IVRP实现身临其境的虚拟现实工厂

投资密集型行业所面临的一个挑战就是,在未来五年中将日渐老化的员工逐渐替换为精通电脑和计算机模拟的新一代员工。

Maurizio RovaglioTobias Scheele 英维思运营管理部     在诸如石油和天然气、炼油和电力行业,需要将员工的知识技能通过高效和有力的方法进行系统化。利用虚拟现实(VR)模型的优势,在诸如安全和环保系统、知识和能力培训、以及可靠性等关键领域,来加快员工获得合格的能力,同时,它提供了一种方式,能够根据新员工的兴趣和技能特点对他们进行快速的培训。     随着硬件和软件技术的日趋先进,虚拟现实(VR)是当今可以获得的最好的多媒体培训、流程设计、维护、安全等方面的辅助工具,目前的VR主要基于传统的二维(2D)设备基础之上。     对于设备状况的实时体现的需求,要求拥有高速的处理器时间和使用高保真仿真模拟器,这些在流程理解和培训领域越来越成为一个标准。在过去的许多VR商业项目中,达到的效果并不理想,要么就是缓慢得并不像实际操作那样,要么就是太复杂了,以致损害了解决方案的有效性。随着技术的持续发展,这些问题今天已经不成为问题了,一个全新的流程模拟仿真时代的大门已经开启。     今天,身临其境的虚拟现实流程(IVRP)能够提供广泛的多媒体辅助,而且既经济又高效地支持流程行业的设计、培训、维护和安全,这一切都是通过将动态仿真——DYNSYM的能力与VR应用程序和工具的有机连接,从而获得实现的。 一个革命性的全新培训媒介     虚拟现实是一项快速成长的技术,它利用不断增长的计算机性能来仿真真实的或者想象出来的环境和情景,同时拥有高度的真实性和互动性。这是一个新兴的技术,在诸如产品设计和建模、流程仿真、规划、测试和认证、实时车间控制、培训和维护等领域拥有应用的潜力。对于虚拟现实在生产制造行业发展的论断是,它能够在同时发生的工程环境中提供虚拟生产环境计算机架构,可以实现零损失和无风险生产。实际上,虚拟现实已经在与生产制造、工业维护、生产后期培训和客户服务相关的广泛领域被应用,诸如复杂数据可视化、机器人控制和远程设备操作、沟通、培训和规划,以及虚拟原型建模和设计等。这些应用的成功,都极大地依靠一个虚拟现实的环境。     虚拟现实技术被应用于各种流程工业和领域的培训应用,例如军事、医药、航空、艺术和商业。虚拟现实提供了一种潜力,它能够让人员以安全的、高度可视的、互动的方式,暴露在一个仿真的危险情景之中。对化工厂区、动态流程操作、和全面虚拟环境的度身定制的仿真被建立起来,让用户能够一目了然地在虚拟工厂中任意移动、进行操作决策和对流程进行研究。无论是正确的还是错误决策的结果,学员都能够立即获得反馈,从而让他们有机会犯错误并从中直接得到学习和体会。     用户可以使用各种硬件设备与虚拟世界进行互动,诸如操纵杆和数据手套。同时,在虚拟世界中获得的实际感受能够通过特别的光学设备和视频设备,诸如头戴式显示器和三维环绕立体声等,得到加强。     IVRP的总体目标是将新颖的培训技术进行发展,来提升化工工厂人员的操作效率和技能。这包括应用于化工流程工业中的大量培训情景的开发。相信IVRP的应用将增加流程的理解、准备、安全意识和安全程序的知识,因此将能够改善优化生产以及减少工厂事故率。     IVRP解决方案的广泛目的可以被分为以下几类: 针对流程工业领域的培训应用,虚拟现实技术的普遍适用性和潜在用途; 开发大量的虚拟化工工厂环境,在一系列不同的情景中培训操作员; 识别化工流程中的关键组成部分和特征,并探索新的可视的、互动的学习技术,将其应用于一个虚拟世界中,以获得足够的现实性和培训可用性; 顺应全新的人因工程(HFE)趋势,把仅针对培训的侧重拓宽到涵盖沟通交流和团队建设领域。 