的“三难三高”的问题。MR混合现实辅助系统在石油化工中的应用，实现了理实一体的教学模式和虚实结合的教学手段，从而有效解决了石油化工教学和培训过程中“三难三高”的问题。3 MR 混合现实辅助系统的建设内容3.1 总体框架设计MR 混合现实实践教学辅助系统的建设是在现有的石油化工实训装置的硬件基础上，通过结合物联网和 5G 通信技术，用数字孪生的形式展示，将虚拟仿真模型与实际虚拟仿真实训设备彼此映射，形成一一对应的“数字双胞胎”，实现“虚拟的也是真实的”“所文章编号：1672-500X（2023）04-0115-03*基金项目：2023 年甘肃省高校教师创新基金项目“MR 混合现实辅助系统在石油化工中的应用”（2023B-503）作者简介：亢生磊，男，本科，讲师，研究方向为化学化工。装备器械 2023 年 第 4 期 化纤与纺织技术116见即所得”“仿真与实际相统一”，以虚补实、虚实结合，模拟构建真实的生产场景，实现对仿真装置的数字化管理6。总体来看，MR 混合现实课堂架构由教学模块、支撑技术和基础硬件三个部分组成。其中，教学模块部分涉及多个不同功能和内容的模块，支撑技术主要涉及人工智能语音合成等技术，基础硬件包含路由器和平板电脑等硬件，具体组成情况如表 1 所示。表 1 MR 混合现实课堂架构组成情况序号组成部分具体内容1教学模块典型化工装置工作原理模块、典型化工反应机理模拟模块、典型化工设备事故模拟模块和典型化工装置认知模块等模块2支撑技术混合现实技术、人工智能语音合成技术和 3D 手势识别技术等技术3基础硬件MR 眼镜、平板电脑、大屏显示器和 5G 路由器等3.2 设备展示和监控模块设备展示和监控模块支持通过 MR 设备查看和监控设备的三维数字孪生模型，包括设备结构展示、设备原理展示、工艺参数展示、异常状况监控等。3.3 教师端管理模块（1）教师端管理模块：系统中设计了专门的教师端管理模块，可以确保教培进度统一，支持培训协同。通过云平台综合管理学习资源，可快速编辑搭建独创的课程，实现实时混合现实培训课程直播、录制与精品虚拟仿真课件制作。（2）教学控制模块：方便教师在教学培训过程中，有效控制教学培训步骤和节奏。（3）画面同步模块：教培进度统一，能够将教师讲解过程中混合现实设备中的画面同步到外部，保持教学过程中的画面内容同步。教师可以通过运用数字孪生智能化教师管理模块向学员下发学习资源，学员在线学习后，教师再通过该模块获取学习进度、作出学习评价。3.4 建设内容建设内容包括 MR 化工典型设备认知在线课程、MR 化工装置生产运行实训在线课程、混合现实设备展示和监控模块、混合现实教学培训模块和配套硬件建设。3.4.1 MR 化工典型设备认知在线课程（1）MR 典型设备虚拟教学实训系统：离心泵、精馏塔、固定床反应器、换热器等典型设备原理、结构认知；建设离心泵、精馏塔、固定床反应器、换热器装置认知任务包；建设固定床反应器装置的机理模拟任务包；建设固定床反应器装置的固定床反应器飞温事故模拟任务包。（2）基于工作过程的 MR 教学任务单。（3）MR 配套教学组织实施开展的教学课件。（4）包含典型设备知识点的教学活动库。3.4.2 MR 化工装置生产运行实训在线课程MR 装置生产运行虚拟教学实训系统：定制开发仪表故障维护实操模拟任务包；定制开发生产运行状态管理、典型化工装置现场巡检、安全应急演练、典型化工装置事故模拟教学视频资源包；基于工作过程的MR 教学任务单；MR 配套教学组织实施开展的教学课件；包含典型设备知识点的教学活动库；匹配在线课程的配套账号。3.4.3 混合现实设备展示和监控模块在设备展示模块，支持通过 MR 设备查看设备的三维数字孪生模型，查看离心泵、换热器、精馏塔等的工艺流程、关键设备运行状态、设备结构等内容，学习设备的工艺原理。在设备监控模块，支持通过 MR设备随时随地了解生产各环节的参数指标，完成设备拆装任务，当设备结构部件分散开后，可以识别指定的设备部件及其相关用途。3.4.4 混合现实教学培训模块在教学控制模块，其方便教师在教学培训过程中有效控制教学培训步骤和节奏。在画面同步模块，教培进度统一，能够将教师讲解过程中混合现实设备的画面同步到外部，保持教学过程中的画面内容同步7。4 MR 混合现实辅助系统在石油化工中的预期应用效果4.1 深化产教融合，多方位构建信息化、智能化的生产环境和实训教学场景通过使用 MR 混合现实辅助系统，联动实物开展实训教学，系统配置过程中，有多个成熟的模板可供选择，可以让系统使用者快速搭建教学所需的 MR 混合现实场景，也可以通过后台系统快速进行资源的更换。支持多人同时在线学习，不受时间、地点限制。在虚拟场景中进行虚拟实训，可以最大限度地减少对实习资源的浪费。系统内也可进行在真实空间内远程的混合现实教学过程，还可以直接加载已有的教学模板。另外，系统还可提供模板创作工具，创造教学使化纤与纺织技术 第 52 卷 2023 年 4 月 装备器械117用者独有的教学流程模板，以更好地满足不同教学需求。