化工機(jī)械檢修仿真軟件的設(shè)計

摘 要：本文依據(jù)化工機(jī)械檢修職業(yè)崗位任職要求，參照企業(yè)工作過程，將典型設(shè)備檢修維護(hù)任務(wù)轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)領(lǐng)域，再將學(xué)習(xí)領(lǐng)域整合為實訓(xùn)項目。采用基于Photoshop的圖形圖像處理技術(shù)、基于Esperient Creator的三維建模動畫技術(shù)等將化工機(jī)械檢修知識中抽象的原理形象化、將危險的維修項目、維修設(shè)備虛擬化；采用Flash平臺整合圖形圖像、動畫、視頻、音頻等資源信息，設(shè)計開發(fā)虛擬仿真軟件。

關(guān)鍵詞：化工機(jī)械檢修；多媒體；虛擬仿真

中圖分類號：TP391.9

在化工行業(yè)中，多媒體技術(shù)主要用于解決化學(xué)工藝中的特定問題，化工機(jī)械檢修問題幾乎沒有涉及。企業(yè)中依然是“師傅帶徒弟”的模式，學(xué)校授課模式主要是“填鴨式”的課堂講授、理論結(jié)合少部分實踐教學(xué)。但這些學(xué)習(xí)方式都存在著投入大、損耗大、效率低、周期長、維護(hù)困難、危險性等特點。目前，化工企業(yè)90%的工人都是畢業(yè)于職業(yè)院校，為了減輕企業(yè)的培訓(xùn)負(fù)擔(dān)、提高職院校畢業(yè)生的就業(yè)率，研究利用多媒體技術(shù)分析實現(xiàn)化工機(jī)械檢修是非常有必要的。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2005年，喬向東分析研究采用VRML建立常見的化工機(jī)械零部件模型，模型數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中，然后根據(jù)化工機(jī)械設(shè)備的設(shè)計要求合成化工設(shè)備模型[1]。

2006年，羅一鳴，劉有智，袁志國等采用Visual Basic作為開發(fā)平臺，以某化工企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場為模型，建立了一套化工場景漫游系統(tǒng)，輔助化工原理或化工工藝課程的教學(xué)[2]。

2010年，廖孫啟，張蕾，龔福忠等人采用VRML建立化工設(shè)備虛擬模型和場景，開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)版化工原理仿真實驗軟件[3]。

2011年，李和香用3Dmax、Cult3D、Dream Weaver、Flash等研制《離心泵的檢修與安裝》課件。

以上研究的共同特點是都應(yīng)用了多媒體技術(shù)中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，開發(fā)虛擬仿真軟件，但研究領(lǐng)域都不屬于化工機(jī)械檢修。通過調(diào)研，用多媒體技術(shù)開發(fā)化工機(jī)械檢修項目是非常有必要的：為學(xué)習(xí)者提供探索性學(xué)習(xí)情景；提供一種三維立體化表現(xiàn)方式；提供逼真、安全的虛擬操作環(huán)境；大大節(jié)約教育培訓(xùn)成本。

2 需求分析

2.1 虛擬仿真實訓(xùn)軟件是化工檢修企業(yè)人員提高自身素質(zhì)的重要工具

化工機(jī)械設(shè)備的檢修永不可能實現(xiàn)全自動化，高素質(zhì)的操作人員對于企業(yè)安全保障尤為重要。目前，化工企業(yè)中，主要采用化工仿真培訓(xùn)方式，仿真系統(tǒng)操作界面以二維圖像為主，缺乏真實感。隨著多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，三維虛擬仿真在逐步實現(xiàn)，大大拉近了虛擬和真實的距離。

2.2 虛擬仿真是在校學(xué)生訓(xùn)練專業(yè)技能的重要工具

隨著招生規(guī)模的擴(kuò)大，職業(yè)院校實訓(xùn)場地越發(fā)不足，而且許多新型設(shè)備學(xué)校根本無力購置，使得學(xué)生還沒有走出校門就與社會脫軌。雖然部分院校建有校外實訓(xùn)基地，但學(xué)生去校外實訓(xùn)基地實習(xí)，也只是參觀，不讓進(jìn)入生產(chǎn)線操作。開發(fā)虛擬仿真實訓(xùn)軟件，將在一定程度上還解決資金短缺的問題，而且也能提高教學(xué)質(zhì)量，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.3 化工機(jī)械檢修項目特點適合運(yùn)用多媒體技術(shù)開發(fā)

