基于情境學(xué)習(xí)的射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用研究

尚福華　宋欣雨　解紅濤

摘 要：由于傳統(tǒng)的仿真培訓(xùn)中只能通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊與鍵盤進(jìn)行交互，存在著現(xiàn)場感缺乏以及用戶體驗不足等缺點(diǎn)，針對油田射孔崗位仿真培訓(xùn)中的交互問題，提出了應(yīng)用情境學(xué)習(xí)理論結(jié)合體感交互技術(shù)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。通過將Unity與體感交互技術(shù)結(jié)合，學(xué)習(xí)者可以運(yùn)用手勢與姿勢來實現(xiàn)與仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的交互操作。結(jié)合應(yīng)用這一技術(shù)可以使得學(xué)習(xí)者能夠在更逼真的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中盡情的體會和學(xué)習(xí)，滿足學(xué)習(xí)者的體驗和參與需求，可以有效促進(jìn)學(xué)習(xí)者從具體的感知經(jīng)驗上升到抽象的知識概念，為教學(xué)培訓(xùn)的順利開展創(chuàng)設(shè)有利的條件。

關(guān)鍵詞：體感交互;仿真培訓(xùn)系統(tǒng);油田射孔;Kinect;運(yùn)動捕捉

中圖分類號：TP311????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Application Study of Perforation Simulation Training

System Based on Context Learning

SHANG Fu-hua， SONG Xin-yu， XIE Hong-tao

（School of Computer and Information Technology， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318，China）

Abstract：Because traditional simulation training can only interact with the keyboard through mouse clicks， there are shortcomings such as lack of sense of presence and inadequate user experience. Aiming at the interaction problems in the simulation training of oilfield perforating positions， an application context learning theory combined with somatosensory interaction Technical simulation training system. By combining Unity with somatosensory interaction technology， learners can use gestures and gestures to achieve interactive operations with the simulation training system. Combined with the application of this technology， learners can experience and learn in a more realistic virtual learning environment， meet the needs of learners' experience and participation， and effectively promote learners to rise from specific perceptual experiences to abstract knowledge concepts. Create favorable conditions for the smooth development of teaching and training.

Key words：somatosensory interaction; simulation training system; oilfield perforation; Kinect;motion capture

油田射孔工序作為石油工序中最為關(guān)鍵的工序之一，對于職工的培訓(xùn)非常重要，因此油田也開發(fā)出了一些用于崗前培訓(xùn)的仿真系統(tǒng)，例如油田鉆井作業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)[1]。傳統(tǒng)的仿真培訓(xùn)方式一般是只能通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊進(jìn)行交互，但隨著時代與科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的仿真培訓(xùn)方式也暴露出了一些不足之處：一是交互方式單調(diào)，傳統(tǒng)的仿真培訓(xùn)只能通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊進(jìn)行交互，長時間學(xué)習(xí)無法達(dá)到好的學(xué)習(xí)效果，不利于學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性[2]。二是培訓(xùn)缺失問題，企業(yè)中存在著許多的未經(jīng)過系統(tǒng)化培訓(xùn)的軟件操作人員，由于對系統(tǒng)及操作不規(guī)范既延誤了工作，又帶來了大量的維護(hù)工作，給建設(shè)單位帶來了額外的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[3]。三是受教育者都是成人，成人在學(xué)習(xí)過程中就存在著學(xué)習(xí)積極性低下，水平層次不齊，沒有明確學(xué)習(xí)目標(biāo)等諸多問題[4]。另外，傳統(tǒng)的培訓(xùn)中又存在著現(xiàn)場感缺乏以及用戶體驗不足等缺點(diǎn)，無法充分的激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，并且對于一些學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較弱的群體可能達(dá)不到預(yù)計的學(xué)習(xí)效果，因此也需要一些新的方法來使其達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果[5]。

