CN108492661A - 一种三维虚拟实验培训系统 - Google Patents

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张宝
魏东梅
杨涛
陶栩
卓亮
庞毅飞
卞长智
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China Tobacco Sichuan Industrial Co Ltd
Southwest University of Science and Technology
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China Tobacco Sichuan Industrial Co Ltd
Southwest University of Science and Technology
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    • G09BEDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B9/00Simulators for teaching or training purposes

Abstract

本发明公开了一种三维虚拟实验培训系统,包括虚拟培训软件系统,所述虚拟培训软件系统包括虚拟教学单元、显示交互界面单元和评价机制单元,所述虚拟培训软件系统包括虚拟教学单元包括设备拆装教程模块和技能培训教程模块;所述设备拆装教程模块内部包括设备拆装教程数据库,所述显示交互界面单元包括三维模型模块、场景构建模块和用户界面框架构建模块,所述评价机制单元包括评价标准数据库和实操培训考核模块,所述评价标准数据库存储有各项场景信息下的标准操作方法步骤。本发明运用虚拟实验技术建立了三维虚拟实验培训系统,提供给学员直观的设备动态运行操作过程,并实现可根据需要模拟拆卸、组装设备的演示功能,提高技能培训的效果。

Description

一种三维虚拟实验培训系统
技术领域
[0001] 本发明涉及维修电工技能培训技术领域,尤其涉及一种三维虚拟实验培训系统。
背景技术
[0002] 维修电工技能培训系统是根据现代生产物流系统的发展和未来趋势,综合了实际 工业生产中大量应用到的复杂控制过程的教学培训装置。它以培养受训人员的专业知识应 用能力、综合实践能力、创新能力为主要目标,是一套以现代工业现场设备为原型的机电一 体化生产线实训考核装置。它的培训内容包括传感器应用技术培训、气动技术培训、PLC技 术培训、机械系统拆装调试培训、电机驱动技术培训、组态监控技术培训、网络技术培训等 等,主要承担企业装备更新后的设备生产操作、维护、物流管理等任务。由于培训资金和模 拟设备缺乏,实操培训时间相对较短等诸多条件的限制,传统的技能培训方式无法突破地 域,时间的束缚,同时对于安全性操作要求也较高,尤其是培训设备及软件缺乏先进性,严 重束缚了培训质量的提高。虚拟实验是借助于多媒体、仿真和虚拟现实(又称vro等技术,在 计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环 境,实验者如同在真实的环境中完成各种实验项目,所取得的实验效果等价于甚至优于在 真实环境中所取得的效果,它是计算机技术、虚拟现实技术、人机交互技术结合的产物,也 是在教育领域应用信息技术的一种创新。鉴于目前大学教育以注重理论知识为主的现状, 企业不能期望招聘的员工不经培训就能上岗,也不能期望通过通用职业鉴定培训培养出技 术骨干,所以立足于依靠自己的培训部门和专家队伍,紧密结合生产实际开发出实用的虚 拟实验培训系统显得尤为重要。
发明内容
[0003] 针对现有技术存在的不足之处,本发明的目的在于提供一种三维虚拟实验培训系 统,运用虚拟实验技术建立了三维虚拟实验培训系统,以3D漫游、实时动态演示等方式,提 供给学员直观的设备动态运行操作过程,并实现可根据需要任意模拟拆卸、组装设备的演 示功能,提高技能培训的效果。
[0004] 本发明的目的通过下述技术方案实现:
[0005] —种三维虚拟实验培训系统,包括虚拟培训软件系统,所述虚拟培训软件系统包 括虚拟教学单元、显示交互界面单元和评价机制单元,所述虚拟培训软件系统包括虚拟教 学单元包括设备拆装教程模块和技能培训教程模块;所述设备拆装教程模块内部包括设备 拆装教程数据库,所述设备拆装教程数据库中存储有设备拆装的文字教程数据、图片教程 数据和视频教程数据,所述设备拆装教程模块用于按照用户选择的教程内容从设备拆装教 程数据库中调取文字教程数据、图片教程数据或视频教程数据进行展示或播放;所述显示 交互界面单元包括三维模型模块、场景构建模块和用户界面框架构建模块,所述三维模型 模块内部存储有组成设备所需要的各个零部件三维模型,所述场景构建模块内部存储有虚 拟培训的场景信息并通过三维模型模块构建出相应的场景模型,所述场景信息包括完整设 备组装后场景、完全拆装后场景与设备故障场景,所述用户界面框架构建模块用于供用户 对相应场景以及场景模型进行模拟操作的交互操作;所述评价机制单元包括评价标准数据 库和实操培训考核模块,所述评价标准数据库存储有各项场景信息下的标准操作方法步 骤,所述实操培训考核模块用于将用户通过用户界面框架构建模块进行交互操作的方法步 骤与评价标准数据库中所对应的标准操作方法步骤进行对比并进行评分考核。
[0006]为了更好地实现本发明,所述实操培训考核模块在评分考核后得到评分结果并将 评分结构传输于显示交互界面单元或者其他远程设备上进行显示,所述其他远程设备为考 核终点显示器。
[0007] 本发明较现有技术相比,具有以下优点及有益效果:
[0008] (1)本发明运用虚拟实验技术建立了三维虚拟实验培训系统,以3D漫游、实时动态 演示等方式,提供给学员直观的设备动态运行操作过程,并实现可根据需要任意模拟拆卸、 组装设备的演示功能,提高技能培训的效果。