為了讓學(xué)生畢業(yè)就能就業(yè)，目前化工機(jī)械檢修類課程教學(xué)均以典型化工設(shè)備維修任務(wù)為載體，以學(xué)生為主體，使學(xué)生在完成工作任務(wù)的同時正確掌握化工設(shè)備維護(hù)與檢修的基本知識和基本技能，掌握典型化工設(shè)備維修原則和技術(shù)措施，熟練使用常見的維修工具，識別化工生產(chǎn)中設(shè)備常見的故障三現(xiàn)象，了解其發(fā)生原因以及一般解決辦法，達(dá)到職業(yè)資格的要求。同時，培養(yǎng)學(xué)生具有誠實、守信、肯干、敬業(yè)、善于與人溝通和合作的職業(yè)品質(zhì)，具有分析問題和解決問題的能力。

3 化工機(jī)械檢修項目設(shè)計

項目設(shè)計遵循“以崗位需求為核心，以工作過程為導(dǎo)向，以工作任務(wù)為基礎(chǔ)，以實踐帶理論為模式，以真實的工作為依托，以學(xué)生為中心，以自主學(xué)習(xí)為切入點，以多元評價為手段，以興趣小組活動為載體”的原則，在工作流程中的各個環(huán)節(jié)突出不同的能力要素，然后根據(jù)不同的能力要素，設(shè)計圖像、聲音、動畫等資料。

3.1 依據(jù)應(yīng)用化工技術(shù)專業(yè)崗位需要，進(jìn)行工作任務(wù)分析

根據(jù)化工行業(yè)所從事的四大崗位群，確定應(yīng)用化工技術(shù)專業(yè)所涉及的三大核心崗位（化工設(shè)備操作、化工原料及產(chǎn)品分析、化工生產(chǎn)管理）。對核心崗位進(jìn)行剖析，確定學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)。

3.2 根據(jù)工作任務(wù)的要求，設(shè)計教學(xué)項目

根據(jù)化工檢修領(lǐng)域的職業(yè)崗位群任職要求，參照企業(yè)工作過程，將典型設(shè)備檢修維護(hù)任務(wù)轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)領(lǐng)域，再將學(xué)習(xí)領(lǐng)域轉(zhuǎn)化為項目。設(shè)計項目時充分考慮了河南省地區(qū)經(jīng)濟(jì)狀況、企業(yè)類型和學(xué)校辦學(xué)條件。根據(jù)專業(yè)需求和企業(yè)具體情況，學(xué)習(xí)相關(guān)項目。靈活組合知識點滿足不同職業(yè)技術(shù)崗位需求，項目具有較強(qiáng)的可操作性，充分體現(xiàn)了職業(yè)性、實踐性和開放性的要求。

3.3 以工作任務(wù)為基礎(chǔ)，整合教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)“以職業(yè)能力為主線，以典型的企業(yè)項目為載體，以真實的檢修環(huán)境為依托，以完整的檢修過程為行動體系”[4]的設(shè)計要求，本課程以培養(yǎng)典型化工設(shè)備維護(hù)與檢修能力和相關(guān)的崗位能力為基本目標(biāo)，緊緊圍繞典型企業(yè)項目完成的需求來設(shè)計實訓(xùn)項目。每個項目都包括：工作任務(wù)單、技能單、作業(yè)單及任務(wù)考核單，各個環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)明確。在教學(xué)方式上，按“4單”要求完成工作任務(wù)，均采用集中與分組訓(xùn)練相結(jié)合，集體輔導(dǎo)與個別指導(dǎo)相結(jié)合的方式，最后進(jìn)行學(xué)習(xí)評價。

4 仿真實訓(xùn)軟件設(shè)計

以“換熱器拆裝與試壓”項目為例，總體框架設(shè)計如圖1。

圖1 “換熱器拆裝與試壓”項目仿真軟件框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 基于Flash的二維動畫設(shè)計