體感技術(shù)作為近些年新興的技術(shù)在很多領(lǐng)域中都已經(jīng)有所應(yīng)用，比如在移動機(jī)器人[6]中以及醫(yī)學(xué)智能診斷[7]中都取得一定的研究成果，但是在針對油田的仿真培訓(xùn)中，還沒有被應(yīng)用。結(jié)合體感技術(shù)后的仿真培訓(xùn)可以對油田射孔仿真培訓(xùn)中的交互操作演示的更為精確，比如在吊卡的下放過程中，傳統(tǒng)的仿真培訓(xùn)只能做到通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊看到吊卡向下移動，如果對于理解不當(dāng)?shù)墓と朔浅Ｈ菀自诠ぷ髦袀恕＝Y(jié)合了體感技術(shù)的仿真培訓(xùn)，工人可以通過自己的姿勢來控制吊卡的下放，并且在操作不當(dāng)?shù)臅r候提示警告，但為了達(dá)到更好的培訓(xùn)效果，在引入體感交互技術(shù)的基礎(chǔ)上還需要應(yīng)用教學(xué)理論對培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

在虛擬仿真系統(tǒng)中融入嚴(yán)肅游戲的思想是提高培訓(xùn)效果的一種常用方式，在油田鉆井培訓(xùn)領(lǐng)域已經(jīng)得到了應(yīng)用[8]。基于嚴(yán)肅游戲的思想，在仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計過程中引入了情境學(xué)習(xí)理論。情境學(xué)習(xí)是指在所要學(xué)習(xí)的知識或技能的應(yīng)用情境中進(jìn)行學(xué)習(xí)的方式[9]。杜威倡導(dǎo)“做中學(xué)”，“教育即生活”的教學(xué)思想明確了情境在學(xué)習(xí)過程中的重要性[10]。麥克萊倫的情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為不能脫離具體的情境而單獨(dú)地去看待學(xué)習(xí) [11]。情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為知識必須在一個真實的環(huán)境中學(xué)習(xí)如何使用，概念的理解需要持續(xù)不斷地建構(gòu)，同時個體間的交流往往會產(chǎn)生知識[12]。也表明將技術(shù)融合于教學(xué)在真實情境中學(xué)習(xí)是提升學(xué)習(xí)者信息化教學(xué)能力的有效手段[13]。

因此，在油田射孔仿真培訓(xùn)設(shè)計中融入情境學(xué)習(xí)理論，并通過體感交互技術(shù)實現(xiàn)該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。體感交互式仿真培訓(xùn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)相比具有更高度的沉浸感和實時性，同時在系統(tǒng)的交互上具有更多樣性等優(yōu)點(diǎn)。用戶可以在模擬真實場景的學(xué)習(xí)環(huán)境中體會到高度的沉浸感，而且還可以與虛擬場景通過肢體動作直接進(jìn)行交互，實現(xiàn)充分的學(xué)習(xí)體驗。改變了學(xué)習(xí)者僅僅作為單純的被動接受者，可有效實現(xiàn)更好的培訓(xùn)質(zhì)量，提高培訓(xùn)效率，節(jié)約培訓(xùn)成本。

1 基于情境學(xué)習(xí)的射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計

在情境學(xué)習(xí)理論中提出的學(xué)習(xí)情境應(yīng)該具備以下特征：提供的學(xué)習(xí)情境以及發(fā)生的學(xué)習(xí)活動需具備真實性原則，在學(xué)習(xí)過程中還要給學(xué)習(xí)者布置相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)。還可以提供學(xué)習(xí)者與專家交流學(xué)習(xí)的機(jī)會，學(xué)習(xí)者可以通過仔細(xì)觀察并學(xué)習(xí)模仿專家的行為來習(xí)得新知識。傳授者在教學(xué)的關(guān)鍵時刻為學(xué)生提供引導(dǎo)，并總結(jié)課堂內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生反思。

根據(jù)情境學(xué)習(xí)理論的特征總結(jié)出以下三條特點(diǎn)[14]：

（1）學(xué)習(xí)者觀察專家的動作，并模仿專家的動作來得到經(jīng)驗;

（2）在真實的學(xué)習(xí)情境中進(jìn)行真實的學(xué)習(xí)活動;

