CN107871414A - 基于vr与bim技术的维修电工实训教学系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于虚拟现实技术领域，公开了一种基于VR与BIM技术的维修电工实训教学系统及方法，包括：教师操作控制的教学电脑、无线网关、多个学员用移动教学终端、屏幕共享设备、投影设备以及虚拟现实头盔显示器、配合学员用移动教学终端使用的Cardboard虚拟现实设备组成。本发明可避免传统维修电工实训台(板)教学模式中耗材消耗大、安全隐患多的缺陷；基于BIM的场景构建可减少虚拟现实教学资源开发难度和成本，提高操作实训的真实性与灵活性，大大改善教学效果。

Description

基于VR与BIM技术的维修电工实训教学系统及方法

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，尤其涉及一种基于VR与BIM技术的维修电工操作实训教学系统及方法。

背景技术

“维修电工”职业技能培训主要针对从事机械设备和电气系统线路及器件的安装、调试与维护、修理的人员，培养其岗位任职必需的电工技术方面的安装、调试、排故及维修等技能，旨在为后续的专业技能实训和岗位任职能力培养奠定坚实的基础。当前维修电工实训环节多采用实际元器件固定安装于实训台(板)上，学员在实训台上完成操作训练和技能考核。现有维修电工实训教学开展存在以下局限性。一是器材损耗大、实训成本高。维修电工实训装置单台价格高，支持工位少。实训接线板的方式相较实训台而言，实训板的方式直观性强且一次投资较低，但元器件损毁率高、线材槽板等消耗量大，实训耗材成本高。二是电气安全隐患多、教员工作强度高。由于实训板上均为真实元件，外漏接头部位多，加之部分学员未能自觉严格按照工艺标准和安全规程进行操作，为避免通电调试环节由于操作不当、工艺不达标等原因导致的元器件或仪表损坏、实验室保护开关跳闸等各类事故，在照明接线及电动机控制线路接线实训项目中，每个实验室需专门配备辅助教员担任安全员严加防范。与此同时，由于存在一定安全隐患，无法支持开放实验室、学员自主完成实训。三是教学效果难以突破。实训板上尽管全部采用真实元器件，但其线路布设规模、器件安装位置等与实际的设施设备有较大差异。此外，实训台(板)实训项目的调整改造实施难度较大，教学灵活性不足。鉴于传统维修电工技能实训环节中带电作业危险性高、实训耗材消耗大，而虚拟现实作为可以一种提供实时的三维立体虚拟环境的新技术，可通过虚拟实训环境的设置使学习者可以完全沉浸其中从而增强学生学习兴趣，于此同时提高实训的交互性、安全性与经济性，提升实训效果。CN201611136069.2公布了一种基于VR虚拟现实技术的交互式多媒体教学系统，但该系统更适合于传统的多媒体理论讲授，对于强调操作技能训练等实训教学并无优势。此外虚拟现实已应用于核电站操作员培训、飞行员训练等领域，但由于以往的虚拟现实训练系统开发难度大实现成本高，未见维修电工操作实训的虚拟现实仿真实训教学系统产品及技术的报道。

综上所述，现有技术存在的问题是：传统的虚拟现实训练系统开发难度大实现成本高。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于VR与BIM技术的维修电工实训教学系统及方法。

本发明是这样实现的，一种基于VR与BIM技术的维修电工实训教学系统，所述基于VR与BIM技术的维修电工实训教学系统包括：

用于教员发布实训科目内容和管理教学进程的教学电脑；

教学电脑与移动终端通过无线网关实现互联，用于实现教学双方等各类设备数据通信的无线网关；

与教学电脑通过无线网关连接，用于支持学员登入后根据学习进度进行个性化学习的移动终端；

与教学电脑和移动终端连接，用于实现将学员与教员等教学设备所显示内容选通接入投影设备的屏幕共享设备；

与屏幕共享设备连接，用于将实训教学中的图像或视频投射到幕布上的投影设备；

与教学电脑连接，用于实现基于BIM技术的实训场景快速建模的3D扫描BIM建模模块；

与教学电脑连接，用于作为实训学员提供虚拟现实操作实训3D图形显示与观察设备的虚拟现实头盔显示器；

与教学电脑连接，用于实现操作实训人机互动的人体姿态追踪定位模块；

与移动终端连接，用于配合学员用移动终端使用的基于Cardboard低成本虚拟现实显示模块。

进一步，所述基于VR与BIM技术的维修电工实训教学系统还包括：虚拟巡游训练模块、设备拆解训练模块、虚拟接线训练模块、故障排查训练模块；

虚拟巡游训练模块、设备拆解训练模块通过移动终端或头盔显示器中完成；

虚拟接线训练模块和故障排查训练模块在头盔显示器中完成。

本发明的另一目的在于提供一种所述基于VR与BIM技术的维修电工实训教学系统的基于VR与BIM技术的维修电工实训教学方法，所述基于VR与BIM技术的维修电工实训教学方法包括以下步骤：

