基于VR技術(shù)的火電仿真系統(tǒng)在高職熱能與發(fā)電類課程中的應(yīng)用

梁 倩，楊 琳，謝 新，黃 澍

（武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

0 引言

隨著信息技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用不斷拓展和深化，將基于VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)的仿真系統(tǒng)應(yīng)用于高職專業(yè)課程的教學(xué)成為信息化教學(xué)的新范式。VR技術(shù)通過計(jì)算機(jī)建模搭建一個(gè)與實(shí)際環(huán)境一致、不受場地和空間限制、三維立體的動(dòng)態(tài)虛擬場景，給予用戶視覺和聽覺等多方面的感官刺激和身臨其境的體驗(yàn)［1］。VR技術(shù)應(yīng)用的范圍很廣，主要應(yīng)用于醫(yī)療、航天、游戲、工業(yè)等領(lǐng)域，并向教育領(lǐng)域拓展，作為輔助教學(xué)手段在提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果方面具有一定成效［2-3］。

火力發(fā)電廠生產(chǎn)現(xiàn)場的高危性、設(shè)備的昂貴性以及電力生產(chǎn)的不可中斷性給專業(yè)教學(xué)帶來了一系列問題。傳統(tǒng)的火電仿真系統(tǒng)為二維數(shù)字仿真，能較好地模擬現(xiàn)場工況的變化、提升學(xué)生設(shè)備啟停、故障分析及處理的能力，但無法實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示、拆裝及巡回檢查等功能。為進(jìn)一步提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，本文開發(fā)基于VR技術(shù)的火電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)虛擬仿真系統(tǒng)，探索基于VR技術(shù)的火電仿真系統(tǒng)與高職院校熱能與發(fā)電領(lǐng)域不同類型專業(yè)課程深度融合的有效途徑，研究信息化+職業(yè)教育的教學(xué)模式改革思路，為構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的專業(yè)課程體系奠定基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)施過程中的不足和后期的發(fā)展方向進(jìn)行了探討和展望。

1 虛擬仿真系統(tǒng)在專業(yè)課程中的應(yīng)用

火電機(jī)組虛擬仿真系統(tǒng)在熱能與發(fā)電類專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用情況如圖1所示。

圖1 虛擬仿真系統(tǒng)在熱能與發(fā)電類專業(yè)課程中的應(yīng)用

1.1 虛擬仿真在專業(yè)導(dǎo)入模塊教學(xué)中的應(yīng)用

專業(yè)導(dǎo)入是新生認(rèn)識(shí)專業(yè)的起點(diǎn)，雖然其時(shí)間非常有限，但意義重大，如果能恰當(dāng)利用，可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。專業(yè)介紹通常采用專業(yè)負(fù)責(zé)人講解專業(yè)、實(shí)訓(xùn)室負(fù)責(zé)人介紹專業(yè)實(shí)訓(xùn)基地及實(shí)訓(xùn)室的方式，內(nèi)容較為枯燥，學(xué)生興趣不高，效果不理想。在增加虛擬仿真系統(tǒng)3D版展示環(huán)節(jié)后，學(xué)生可帶上3D眼鏡對(duì)電廠進(jìn)行虛擬參觀，一入學(xué)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)熱能發(fā)電類專業(yè)的直觀認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)其對(duì)專業(yè)的認(rèn)同感。在“認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)”等實(shí)訓(xùn)課程中，進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場之前，學(xué)生在學(xué)校實(shí)訓(xùn)室內(nèi)通過虛擬仿真系統(tǒng)了解火電廠的整體布置、各主要系統(tǒng)和設(shè)備，了解電廠的主要危險(xiǎn)點(diǎn)和危險(xiǎn)源。同時(shí)，學(xué)生對(duì)電力安全知識(shí)的了解由二維的文字描述變成了三維的沉浸式體驗(yàn)，可加深學(xué)生對(duì)電力安全的理解程度；在虛擬仿真系統(tǒng)上學(xué)生可進(jìn)行安全規(guī)范學(xué)習(xí)和考試，通過反復(fù)練習(xí)鞏固安全規(guī)范知識(shí)，學(xué)生的安全考試成績較以往有了提高。

1.2 虛擬仿真在設(shè)備結(jié)構(gòu)模塊教學(xué)中的應(yīng)用

熱能與發(fā)電類專業(yè)核心課程中，如“泵與風(fēng)機(jī)”“電廠鍋爐”“電廠汽輪機(jī)”“發(fā)電廠電氣設(shè)備”等課程教學(xué)內(nèi)容中均包含設(shè)備結(jié)構(gòu)講解模塊。電廠設(shè)備種類多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何使學(xué)生更好地掌握相關(guān)內(nèi)容一直困擾著專業(yè)教師。