（3）總結(jié)教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生反思

結(jié)合體感交互技術(shù)的情境式射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是可以更好地滿足學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗需求，其設(shè)計的理論指導(dǎo)思想是融入情境學(xué)習(xí)理論的特征，并結(jié)合油田射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的特點(diǎn)提出符合的設(shè)計模式：指導(dǎo)觀察、情境實踐、情境考核以及反思功能的設(shè)計開發(fā)模式（如圖1）。在學(xué)習(xí)內(nèi)容的安排上也遵循著情境學(xué)習(xí)理論的學(xué)習(xí)動機(jī)、學(xué)習(xí)本質(zhì)、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)過程以及學(xué)習(xí)評價的培訓(xùn)模式。遵循著學(xué)習(xí)內(nèi)容從學(xué)習(xí)者的視覺接受到反饋反思的規(guī)律來設(shè)計安排培訓(xùn)內(nèi)容以及開發(fā)培訓(xùn)系統(tǒng)。

1.1 指導(dǎo)觀察

根據(jù)指導(dǎo)觀察思想在情境式射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中設(shè)計了文字指導(dǎo)模塊以及視頻演示模塊。通過對于學(xué)習(xí)者知識學(xué)習(xí)的層層遞進(jìn)原則進(jìn)行分析，先通過文字指導(dǎo)模塊以及視頻演示模塊兩個功能來對學(xué)習(xí)者進(jìn)行最初始的知識建構(gòu)，讓學(xué)習(xí)者對于學(xué)習(xí)內(nèi)容先有一定程度的理解，在通過后面的實踐模塊來進(jìn)行驗證，達(dá)到強(qiáng)化學(xué)習(xí)的目的。

1）文字指導(dǎo)模塊：通文字指導(dǎo)模塊，先讓學(xué)習(xí)者對于油田射孔學(xué)習(xí)建立最初級的知識，對于油田射孔的背景以及操作過程中的注意事項先建立一定的理解，再通過后面的視頻演示模塊來直觀的學(xué)習(xí)油田射孔工序的操作。

2）視頻演示模塊：通過對油田射孔工人在真實操作過程中的調(diào)研、錄像以及拍照，制作出視頻演示模塊，對于學(xué)習(xí)者在文字指導(dǎo)模塊中學(xué)習(xí)到的內(nèi)容，可以更直觀的感受，并且對于在文字中無法體會理解的操作，也可以直觀的看到，在文字形成的知識和記憶之上再度強(qiáng)化對于知識的理解。

1.2 情境實踐

根據(jù)情境實踐思想在情境式射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中設(shè)計了交互演練模塊。通過模擬真實的應(yīng)用場景，使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生沉浸感，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。交互演練模塊：作為體感式射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，也是學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)和強(qiáng)化的重要環(huán)節(jié)。如果只是在文字指導(dǎo)模塊和視頻演示模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)內(nèi)容得不到驗證。通過在體感式的交互中，對于學(xué)習(xí)者在文字學(xué)習(xí)和視頻學(xué)習(xí)中無法體會到的操作動作得到理解，學(xué)習(xí)者通過自己的姿勢以及手勢來完成學(xué)習(xí)內(nèi)容，真實的還原了射孔工序中的真實操作，這樣的學(xué)習(xí)效果是傳統(tǒng)的仿真培訓(xùn)所達(dá)不到的。

1.3 情境考核

根據(jù)情境考核思想在情境式射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中設(shè)計了三維考核模塊。結(jié)合了情境思想的射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的考核功能也可以通過體感交互技術(shù)來進(jìn)行學(xué)習(xí)驗證，學(xué)習(xí)者的參與度高，對學(xué)習(xí)內(nèi)容驗證充分。三維考核模塊：通過對交互演練的修改，去除了交互演練過程中的提示性和指導(dǎo)性的環(huán)節(jié)，改為了對學(xué)習(xí)者每一個交互過程的考評及打分的機(jī)制，當(dāng)學(xué)習(xí)者本步操作正確會提示學(xué)習(xí)者操作正確，反之會提示操作錯誤，當(dāng)考試結(jié)束后會提示學(xué)習(xí)者考試結(jié)束，并公布考試成績以及在哪一步中進(jìn)行了錯誤的操作，以便于學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)自身錯誤問題。

