虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在管道工程中的應(yīng)用

肖碩武　鄒旺

摘 要：本文通過(guò)對(duì)管道工程的實(shí)際工作需求和工作內(nèi)容要求進(jìn)行分析，結(jié)合其綜合性，復(fù)雜性，專(zhuān)業(yè)性等特點(diǎn)，思考如何將VR技術(shù)作為管道工程建設(shè)與日常運(yùn)行管理的一個(gè)輔助手段，建立管道工程虛擬培訓(xùn)學(xué)習(xí)平臺(tái)，對(duì)管道工程施工管理人員及運(yùn)行管理人員進(jìn)行培訓(xùn)，以有效提高人員的培訓(xùn)效率。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);管道工程;應(yīng)用

文章編號(hào)：2095-4085（2020）04-0080-02

根據(jù)管道工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)可知，管道施工專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，特別是埋地的管道工程，需要確保其可靠性，穩(wěn)定性，工程質(zhì)量的好壞直接影響使用管道的經(jīng)濟(jì)效益和安全運(yùn)行。管道工程人員通常需要將近10年實(shí)際工作的磨礪，才能成熟的運(yùn)用和使用管道。當(dāng)今，我國(guó)老齡化問(wèn)題日益嚴(yán)重，人力資源也日趨緊張，縮短人才的培訓(xùn)周期有利于全面提高人力資源的整體素質(zhì)。如果管道工程人員在進(jìn)行實(shí)際工作之前就已基本具備實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)施工的專(zhuān)業(yè)水準(zhǔn)，那么人力資源的使用效率和管道工程的施工質(zhì)量，也會(huì)得到一定程度的提升，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)——Virtual Reality（簡(jiǎn)稱(chēng)）的出現(xiàn)，有望實(shí)現(xiàn)和滿(mǎn)足這一現(xiàn)實(shí)需求。

1965年，Sutherland 在《終極顯示》中首次提出了VR技術(shù)，這是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)人在虛擬環(huán)境中達(dá)到逼真現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的綜合性技術(shù)。其涵蓋了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)，顯示技術(shù)，傳感器技術(shù)，控制工程，人機(jī)工程，心理學(xué)等學(xué)科知識(shí)，特征為3I，即沉浸感（Immersion），交互性（Interaction）和想象性（Imagination）。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外最熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一，它在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如體育專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練，軍事院校教學(xué)，汽車(chē)駕駛，飛機(jī)操作，機(jī)床操作等教學(xué)訓(xùn)練，該技術(shù)的運(yùn)用可有效降低訓(xùn)練帶來(lái)的危險(xiǎn)性，降低訓(xùn)練人力物力財(cái)力的投入。

1 管道工程及其特點(diǎn)

管道工程主要包括線(xiàn)路工程，站庫(kù)工程和附屬工程三個(gè)方面。其中，線(xiàn)路工程又包括管道本體工程，防護(hù)結(jié)構(gòu)工程和穿跨越工程等。這三項(xiàng)工程又包含很多種工程種類(lèi)，以管道穿跨越工程為例，其工程包括穿越鐵路或公路，穿跨越河流或峽谷，穿山隧道以及穿越不良地質(zhì)地段等工程種類(lèi)。站庫(kù)工程一般包括工藝系統(tǒng)工程，管道動(dòng)力系統(tǒng)工程，管道監(jiān)控系統(tǒng)工程，管道通信系統(tǒng)工程，水源，給排水及消防系統(tǒng)工程等。附屬工程主要包括沿管道線(xiàn)路修建的通信線(xiàn)路工程，供電線(xiàn)路工程和道路工程等。除了上文所述的主要工程部分，管道工程還有許多相關(guān)的工程內(nèi)容，概括來(lái)說(shuō)，其具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

綜合性強(qiáng)，需要掌握諸多學(xué)科知識(shí)。管道工程一般需要多種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)作為支撐，既包括專(zhuān)業(yè)的工程建筑，設(shè)備和施工技術(shù)，也包括一般性建筑和安裝工程。工程規(guī)模較為龐大，投資數(shù)目高達(dá)上億元，消耗的鋼材以萬(wàn)噸或百萬(wàn)噸計(jì)，屬于大型，綜合性的工業(yè)建設(shè)項(xiàng)目。

復(fù)雜性高，需要強(qiáng)大的組織協(xié)調(diào)能力。大型管道工程長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)千公里，通常會(huì)穿越高山，江河，沼澤，沙漠等復(fù)雜地形，需要與城鄉(xiāng)建設(shè)，水利規(guī)劃，能源供應(yīng)，綜合運(yùn)輸，環(huán)境保護(hù)和生態(tài)平衡等問(wèn)題進(jìn)行綜合分析和考慮，在施工過(guò)程中，也會(huì)面臨物資供應(yīng)，交通車(chē)輛，筑路，供水，供電，通信等諸多問(wèn)題。因此，管道工程的組織管理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要協(xié)調(diào)和動(dòng)用大量人力物資加以保障，沒(méi)有強(qiáng)大的組織協(xié)調(diào)能力難以做到。