步骤一、实训教学场景构建，采用消费级的便携式3D扫描设备，对作为实训装置的元器件部件进行数字化三维抄数；利用3D扫描设备等作为虚拟巡游参观教学的场景扫描得到三维尺寸后，利用BIM软件建立几何模型，实现实训场景快速构建；利用全景相机拍摄教学场景作为模型贴图。

步骤二，操作训练互动设计，将数字化场景模型导入专业软件，对于虚拟拆解实训项目采用软件创建3D分解视图、装配动画，结合事先编制好的装备技术文档作为设备实操训练的3D互动交互教学模块；对于虚拟巡游，设置巡游路线、视线引导标志、巡游任务卡等；对于虚拟接线、虚拟故障排查，利用Unity软件在3D模型场景中设置需互动的元器件，互动方式、动作限位、动作响应关系、动作交互音效。

步骤三、技能训练设置，按照维修电工技能培训大纲要求以及重难点考察环节，设置相应的训练评估分值设置、达标要求、重难点解析。

步骤四、实训教学资源发布与应用，对于虚拟巡游、虚拟拆解实训科目，将模型导出至支持网络浏览器在线观看的格式，在移动终端查看；对于电气线路安装调试、电气控制线路故障排查，在实训过程中学员通过头盔显示器与人体跟踪设备，在虚拟实训场景内完成接线训练；教员将头盔显示器中的内容通过屏幕共享设备投影至屏幕，实现发起讨论、示范教学。

本发明的优点及积极效果为：可避免传统维修电工实训台(板)教学模式中耗材消耗大、安全隐患多等缺陷；基于BIM的场景构建可减少虚拟现实教学资源开发难度和成本，提高操作实训的真实性与灵活性，大大改善教学效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于VR与BIM技术的维修电工实训教学系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于VR与BIM技术的维修电工操作实训功能框图；

图3是本发明实施例提供的基于VR与BIM技术的维修电工实训系统教学资源开发流程图；

图中：1、教学电脑；2、无线网关；3、移动终端；4、屏幕共享设备；5、投影设备；6、3D扫描BIM建模模块；7、头盔显示器；8、人体姿态追踪定位模块；9、虚拟现实模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于VR与BIM技术的维修电工实训教学系统包括：

用于教员发布实训科目内容和管理教学进程等教学电脑1；

实现教学双方等各类设备数据通信的无线网关2；

用于支持学员登入后根据学习进度进行个性化学习等移动终端3；

用于实现将学员与教员等教学设备所显示内容选通接入投影设备的屏幕共享设备4；

将实训教学中的图像或视频投射到幕布上的投影设备5；

实现基于BIM技术的实训场景快速建模的3D扫描BIM建模模块6；

作为实训学员提供虚拟现实操作实训3D图形显示与观察设备的虚拟现实头盔显示器7；

实现操作实训人机互动的人体姿态追踪定位模块8；

配合学员用移动终端3使用的基于Cardboard的低成本虚拟现实显示模块9。

教学电脑1与移动终端3通过无线网关2实现互联，并均可通过屏幕共享设备4将画面共享至投影设备5进行教学讨论；移动终端3通过虚拟现实模块9实现虚拟巡游参观、虚拟设备拆解训练科目；教学电脑1与头盔显示器7及人体姿态追踪定位模块8实现维修电工操作接线、故障排查等虚拟现实实训科目；所述教学电脑1采用3D扫描BIM建模模块6构建维修电工实训科目场景。

本发明由教师操作控制的教学电脑1、无线网关2、多个学员用移动教学终端3、屏幕共享设备4、投影设备5以及虚拟现实的头盔显示器7、配合学员用移动终端3使用的Cardboard的虚拟现实模块9组成。

如图2所示，本发明实施例提供的基于VR与BIM技术的维修电工操作实训系统其训练科目具有以下特征：学员作为系统用户以自己的帐户进行登录，系统根据学习者的学习进度调用相应的实训科目。按照大纲要求与实际工作任务性质，操作实训科目将部分(或全部)包括虚拟巡游、设备拆解、虚拟接线、故障排查四个训练模块。其中虚拟巡游、设备拆解可通过前述学员移动终端或头盔显示器中完成；虚拟接线和故障排查训练科目在头盔显示器中完成。最后学习者在系统中保存学习进度，查看训练评分及重难点分析解读等。