1.4 反思功能

根據(jù)反思功能思想在情境式射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中設(shè)計了學(xué)習(xí)反思模塊。根據(jù)情境考核結(jié)果，系統(tǒng)反饋給學(xué)習(xí)者存在的問題，讓學(xué)習(xí)者對薄弱知識點(diǎn)進(jìn)行反思。學(xué)習(xí)反思模塊：針對于學(xué)習(xí)者在三維考核模塊中錯誤問題的記錄，將學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中存在的薄弱知識點(diǎn)反饋給學(xué)習(xí)者，并且在下次學(xué)習(xí)中通過反復(fù)的練習(xí)來強(qiáng)化學(xué)習(xí)者的記憶，來達(dá)到學(xué)習(xí)效果。

2 體感交互式射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)實現(xiàn)

設(shè)計開發(fā)的體感交互式射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，將手勢以及姿勢捕捉功能融入到射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中，通過用手勢和姿勢來替代鼠標(biāo)與鍵盤，達(dá)到用手勢與姿勢實現(xiàn)與射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的交互功能。

2.1 Unity與體感交互技術(shù)結(jié)合

Unity作為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)的一種重要工具，能夠開發(fā)出交互性較強(qiáng)的軟件系統(tǒng)，因此本系統(tǒng)采用Unity作為軟件開發(fā)工具。但是單一使用Unity開發(fā)工具實現(xiàn)的交互只能通過鼠標(biāo)鍵盤來實現(xiàn)，無法達(dá)到體感交互的良好用戶體驗。為了給學(xué)習(xí)者帶來更好的學(xué)習(xí)體驗，實現(xiàn)良好的培訓(xùn)效果，依據(jù)情境學(xué)習(xí)與情境創(chuàng)設(shè)原則理論，采用Unity和體感設(shè)備結(jié)合開發(fā)本系統(tǒng)，通過手勢交互、姿勢交互等體感交互技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的體感交互功能，從而加強(qiáng)學(xué)習(xí)者的現(xiàn)場感與學(xué)習(xí)參與。

在系統(tǒng)開發(fā)中，使用應(yīng)用最廣泛的Kinect攝像機(jī)作為體感交互設(shè)備。在Unity中先開發(fā)完成仿真培訓(xùn)系統(tǒng)并留出Kinect交互設(shè)計部分的接口，再將Kinect官方針對于Unity結(jié)合開發(fā)的SDK包導(dǎo)入到Unity項目中。先由Unity從驅(qū)動中獲取并調(diào)用Kinect數(shù)據(jù)連接層的編寫過程，然后通過對ColorImageStream，DepthImageStream和SkeletonStream三種碼流進(jìn)行獲取，最后將其傳輸給Unity平臺的接口并進(jìn)行調(diào)用，達(dá)到手勢交互和姿勢交互等操作的功能。

2.2 手勢交互技術(shù)

以仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中的起TCP管柱工序為例，在工序的實際操作中需要用到移動工具，拿取工具以及旋轉(zhuǎn)工具等功能，而在仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中的控制我們又需要用到鏡頭移動，鏡頭的拉近和拉遠(yuǎn)等功能。根據(jù)以上情況，再結(jié)合實際工序中的動作標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了一系列的特征動作與手勢指令相匹配，當(dāng)執(zhí)行了標(biāo)準(zhǔn)的特征動作時，就會觸發(fā)手勢指令與場景進(jìn)行交互。控制手勢動作如表1所示。

以起TCP管柱中的拿取手勢指令為例，手勢識別的具體方法為：先檢查人物是否檢測到，利用public Vector3 GetJointPosition（Int64 userId，int joint）。如果檢測到了人物，再運(yùn)用if（manager.IsUser Detected（）），之后獲取用戶ID時利用 long userId= manager.GetPrimaryUserID（）;再檢查要跟蹤的關(guān)節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)被kinect識別，利用if （manager.Is JointTracked（userId，iJointIndex）），如果識別了再獲取信息，利用Vector3 posJoint=manager.GetJointKinect Position（userId，iJointIndex）;最后識別到底是什么手勢，以握拳手勢為例，利用if（leftHandState ==KinectInterop.HandState.Closed）識別為左手握拳。手勢交互效果如圖2所示。

2.3 姿勢交互技術(shù)