技術(shù)性強(qiáng)，需要豐富的專(zhuān)業(yè)知識(shí)支撐。管道工程通常需要在較高壓力下，安全，連續(xù)地輸送易燃易爆的介質(zhì)，又要根據(jù)實(shí)際需要，滿(mǎn)足不同的工藝要求。

2 VR技術(shù)在工程中的應(yīng)用和設(shè)計(jì)構(gòu)想

（1）在工程施工管理人員培養(yǎng)方面，利用VR技術(shù)交互性強(qiáng)的特點(diǎn)訓(xùn)練人員組織管理工程的能力。在系統(tǒng)中可全程模擬工程，包括對(duì)各個(gè)階段，各分部分項(xiàng)工程的實(shí)施，以及器材和設(shè)備的運(yùn)用等。根據(jù)對(duì)不同類(lèi)型不同層次的管理人員設(shè)置不同的能力要求，通過(guò)反復(fù)的訓(xùn)練幫助受訓(xùn)人員達(dá)成一定程度的管理水平。

（2）在工程施工人員培養(yǎng)方面，注重利用沉浸性和交互性的特點(diǎn)，用VR系統(tǒng)訓(xùn)練人員技術(shù)操作能力。如在管道施工中可能用到的挖溝機(jī)，焊接機(jī)，絕緣機(jī)，彎管機(jī)，吊管機(jī)以及試壓設(shè)備等，海洋管道的施工則需要使用開(kāi)溝船，鋪管船等專(zhuān)用船舶，可運(yùn)用VR中的虛擬設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練和操作，達(dá)到鍛煉受訓(xùn)人員的目的。另外，管道工程中最常用的焊接技術(shù)，可以根據(jù)焊槍傾角、焊槍與焊件之間距離， 焊接速度等焊接操作參數(shù)，綜合材料，方法，焊接電流，預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)，合理的構(gòu)建焊接模型，進(jìn)而構(gòu)造一個(gè)虛擬的焊接訓(xùn)練環(huán)境。受訓(xùn)者可以在這個(gè)虛擬的環(huán)境中進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到快速提升技能水平的目的。

（3）在管道工程運(yùn)行管理方面，通過(guò)建立栩栩如生的三維模型搭建一個(gè)生動(dòng)真實(shí)的三維管道工程場(chǎng)景，便于開(kāi)展工程相關(guān)管理工作。以此實(shí)現(xiàn)管道工程系統(tǒng)漫游功能，足不出戶(hù)了解全部工程細(xì)節(jié)。通過(guò)對(duì)設(shè)備抵近觀(guān)察，模擬操作工藝設(shè)備，掌握工藝流程各項(xiàng)具體細(xì)節(jié)要求。根據(jù)需要建立相應(yīng)的學(xué)習(xí)與考核體系，通過(guò)使用客戶(hù)端，對(duì)培訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行瀏覽學(xué)習(xí)，也可進(jìn)入虛擬場(chǎng)景進(jìn)行操作，最后進(jìn)行考核。

（4）結(jié)合前面所述，基于VR技術(shù)建立起來(lái)的管道工程虛擬培訓(xùn)學(xué)習(xí)平臺(tái)，包含學(xué)習(xí)，培訓(xùn)和考核三種模式，可對(duì)管道工程施工管理，施工及運(yùn)行管理等三方面人才進(jìn)行有效培訓(xùn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面主要分為三步，第一步要根據(jù)培訓(xùn)學(xué)習(xí)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。第二步要分析和記錄設(shè)備和場(chǎng)景，進(jìn)行等比例建模。第三步將這些模型導(dǎo)入開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)操作。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖1。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以模擬各種復(fù)雜的虛擬環(huán)境，并能讓使用者在虛擬環(huán)境中實(shí)時(shí)交互，獲得身臨其境的感受和體驗(yàn)的新型技術(shù)，在管道

工程培訓(xùn)中具有較好的應(yīng)用前景，可大大提高人員培訓(xùn)效率，促進(jìn)管道行業(yè)的快速發(fā)展，同時(shí)也為VR技術(shù)在其他行業(yè)的推廣應(yīng)用提供路徑參考。當(dāng)然，我們也應(yīng)該注意到VR技術(shù)存在局限性，例如，模擬的世界和現(xiàn)實(shí)總有差距，有些方面不能完全取代現(xiàn)實(shí)中的學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)者在操作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)暈眩，惡心等現(xiàn)象，另外還存在造價(jià)較高，期投入成本較大，更新升級(jí)困難等問(wèn)題?；谝陨戏治觯琕R技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)進(jìn)行綜合考量，從實(shí)際需求出發(fā)合理投入，以求實(shí)現(xiàn)效益最大化。

參考文獻(xiàn)：

[1]張菁，張?zhí)祚Y，陳懷友.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[2]周忠，周頤，肖江劍.虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)綜述[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2015，（02）：157-180.