[0009] (2)本发明可以实现对维修电工技能培训,降低培训成本,同时提高培训效率。
附图说明
[0010] 图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
[0011] 下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明:
[0012] 实施例
[0013]如图1所示,一种三维虚拟实验培训系统,包括虚拟培训软件系统,所述虚拟培训 软件系统包括虚拟教学单元、显示交互界面单元和评价机制单元,所述虚拟培训软件系统 包括虚拟教学单元包括设备拆装教程模块和技能培训教程模块;所述设备拆装教程模块内 部包括设备拆装教程数据库,所述设备拆装教程数据库中存储有设备拆装的文字教程数 据、图片教程数据和视频教程数据,所述设备拆装教程模块用于按照用户选择的教程内容 从设备拆装教程数据库中调取文字教程数据、图片教程数据或视频教程数据进行展示或播 放;所述显示交互界面单元包括三维模型模块、场景构建模块和用户界面框架构建模块,所 述三维模型模块内部存储有组成设备所需要的各个零部件三维模型,所述场景构建模块内 部存储有虚拟培训的场景彳曰息并通过二维模型模块构建出相应的场景模型,本发明的二维 模型模块是利用Unity3D创建培训系统的培训场景,培训内容,用户界面,评价机制。所述场 景信息包括完整设备组装后场景、完全拆装后场景与设备故障场景,所述用户界面框架构 建模块用于供用户对相应场景以及场景模型进行模拟操作的交互操作;所述评价机制单元 包括评价标准数据库和实操培训考核模块,所述评价标准数据库存储有各项场景信息下的 标准操作方法步骤,所述实操培训考核模块用于将用户通过用户界面框架构建模块进行交 互操作的方法步骤与评价标准数据库中所对应的标准操作方法步骤进行对比并进行评分 考核。
[0014]所述实操培训考核模块在评分考核后得到评分结果并将评分结构传输于显示交 互界面单元或者其他远程设备上进行显示,所述其他远程设备为考核终点显示器。
[0015]本发明提供如下具体实施方式:
[0016] 一种针对维修电工技能培训三维虚拟实验培训系统:引用模块化思想,由虚拟教 学模块,显示界面模块及培训评价模块组成,系统组建包括如下步骤:
[0017] (1)维修电工技能基础知识编写及三维模型建立;
[0018] ⑵利用Unity 3D创建培训系统的培训场景,培训内容,用户界面,评价机制。
[0019] (3)在Unity3D开发环境中,完成系统的集成,包括三维模型数据库的建立,用户界 面与实验场景及评价模块的互联,评价标准数据库的建立以及界面监听机制的建立。
[0020] 更进一步的技术方案是,所述三维模型的建立是利用Maya建模并处理,形成软件 开发的基本素材,包括:电工工具一维修电工常用工具和仪表,电工设备一常用电子器件、 低压电器、部分高压电器、变压器、各种类型电机、软启动器、伺服控制器、变频器,西门子及 罗克韦尔PLC主要部分的三维模型,ABB机器人三维模型建立。
[0021]更进一步的技术方案是,所述利用Unity3D创建培训场景,包括:动画系统Mecanim 制作三维模型的声音动画,实时全局光照技术Enlighten处理场景的光照,物理引擎系统处 理对象在场景中刚性、碰撞、加速等物理特性。培训场景采用实验房间的形式,一个房间设 计一个培训模块,用户根据培训需求选择培训内容,同时利于模块的扩展与维护,以及后期 软件的升级。
[0022]更进一步的技术方案是,所述利用Unity3D创建用户界面(UI),一个优质的UI框架 能够快速提升软件开发效率,主要包括:UI窗体的自动加载、缓存以及窗体状态管理机制。 UI窗体的自动加载使得一些与具体功能逻辑无关的底层事务性功能自动或半自动实现,窗 体状态管理机制实现对UI窗体自身状态(生成、加载、显示、缓存、销毁等)有机的管理,UI框 架的应用使得用户界面层次合理,提高了显示界面的显示效果。
[0023]更进一步的技术方案是,所述在Unity3D开发环境下制定评价机制,由专家的经验 及实际操作确定评价原则以及标准参数,结合数学方法,建立评价标准数据库。评价原则包 括:操作完整性、操作顺序、操作时间,通过训练人员实际操作流程与标准实训操作流程的 对比,校验评价指标在两个操作流程中的相关性,进而通过数学计算的形式给出评分,根据 评分实现对训练人员维修技术水平的评价。操作完整性:操作完整性指标的选择目的主要 是检查训练人员在操作过程中是否遗漏操作步骤,通过实际操作流程与标准操作流程的对 比,检查训练人员在实际维修操作过程中是否遗漏操作步骤,并根据实际维修操作步骤缺 失项来计算训练人员对于操作完整性指标所得的分数。操作顺序:在实训操作过程中,操作 顺序是非常重要的。操作顺序的变化不仅影响训练结果,甚至会危及装备和人身安全。因 此,在训练评价中,操作顺序是一个重要评价指标,根据与标准操作顺序的差别给出相应的 评分。操作时间:在训练过程中,操作时间的长短直接反映训练人员对操作的熟练程度和技 能水平,因此,在训练评价中要考虑到整个操作过程所消耗的时间,针对实际消耗时间对比 标准时间给出相应分数。
[0024]更进一步的技术方案是,所述操作界面监听机制建立,利用Unity 3D的 EventSystem建立监听,EeventSystem可视为一项管理系统,包括:对输入系统分类、监听当 前输入状态、更新各个输入系统等。监听开始EeventSystem验证场景中处于活动状态的输 入系统(鼠标、键盘及触摸操作等)的细节内容,并开启下一阶段输入测试,通过输入系统中 光线投射器对场景投射光线,光线若与GameObject或者UI发生碰撞,光线返回并将信息传 给EeventSystem,所以若将光线投射器绑定在摄像机上,场景中的Game〇bject (模型)及UI 就会被监听。
[0025]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 (2)