IVRP平台&架构      IVRP互动系统是一个以服务器为中心的分布式应用程序,它集中管理情景的更新和让情景能够在多个地点同时呈现。它的中枢组成部分——服务器——与Sim4Me仿真引擎直接同步,从而在VR情景中的每个工厂环境和道具都是与流程仿真一起实时更新的。VR系统还有其它站点,他们在仿真中扮演不同的角色。所有这些组成元素都通过网络进行沟通,依靠标准的TCP/IP协议。     服务器应用程序负责处理各个模块之间的沟通,以及对所有情景参数保持持续的更新版本。它拥有情景图的拷贝(3D情景的分级式代表物),与每个卫星应用程序中的情况都保持同步。它持续地进行更新那些情景图片数据,并通过网络协议通报卫星应用程序中的变化。        卫星应用程序负责呈现可视数据并向用户提供附加的功能。通过再造工厂环境和令用户能够在工厂环境中执行行动(例如打开阀门等),主要的客户站点扮演现场操作员的角色。虚拟的现场操作员进行的所有行动都是由另外的平台元素(包括流程仿真器)来进行跟踪和同步的。情景可以被输出显示在不同的系统中,从标准的台式显示器,到头戴式显示器,到身临其境的投影系统等,它还可以使用单声道或立体声。     IVRP连接的主要的仿真模块是DYNSIM,其作为有力的高保真流程仿真器,以及FSIM,其作为I/A控制系统仿真模拟。IVRP还与各种流程仿真模拟器和控制系统模拟相兼容。在3D世界和流程/控制仿真之间拥有全面同步的集成整合。现场操作员在3D环境中进行的任何行为都立即在DYNSIM中反应出来,反之,任何DYNSIM上更新的值也都会在VR平台上得到更新。     IVRP需要一个监控站,这里集中了所有关于正在进行的仿真运行的信息。这些信息来自于不同数量和类型的互相连接的站点,转化成为能够被扮演的具体培训的3D模型。这个站点当然也能够与传统的OTS系统的教练员站相集成,从而就对所有将要运行的培训课程拥有一个单一的控制点。这样,事件和培训练习就能够从教练员站进行引发,然后传送到控制台(控制室操作员)和VR平台(现场操作员)。     基于图形的教练员站是在DYNSIM教练员站软件的基础上建立的。下面描述的所有功能都能使用菜单和鼠标进行激活: 1. 运行/停止 2. 简介 3. 情景 4. 故障&事故起囦lt 5. 教练员控制的参数 6. 被监控的参数 7. 趋势 8. 学员熟练程度评论 9. 操作员在虚拟工厂中跟踪 10. 重放 增强的真实性     增强的真实性是传送给用户的虚拟的和图形的3D形象的一个结合。增强的真实性与虚拟显示不同的地方在于将这些图形形象覆盖成为真实(虚拟)的,将用户置身于一个身临其境的、互动的、和三维的“增强”环境中。     外部环境代表真实(虚拟)世界,它可能会被链接到额外的信息系统。例如,在一个医疗应用中,使用一种光学系统将一个人体器官的图覆盖到一个真实(虚拟)的病人身上是切实可行的。为了实现把真实/虚拟的环境多媒体数据源达到准确的吻合,在显示技术、仿真环境和信息处理系统之间提供最合适的关联是非常重要的。必须强调的是,所有VR情景和应用都需要与外部数据源(仿真的或者现场数据)进行关联。实际上,VR工具的价值及为培训带来的相关好处,都与学员的“行为/反应”感觉紧密相关,以及与能够提供“超自然”的感觉的额外信息和数据、和对于内部流程的理解都是紧密相关的。    