傳統(tǒng)教學(xué)過程中，不同課程的教師以視頻、動(dòng)畫等方式為學(xué)生講解單一設(shè)備，無法形成從點(diǎn)到面、從單一設(shè)備到系統(tǒng)的認(rèn)知。引入火電機(jī)組虛擬仿真系統(tǒng)后，教師進(jìn)入虛擬仿真系統(tǒng)找到對(duì)應(yīng)的設(shè)備，展示設(shè)備的工作過程和原理，同時(shí)根據(jù)教學(xué)需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行解體，展示設(shè)備的結(jié)構(gòu)和各個(gè)組成部件的作用；學(xué)生可近距離觀看，從各方位觀摩，更具直觀性，能較易掌握設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理，了解設(shè)備在發(fā)電廠中的布置，對(duì)熱力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生全局性認(rèn)知。這種教學(xué)模式規(guī)避了現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 虛擬仿真在設(shè)備運(yùn)行維護(hù)模塊教學(xué)中的應(yīng)用

對(duì)于熱能與發(fā)電類專業(yè)而言，通過“火電機(jī)組集控運(yùn)行”等相關(guān)課程的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生火電機(jī)組運(yùn)行與維護(hù)的能力，具體包括設(shè)備巡回檢查、啟動(dòng)前檢查、啟動(dòng)、運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié)以及停運(yùn)的相關(guān)能力，這些能力是火電廠集控運(yùn)行專業(yè)學(xué)生要具備的核心能力。

傳統(tǒng)的火電機(jī)組仿真系統(tǒng)中，學(xué)生主要通過遠(yuǎn)程DCS界面和就地界面配合完成設(shè)備的啟動(dòng)前檢查、啟動(dòng)、參數(shù)調(diào)節(jié)、停運(yùn)等任務(wù)，學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)操作掌握設(shè)備的啟動(dòng)和停運(yùn)邏輯，以及運(yùn)行調(diào)節(jié)原理，但無法獲取對(duì)設(shè)備巡回檢查的能力。巡檢是火電廠最基礎(chǔ)、最重要的工作，是運(yùn)行崗位新入職員工必經(jīng)的崗位。巡回檢查對(duì)應(yīng)的實(shí)訓(xùn)模塊只能通過虛擬仿真系統(tǒng)完成，學(xué)生在進(jìn)入虛擬生產(chǎn)現(xiàn)場之前，首先選擇正確的安全防護(hù)用具和巡檢工具，然后按照所對(duì)應(yīng)的工作崗位及工作職責(zé)對(duì)指定的線路進(jìn)行檢查。學(xué)生可通過虛擬仿真系統(tǒng)完成巡回檢查任務(wù)，熟悉火電廠中各主要設(shè)備的布置方位，掌握設(shè)備主要運(yùn)行參數(shù)的正常范圍，提高對(duì)火電廠的認(rèn)知程度。

1.4 虛擬仿真在設(shè)備檢修模塊教學(xué)中的應(yīng)用

“動(dòng)力設(shè)備檢修工藝實(shí)訓(xùn)”“熱力設(shè)備安裝與檢修實(shí)訓(xùn)”“熱機(jī)檢修工藝實(shí)訓(xùn)”等課程主要培養(yǎng)學(xué)生安裝和檢修的相關(guān)能力，這些能力是電廠熱能動(dòng)力裝置專業(yè)學(xué)生要具備的核心能力?；鹆Πl(fā)電廠設(shè)備龐大且價(jià)格昂貴，由于各方面條件限制，高職院校很難配置齊全的設(shè)備和對(duì)應(yīng)的場地供學(xué)生開展完全實(shí)景式熱力設(shè)備安裝和檢修實(shí)訓(xùn)。

以往的安裝檢修類實(shí)訓(xùn)單班分組進(jìn)行，根據(jù)設(shè)備的種類和臺(tái)套數(shù)對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，每組安排一名教師進(jìn)行指導(dǎo)。例如，一組進(jìn)行汽輪機(jī)本體安裝和檢修，一組進(jìn)行水泵安裝和檢修，一組進(jìn)行風(fēng)機(jī)和給粉機(jī)檢修等，各組分別輪換進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，直到完成所有實(shí)訓(xùn)任務(wù)。引入虛擬仿真系統(tǒng)后，學(xué)生在分組實(shí)操之前，可以通過虛擬仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)設(shè)備的拆卸和安裝基本步驟，通過單人獨(dú)立練習(xí)掌握正確的操作步驟后再對(duì)實(shí)物設(shè)備進(jìn)行拆裝，縮短了實(shí)物操作時(shí)間，提高了實(shí)物設(shè)備的利用效率。在檢修環(huán)節(jié)中，針對(duì)實(shí)訓(xùn)室已有的設(shè)備，學(xué)生通過虛擬仿真系統(tǒng)觀看檢修的視頻，學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)零部件配合間隙的方法，掌握基本工藝及工藝標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于損壞部件選擇正確的備品備件進(jìn)行模擬更換，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行實(shí)物實(shí)訓(xùn)，提高了實(shí)操的效率。對(duì)于實(shí)訓(xùn)室沒有的設(shè)備，學(xué)生也可以通過虛擬仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)其拆卸、檢修和安裝的步驟和方法，通過虛擬操作獲得對(duì)熱力設(shè)備的實(shí)操能力，提升技術(shù)技能水平。