1. 一种三维虚拟实验培训系统,其特征在于:包括虚拟培训软件系统,所述虚拟培训软 件系统包括虚拟教学单元、显示交互界面单元和评价机制单元,所述虚拟培训软件系统包 括虚拟教学单元包括设备拆装教程模块和技能培训教程模块;所述设备拆装教程模块内部 包括设备拆装教程数据库,所述设备拆装教程数据库中存储有设备拆装的文字教程数据、 图片教程数据和视频教程数据,所述设备拆装教程模块用于按照用户选择的教程内容从设 备拆装教程数据库中调取文字教程数据、图片教程数据或视频教程数据进行展示或播放; 所述显示交互界面单元包括三维模型模块、场景构建模块和用户界面框架构建模块,所述 三维模型模块内部存储有组成设备所需要的各个零部件三维模型,所述场景构建模块内部 存储有虚拟培训的场景信息并通过三维模型模块构建出相应的场景模型,所述场景信息包 括完整设备组装后场景、完全拆装后场景与设备故障场景,所述用户界面框架构建模块用 于供用户对相应场景以及场景模型进行模拟操作的交互操作;所述评价机制单元包括评价 标准数据库和实操培训考核模块,所述评价标准数据库存储有各项场景信息下的标准操作 方法步骤,所述实操培训考核模块用于将用户通过用户界面框架构建模块进行交互操作的 方法步骤与评价标准数据库中所对应的标准操作方法步骤进行对比并进行评分考核。
2. 按照权利要求1所述的一种三维虚拟实验培训系统,其特征在于:所述实操培训考核 模块在评分考核后得到评分结果并将评分结构传输于显示交互界面单元或者其他远程设 备上进行显示,所述其他远程设备为考核终点显示器。
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