4.1.1 識圖環(huán)節(jié)設(shè)計

識圖學(xué)習(xí)：用鼠標(biāo)觸及帶圈數(shù)字按鈕，按鈕旁邊顯示部件名稱，同時對應(yīng)的部件將會變色顯示。將“零部件”按順序編號a1、a2、a3……作為影片剪輯，“序號”作為按鈕元件，制作逐幀動畫。

識圖游戲：單擊鼠標(biāo)左鍵拖動“部件名稱”按鈕，到對應(yīng)的矩形框，正確按鈕將自動填入，否則回到開始位置。編碼如下：

on（press）{

startDrag（\"aa1\"）；

}

on（release）{

stopDrag（）；

b2_x1=getProperty（\"a1\"， _x）；

b2_y1 = getProperty（\"a1\"， _y）；

b2_x2 = getProperty（\"aa1\"， _x）；

b2_y2 = getProperty（\"aa1\"， _y）；

dx=b2_x1-b2_x2；

dy=b2_y1-b2_y2；

dist=Math.sqrt（dx*dx+dy*dy）；

if （dist<30） {

setProperty（\"aa1\"， _x， getProperty（\"a1\"， _x））；

setProperty（\"aa1\"， _y， getProperty（\"a1\"， _y））；

}

else{

setProperty（\"aa1\"， _x， 99）；

setProperty（\"aa1\"， _y， 543）；

}

4.1.2 換熱器學(xué)習(xí)情境

采用Flash中的遮罩動畫，橙色代表熱水，藍(lán)色代表冷水，該動畫形象生動的展示了管程、殼程中水的流向，學(xué)生很容易理解。點擊“管程熱殼程冷”“管程冷殼程熱”按鈕，可以分別觀看冷水、熱水的流向。

4.2 基于Esperient Creator的三維動畫設(shè)計

Esperient Creator是一個全新的交互式三維多媒體軟件，也是一款功能強(qiáng)大的互動媒體和3D行業(yè)軟件。被應(yīng)用于建筑、漫畫、廣播教育工作、游戲、設(shè)計/開發(fā)、平面設(shè)計、教學(xué)設(shè)計、互動設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計、多媒體設(shè)計、培訓(xùn)Web、開發(fā)等領(lǐng)域。[5-6]

借助三維動畫可以輕松的將現(xiàn)實中的龐然大物“大鐵塊”搬到學(xué)生面前，動畫中的“顯示殼體”“隱藏殼體”功能，方便學(xué)生觀察換熱器里外的結(jié)構(gòu)，學(xué)生還可以通過鼠標(biāo)拖動，360度旋轉(zhuǎn)換熱器，多角度觀察換熱器結(jié)構(gòu)。學(xué)生通過鼠標(biāo)單擊化工設(shè)備，零件自動拆卸安裝，出錯提醒重新操作。

5 展望

本文設(shè)計開發(fā)的化工機(jī)械維修虛擬仿真系統(tǒng)，仍然還有很大提升空間，下一步將通過校企聯(lián)合，彌補(bǔ)技術(shù)和設(shè)備的不足，利用學(xué)校自身人才資源，深入研究計算機(jī)輔助測試系統(tǒng)CAT理論和人工智能方法結(jié)合的實訓(xùn)操作過程的自動評判技術(shù)，借助云平臺實現(xiàn)資源共享，遠(yuǎn)程培訓(xùn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]喬向東.化工機(jī)械虛擬技術(shù)及應(yīng)用[J].江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2005（11）：22-25.

[2]羅一鳴，劉有智，袁志國等.虛擬化工場景漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2006（11）：1159-1162.

[3]廖孫啟，張蕾，龔福忠.基于VRML的化工原理虛擬實驗室[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2006（03）：38-61.

[4]祝智庭.現(xiàn)代教育技術(shù)走向信息化教育[J].教育科學(xué)出版社，2002（02）：240-249.

[5]Lin XY.Application of virtual reality in educational Training.Computer Simulation，2005（04）：241-243.

[6]Li Y，Xue HB ， Zhu BL.Extracts of OpenGL Applied Example.Beijing：Press，2001（04）： 69-74.

作者簡介：王雷（1983-），男，碩士研究生，應(yīng)用化學(xué)系，研究方向：計算機(jī)應(yīng)用；降華（1982-），女，碩士研究生，信息工程系，研究方向：計算機(jī)動畫。

作者單位：河南化工職業(yè)學(xué)院，鄭州 450000