采用混合现实技术逼真地呈现实验实训的场景、设备、用品工具等，3D 动画演示操作过程，可随意选择每个步骤进行操作演示。教学的同时，对所学的内容进行实时考核，加深对知识的理解。石油化工行业日常生产和经营过程中涉及的内容十分复杂，与多种设备、技术、场景等相关。在对相关知识进行讲授，并引导学生学习一些专业知识时，要想获得良好的教学效果，还需要尽可能地为学生打造真实的场景，营造良好的学习环境。应用混合现实技术，借助一定的智能化手段，便可以构建出真实、生动、紧密结合石油化工行业实际情况的生产环境。同时，也可以打造实训场景，为学生学习各种实践技能提供所需的场景8。在混合现实技术所打造的生动的环境和学习场景中，可以更好地培养学生“三会”，即会操作，通过虚实结合，练习工艺操作；会维护保养，智慧巡检；会常见故障的分析处理、数据分析。另外，在校企合作背景下，可以应用 MR 混合现实技术打造出全息专业实训室，带来更加直观的全息教学，通过校企联动，让学生随时随地享用企业里的优质资源，为学校培养多元化、专业化人才，提升院校创新实力。远程协作实现了校企联动，一室多用优化了资源配置。4.2 以工作任务为导向，实现“育训结合”石油化工相关教学中，在理论知识的讲解与学习之余积极开展实践教学，引导学生参与各种实践活动十分必要。常规教学中，实践教学的内容较少，教学形式也十分单一。MR 混合现实教学技术使平面世界立体化，抽象世界具体化，解决了传统教学中学生注意力缺失、被动接受、语言学习后无运用的教学闭环问题。混合现实技术的应用下，强调以工作任务为导向，配合真实仿真工厂 MR 教学课程视频资源来完成低成本、低投入、低风险的模拟复训实践教学活动。将虚拟三维教学场景、交互中的虚拟教学元素与真实拍摄的人物和场景渲染合成，为学生打造出更加逼真的、立体感、科技感强的教学环境。通过混合现实的形式，将异地多人同时带入一个全息空间，在空间内，学习者可以看到自己所处的真实环境，也能看到虚拟形式呈现的立体教学内容，而师生将以全息形象呈现在教学空间内，方便随时沟通。例如，在石油化工领域日常生产活动的开展过程中，巡检是十分重要的工作内容。在教学相关知识和技能时，借助混合现实辅助系统，可以模拟出真实的场景。在相应的场景中，学生可以完成石油化工生产中巡检点位置、标准、进度实时可视化实训任务。相比传统课堂，MR 技术实则是一个加强教育的过程，帮助学生在更为开放的虚拟空间中所学可以得到有所用。5 结束语总之，石油化工与 MR 混合现实技术之间存在十分密切的关系。混合现实技术可以提供多维的数字虚拟空间，创建跨越时空的数字资源，推进 MR 混合现实技术在石油化工专业领域实践性、探索性课程中的应用，有利于提升广大院校的信息化建设水平，提高人才培养的质量。相信在未来，MR 混合现实技术会在石油化工领域内得到更好的普及与使用，为推动石油化工相关人才培养与整个行业的发展添砖加瓦。参考文献1 杨光辉,代晓东,李雷,等.VR技术在油气储运实践教学中的应用J.中国多媒体与网络教学学报(上旬刊),2021(9):13-15.2 王会,杨帅强.基于蓝墨云班课的混合式教学模式在石油化工工艺课程的应用J.广州化工,2022,50(13):250-252.3 WIERZBICKIi R,PAWOWICZ M,JOB J,et al.3D mixed-reality visualization of medical imaging data as a supporting tool for innovative,minimally invasive surgery for gastrointestinal tumors and systemic treatment as a new path in personalized treatment of advanced cancer diseasesJ.Journal of cancer research and clinical oncology,2021,148(1):237-243.4 陈晓鹏,张霞,潘达.基于混合现实(MR)技术的教学应用研究与实践:以 动力电池及管理系统检修 课程为例J.汽车实用技术,2021,46(17):167-169.5 牛清明,朱良武,邓生银,等.基于MR技术的汽车电控发动机教学探索J.软件,2022,43(5):19-21.6 陈卓,饶维,肖宜春,等.基于多平台的一体化在线混合式教学模式探究:以 石油化工系统仿真 课程为例J.广东化工,2021,48(18):269-271.7 赵彦贵,李海霞,赵彦成,等.基于虚拟现实技术的工业合成氨生产操作实践教学研究J.内蒙古石油化工,2022,48(11):54-57.8 蔡虹.石油工业虚拟仿真实验教学项目的管理优化研究D.青岛:中国石油大学(华东),2017.