虛擬人物的場景漫游由于受到Kinect的捕捉識別范圍的限制并不能靠真實的人物動作來做到同步驅(qū)動。因此，本系統(tǒng)采用了基于 Kinect 體態(tài)姿勢識別的場景漫游技術(shù)，實時追蹤學(xué)員的體態(tài)動作，與場景中的虛擬人物進(jìn)行反饋，從而完成虛擬人物的前后行走，左右轉(zhuǎn)向等功能，充分地實現(xiàn)了虛擬人物的場景漫游與方向控制。

場景漫游技術(shù)首先獲取使用者的人體骨骼數(shù)據(jù)，生成骨骼數(shù)據(jù)幀，再對使用者的體態(tài)姿勢進(jìn)行分析識別后，最后轉(zhuǎn)換成控制虛擬人物的指令。以虛擬人物的行走動作為例，首先是獲取使用者的骨骼數(shù)據(jù)，再生成骨骼數(shù)據(jù)幀，分析特征動作，最后轉(zhuǎn)換成虛擬人的姿勢指令;最后是控制虛擬人物做出相應(yīng)的動作。完整控制動作如表2所示。

通過分析Kinect傳感器獲取的現(xiàn)場數(shù)據(jù)深度的方法來實現(xiàn)實時捕捉識別，根據(jù)骨骼跟蹤技術(shù)[15]處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)深度，完成對人體骨骼節(jié)點(diǎn)的跟蹤，實現(xiàn)對虛擬人物相應(yīng)的骨骼節(jié)點(diǎn)的實時控制。骨骼數(shù)據(jù)來自于Kinect SDK開發(fā)包的Skeleton Stream流，所生成的每幀數(shù)據(jù)都是骨骼對象的集合。而每個骨骼對象又有描述骨骼位置及關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)，每個關(guān)節(jié)又有一個標(biāo)示符，可獲取當(dāng)前骨骼節(jié)點(diǎn)追蹤的狀態(tài)信息，使人物模型的行動軌跡與使用者所給出的姿勢指令所一致。場景漫游效果如圖3所示。

3 系統(tǒng)實施效果反饋

為了檢驗培訓(xùn)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)體驗和效果，讓工人來應(yīng)用體感交互式仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，調(diào)查工人使用后的學(xué)習(xí)效果。 通過發(fā)放50份問卷來對使用完體感交互式射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行調(diào)查。如表3所示，78%的工人認(rèn)為情境體驗良好，74%的工人認(rèn)為交互方式真實，84%的工人認(rèn)為能夠有效的調(diào)動學(xué)習(xí)積極性，70%的工人認(rèn)為可以提高自己的學(xué)習(xí)效果，76%的工人認(rèn)為符合自己的學(xué)習(xí)方式。

結(jié)果證明該培訓(xùn)系統(tǒng)可以有效的提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗和效果。從實施效果看，研究的基于情境學(xué)習(xí)的體感交互式射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)有助于學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)體驗的提高，調(diào)動了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，帶給學(xué)習(xí)者更好的沉浸感學(xué)習(xí)體驗，因此，我們認(rèn)為基于情境的體感交互射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可以促進(jìn)知識的記憶和保留。同時，虛擬情境的學(xué)習(xí)環(huán)境可以讓學(xué)習(xí)者反復(fù)的學(xué)習(xí)與檢驗，有利于技能學(xué)習(xí)效果的提高，同時大大的節(jié)省實驗成本。

4 結(jié) 論

基于情境學(xué)習(xí)的體感交互式射孔仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是一種新型的學(xué)習(xí)培訓(xùn)工具，在職業(yè)技能培訓(xùn)，實驗教學(xué)，探究學(xué)習(xí)等方面具有重要的應(yīng)用價值。使用者可以通過手勢或姿勢等方式來實現(xiàn)與仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的交互，有效的增強(qiáng)了學(xué)習(xí)者的現(xiàn)場感、學(xué)習(xí)參與感以及學(xué)習(xí)體驗。經(jīng)過現(xiàn)場工人的使用證明，該系統(tǒng)對于學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果的提升有很大的幫助。體感交互技術(shù)在教育中的應(yīng)用還處于發(fā)展階段，如何有效地將其融入教育還需要進(jìn)一步的探索。因此，提出的思路也可以對體感交互技術(shù)在仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的融入提供一些借鑒。

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