[caption id="attachment_1378" align="aligncenter" width="339" caption="图三:增强的真实性:在虚拟现场弹出趋势表的例子。"][/caption]

    通过将虚拟形象、视频、或者文字添加到真实(虚拟)的情景上,体验就可以得到提升甚至改进。图三显示了一个例子,在工厂中穿行或者执行一项任务的过程中的任何时间,用户都可以通过简单的拨动一下手持设备,就激活/解除激活一个趋势表。变量和趋势能够根据类型(温度、压力、流量等),以及根据设备被进行选择/定制,就像这些设备就处于控制室中一样。数据源都将是相同的:仿真引擎或者实时数据库。可供选择的是,在图四中呈现另外一种不同的增强真实性,在那里设备部件变得透明,相关信息以流程行为的视频动画的形式呈现。 紧急情况、危险和安全性     最近的和众所周知的很多事故中,人员的失误都是事故发生的一个重要因素。例如,1969年在德克萨斯城,操作员打开了一个位于丁二烯工厂顶层生产线的排气阀,将其开至全回流位置,而其它部分还都处于维修状态。这样,由于不稳定混合物的作用,乙烯基乙炔都集中在底部。最终,两吨液态阶段的乙烯基乙炔被引爆,喷射物高达900米,大火经过60个小时才被扑灭。为了了解人的行为对于危险事故带来的影响,最基本的就是要对人员犯的错误进行检查,以及是什么原因导致了这些错误。在流程工业中,对于人为错误的削减,就能够削减发生事故的可能性。一个有用的分类框架将人为错误确定为过失/失误、错误或违规。过失或失误通常会由于注意力不集中或由于紧张的环境所导致,从而工作人员就不能实现他们想要做的行为。过失或失误这种人为错误包括忘记关闭电源、对重要安全问题的检查流于疏忽、或者忘记实行安全程序中的重要步骤,这些会导致设备损坏和人员伤亡。 为了在操作程序中减少这些错误,有效的培训方法必须被开发出来。过去,操作员培训的目的只是为了防止事故导致的直接损害和减少伤亡和财产损失,但是现在,操作员培训涵盖了更广阔的意义,包括开发人力资源和提升生产力、安全性和效率。现在,操作员教育的重要性比以往任何时候都受到重视。     为了在全球经济中保持竞争力,培训一直以来都被视为一个重要的因素。操作员需要和最新方法和技术保持与时俱进。培训应该包括对基本的危险和工厂安全程序的介绍以及火警系统和详细的工作安全流程。所以,就需要为这种培训创造仿真的危险情景来提供一个真实(虚拟)的环境,同时还不会导致任何对学员和周围环境的损害。     IVRP让用户可以在计算机生成的环境中向任何方向移动,并且可以创造危机情况并决定采取什么行动,而且还可以立即看到所采取的行为所产生的影响。     IVRP让学员能够在工厂中行走,检视组成流程的所有设备,有机会启动、运行和关闭设备,并且对错误情况作出反应行为,而这一切都不会导致任何对于设备的损害以及对于学员自身的伤害。    

[caption id="attachment_1381" align="alignleft" width="349" caption="图六:虚拟火灾"][/caption]

    错误常常由于不正确的决策、缺少沟通和缺乏实际操作经验而导致。典型的错误包括对所用设备和原料的危险性缺乏认识、对于操作程序和紧急情况的错误理解、或没能意识到流程工厂中的先兆性暗示。单个人员和/或团队培训是减少这些错误的最有效的方法。IVRP能够帮助学员(无论是单个还是团队学员)从他们的错误中得到学习,而不会对设备和自身造成任何伤害。     在练习中,所有这些操作员梦寐以求却无法在现实中体验和测试的反常情况和各种非典型的行为,都可以通过IVRP来进行测试。     可以想象的和可预见的故障可以被完全的进行试验,甚至可以等到事故发展到成为灾难的时候再进行试验。从一个虚拟的灾难中进行学习,能够帮助人们避免真正的灾难。这种技术的优势就是,安全可以被试验和体验,这不仅仅是对培训有好处,而且甚至还帮助风险评估人员能够更好的确定危险情景,不仅如此,更加重要的是决策者能够及时地做出正确的决策。换句话说,IVRP让培训、风险评估和安全管理变得比以往更加有效和现实。      

    在安全表现方面的提升往往指减少事故的数量和减少潜在的危险。风险评估过程的目的是试图将一个事故发生的可能性最小化或者根本排除。风险评估历来就一直存在,无论何时只要有一项决策要做出,或者一个行动要实施,就都会有相应的风险存在。人的决策所产生的影响在未来才会出现,所以结果是不确定的,不同的行为可能导致不同的结果,某些结果可能比其它结果会获得更好的效果。所以,人的因素在风险评估中变得非常关键。     IVRP提供了一个强有力的环境,它通过让操作员能够在虚拟环境中自由移动和虚拟地“碰触现实世界”,来测试人的行为在正常和非正常条件下的表现。在虚拟环境中进行身临其境的仿真时,那里的所有事物都类似于真实世界,所有危险情况和相关的程序/决策制定,都能够进行体验和测试。 维护/维修&可靠性     工厂和车间维护/维修是一项最好的实践,它需要一个以团队为基础的方式来进行,其中操作员进行的一些设备维护/维修行为和维护/维修技能工作,都与日常的设备运行有紧密的关系。     为了理解维护/维修培训的培训目的,第一个合理的步骤是了解学员期望进行哪些维护/维修任务以及从培训中能够获得什么。在流程操作中,举例来说,维护/维修任务的本质很大程度上取决于企业的行业类别、被维护/维修设备的类别、和特别的企业文化。 但是,总体来说维护/维修任务基本可以被分为下面的一些子任务: 复制——能够复制那些被报告出来的故障; 鉴定——能够准确地诊断出故障源; 校正——采取符合被维护/维修的企业的政策的行动来纠正故障; 确认——检查以确认那些被鉴定出来的故障已经被排除。     上述四个方面,每个过程都需要普通的和特别的身体技能和智力技能的融合才能实现。     使用VR设备进行培训,维护/维修操作员就能够不仅对维护/维修任务本身,而且对他们所处理的问题设备背后隐藏的原理都有一个深刻的理解。这意味着一个典型的培训课程的构成部分将会来源于很多的培训类别: 1. 入门理论培训 2. 教练员指导培训 3. 系统评估 4. 故障诊断培训 5. 校正培训 6. 设备熟悉 7. 情景模拟 8. 视觉评估 9. 手/眼协调 10. 空间评估     VR模型的内核是对几何学、布局、和/或流程设备的电池极限以及相关的支持设施基础架构的理解能力。使用一个物理替代物(虚拟形象)代替一个操作员或者维护/维修人员,IVRP能够通过逼真模拟操作和维护/维修人员的行为,让测定和检查达到最优化。    