2 虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)用不足及展望

2.1 虛擬仿真系統(tǒng)平臺(tái)有待進(jìn)一步擴(kuò)展

現(xiàn)有的百萬等級(jí)火電機(jī)組虛擬仿真系統(tǒng)只有電腦PC版，程序容量非常大，同時(shí)造價(jià)也非常高。其中VR版容量在100 GB左右，3D版容量在20 GB左右，軟件系統(tǒng)造價(jià)超過百萬人民幣，且對(duì)電腦硬件配置要求也非常高［4-5］。現(xiàn)階段由于費(fèi)用高昂，火電機(jī)組虛擬仿真系統(tǒng)一般由相關(guān)院校采購，裝設(shè)在校內(nèi)實(shí)訓(xùn)室中。學(xué)生只能按照實(shí)訓(xùn)室教學(xué)安排，利用上課時(shí)間到實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行預(yù)習(xí)、練習(xí)和復(fù)習(xí)，課余時(shí)間需要向?qū)嵱?xùn)室管理員預(yù)約實(shí)訓(xùn)室開放才能進(jìn)入實(shí)訓(xùn)室練習(xí)。受場地和教師配備情況的限制，學(xué)生有效練習(xí)時(shí)長距離達(dá)到實(shí)操精通水平的要求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

針對(duì)此項(xiàng)不足，后期應(yīng)著重開發(fā)虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的手機(jī)端和網(wǎng)頁版簡化程序，使學(xué)生能夠不受時(shí)間和空間的限制，通過自己的手機(jī)和普通配置的電腦輸入帳號(hào)和密碼就能登錄仿真系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。課前學(xué)生可以通過登錄系統(tǒng)手機(jī)端或網(wǎng)頁版進(jìn)行預(yù)習(xí)，課下針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)登錄系統(tǒng)進(jìn)行自主的復(fù)習(xí)和鞏固，延長學(xué)習(xí)時(shí)長，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。這種形式不僅適用于在校學(xué)生進(jìn)行專業(yè)學(xué)習(xí)，也適用于電廠職工進(jìn)行職業(yè)培訓(xùn)。學(xué)生和學(xué)員可靈活安排學(xué)習(xí)時(shí)間，完成學(xué)習(xí)任務(wù)，保障學(xué)習(xí)效果，提升技術(shù)技能水平。

2.2 進(jìn)一步開發(fā)基于MR技術(shù)的虛擬仿真系統(tǒng)

現(xiàn)有的火電機(jī)組虛擬仿真系統(tǒng)是基于VR技術(shù)開發(fā)的。使用過程中，學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)采取人機(jī)交互的方式，進(jìn)入按實(shí)際電廠1∶1比例模擬而成的生產(chǎn)現(xiàn)場，在視覺、聽覺等感官刺激下，以身入其境的方式完成全廠參觀、設(shè)備巡回檢查、設(shè)備啟動(dòng)、參數(shù)調(diào)節(jié)、機(jī)組停運(yùn)等任務(wù)，從而加深對(duì)電廠的整體布置及生產(chǎn)過程認(rèn)知，可有效提升學(xué)習(xí)者的專業(yè)水平。這種授課方式較傳統(tǒng)的授課方式雖有突破，但也存在不足。VR技術(shù)模擬的是完全虛幻的數(shù)字化空間，無法實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)通，也就是說仿真系統(tǒng)與實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場的實(shí)物設(shè)備之間無法形成對(duì)應(yīng)關(guān)系［6-7］。

VR只能實(shí)現(xiàn)人與虛擬世界的互動(dòng)，而基于MR（混合現(xiàn)實(shí)）技術(shù)的虛擬仿真系統(tǒng)能夠較好地解決上述問題?；诨旌犀F(xiàn)實(shí)的MR技術(shù)能實(shí)現(xiàn)信息反饋循環(huán)，MR技術(shù)通過在現(xiàn)實(shí)場景呈現(xiàn)虛擬場景信息，在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶之間創(chuàng)建交互的反饋。與VR技術(shù)相比較，MR技術(shù)的交互性能更好，與VR技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)單人操作相比，MR技術(shù)能實(shí)現(xiàn)多人協(xié)同操作，實(shí)現(xiàn)主輔操作配合以及唱票、操作和監(jiān)護(hù)的分工協(xié)作，更加貼近生產(chǎn)實(shí)際，同時(shí)也有利于學(xué)習(xí)者團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的培養(yǎng)。

3 結(jié)語

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，VR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于職業(yè)教育的各個(gè)方面。本文總結(jié)虛擬仿真系統(tǒng)在熱能與發(fā)電類課程教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，探索了基于火電機(jī)組虛擬仿真系統(tǒng)的教學(xué)資源與教學(xué)實(shí)踐深度融合的途徑，提出了虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的方向；為信息技術(shù)與職業(yè)教育深度融合提供指導(dǎo)意見，為虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于新能源以及清潔能源（垃圾、燃機(jī)）發(fā)電行業(yè)以及其他專業(yè)提供參考，為教育信息化背景下職業(yè)教育人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐案例。