如图3所示，本发明实施例提供的基于VR与BIM技术的维修电工实训教学方法包括以下步骤：

步骤1、实训教学场景构建。

步骤1.1按照维修电工培训要求设置实训技能训练目标；

步骤1.2根据训练目标设计教学场景及相应的虚拟现实实现形式(虚拟巡游、虚拟拆解、虚拟接线等)；

步骤1.3利用BIM软件结合3D扫描设备对虚拟巡游(虚拟接线场景)进行建模；

步骤1.4采用消费级的便携式3D扫描设备，对虚拟拆解的元器件部件进行数字化三维抄数，或利用BIM软件自带的族库对元器件进行建模；

步骤1.5将元器件3D模型导入实训场景。

步骤2、操作训练互动设计。

步骤2.1根据实训科目技能训练目标，对虚拟拆解等实训科目，利用AutodeskInventor Publisher等软件创建3D分解视图，完成装配动画等；

步骤2.2对于虚拟巡游等实训科目，设置巡游路线、视线引导标志、巡游任务卡等；

步骤2.3对于虚拟接线、虚拟故障排查等实训科目，利用Unity软件等在3D模型场景中设置需互动的元器件，互动方式、动作限位、动作响应关系等；

步骤2.4设置在虚拟实训科目中需要收集的数据，如学员完成实训的次数及时间、动作误差精度等；

步骤2.5必要时对虚拟现实场景动作交互设置音效；

步骤2.6完成虚拟实训场景互动环节调试；

步骤2.7根据训练目标与虚拟实训设计，编制操作实训学习导引技术文档。

步骤3、实训技能训练(考核)设置。

步骤3.1设置各虚拟实训科目的教学效果评价分值；

步骤3.2按照维修电工技能培训大纲要求，设置完成科目训练所需的完成次数、分值达标要求等；

步骤3.3设置学习支持手段的触发条件等，对于一定次数(时间)后仍未能完成实训、学习困难的学员提供求助教员、发布讨论、调用帮助文件等；

步骤3.4设置需要重点讲解的重难点示范等训练强化环节；

步骤4、实训教学资源发布。

步骤4.1根据拟支持的硬件平台与软件操作系统，将虚拟现实操作实训科目文件进行封装，编制配置文件并发布；

步骤4.2对于虚拟巡游实训科目，借助3D PDF、Html5、WebVR等技术将模型导出至支持网络浏览器在线观看的格式，以方便作为远程教学资源随时在各类(移动)终端查看。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于VR与BIM技术的维修电工实训教学系统，其特征在于，所述基于VR与BIM技术的维修电工实训教学系统包括：教学电脑；

用于教员发布实训科目内容和管理教学进程的教学电脑；

教学电脑与移动终端通过无线网关实现互联，用于实现教学双方各类设备数据通信的无线网关；

与教学电脑通过无线网关连接，用于支持学员登入后根据学习进度进行个性化学习的移动终端；

与教学电脑和移动终端连接，用于实现将学员与教员教学设备所显示内容选通接入投影设备的屏幕共享设备；

与屏幕共享设备连接，用于将实训教学中的图像或视频投射到幕布上的投影设备；

与教学电脑连接，用于实现基于BIM技术的实训场景快速建模的3D扫描BIM建模模块；

与教学电脑连接，用于作为实训学员提供虚拟现实操作实训3D图形显示与观察设备的虚拟现实头盔显示器；

与教学电脑连接，用于实现操作实训人机互动的人体姿态追踪定位模块；

与移动终端连接，用于配合学员用移动终端使用的基于Cardboard低成本虚拟现实显示模块。

2.如权利要求1所述的基于VR与BIM技术的维修电工实训教学系统，其特征在于，所述基于VR与BIM技术的维修电工实训教学系统还包括：虚拟巡游训练模块、设备拆解训练模块、虚拟接线训练模块、故障排查训练模块；

虚拟巡游训练模块、设备拆解训练模块通过移动终端或头盔显示器中完成；

虚拟接线训练模块和故障排查训练模块在头盔显示器中完成。

3.一种如权利要求1所述基于VR与BIM技术的维修电工实训教学系统的基于VR与BIM技术的维修电工实训教学方法，其特征在于，所述基于VR与BIM技术的维修电工实训教学方法包括以下步骤：

步骤一、实训教学场景构建，采用消费级的便携式3D扫描设备，对作为实训装置的元器件部件进行数字化三维抄数；利用3D扫描设备作为虚拟巡游参观教学的场景扫描得到三维尺寸后，利用BIM软件建立几何模型，实现实训场景快速构建；利用全景相机拍摄教学场景作为模型贴图；

步骤二，操作训练互动设计，将数字化场景模型导入专业软件，对于虚拟拆解实训项目采用软件创建3D分解视图、装配动画，结合事先编制好的装备技术文档作为设备实操训练的3D互动交互教学模块；对于虚拟巡游，设置巡游路线、视线引导标志、巡游任务卡；对于虚拟接线、虚拟故障排查，利用Unity软件在3D模型场景中设置需互动的元器件，互动方式、动作限位、动作响应关系、动作交互音效；

步骤三、技能训练设置，按照维修电工技能培训大纲要求以及重难点考察环节，设置相应的训练评估分值、达标要求、重难点解析；

步骤四、实训教学资源发布与应用，对于虚拟巡游、虚拟拆解实训科目，将模型导出至支持网络浏览器在线观看的格式，在移动终端查看；对于电气线路安装调试、电气控制线路故障排查，在实训过程中学员通过头盔显示器与人体跟踪设备，在虚拟实训场景内完成接线训练；教员将头盔显示器中的内容通过屏幕共享设备投影至屏幕，实现发起讨论、示范教学。