    这主要是一个空间系统分析(3,8和10),工厂中的工作空间、逃生路线、危险区域和运输路线能够从一个观察点进行调查研究。        

这种分析的结果可以让维护/维修程序得到最优化,或者能够要求维护/维修管理层来进行改善或者修正。     第二个例子(见图九)再次涉及到空间评估(10),但是还拥有设备熟悉(6)和手/眼协调(9)的目的。事实上,操作一个高度自动化的工业流程,很大程度上依赖于流程设备的维护/维修能力。    

      在当今经济不景气的时候,为了防止生产损失,操作过程中的维护/维修更拥有非常高的重要性。因此,为了确保维护/维修能够及时地得到适当的执行和实施,维护/维修人员就需要参加这种在流程机械和工厂布局的VR模型中使用虚拟形象(见图八)或者以“第一人称”(见图九)进行的维护/维修培训。关于诊断、时间选择、和程序方面的维护/维修问题,能够被突出显示出来,并通过与虚拟设备互动的关联,和与计算机集成的维护/维修及文件管理系统互动的关联,最终达到最优化。所以,故障诊断培训(4)和校正培训(5)可以在一个全面的、既能转化知识又能传递技能的多媒体工具上进行(9): 在一个VR模型中进行仪表刻度标定和润滑行为,提供了一个整合和调整操作和维护/维修行为的手段; 使用VR模型整合操作、维护/维修行为和项目清单,能够提供一个建立协作关系和提升团队合作的手段; 不仅如此,在模型区域中,可以使用颜色覆盖来表示工厂中需要进行检查的区域,以及建立安全分界线。 好处和价值主弦     IVRP能够改善设计程序、节省维护/维修的时间和金钱,是培训操作员工的非常好的方法,相比传统的方法能够更好的实现培训目标: 为学员提供更加真实的培训环境; 在培训课程中提供实践的机会; 在中度/高度紧张的情况下能够快速而准确地反应; 提升对于很少发生但是又安全攸关的任务的技能(例如紧急停车); 将技能从培训环境向真正工作环境进行最好的转化; 对于操作程序和表现拥有可靠的、有效的评估; 团队培训:控制室、现场、轮班、操作&安全经理(沟通)     一项调查显示,IVRP可以令ROI(投资回报率)提升50%。该技术的主要经济益处主要包括以下几点:     在对大规模新进人员的“工作中培训”方面,节省30-40%的时间和成本,这体现在,在不同工厂之间进行轮换流动时拥有很好的熟悉能力,和对于预先规划的老龄劳动力的替代方面;     省15-25%的启动时间,而且由于所有的工厂人员能够经常练习各种关键程序,所以对计划中的和计划外的紧急停车可以做到最好的生产应对;     通过改善维护/维修操作员的培训和使用IVRP设备预分析功能对可能出现的维护    

[caption id="attachment_1386" align="alignleft" width="326" caption="图十一:对于IVRP益处的保守评价"][/caption]

情况预先进行了掌握,能够节省1-3%的维护/维修预算。     无论培训师和学员处于世界上的任何地方,即使他们天各一方,利用网络设备,他们都可以在相同的虚拟环境中(比如同一个化工厂或者建筑物中)进行远程工作和合作。不仅差旅费可以得到减少,多个地点之间的协同工作项目都可以形成网络,从而处于多个地点的团队成员能够一起进行有效的学习和交流。

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