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摘要：随着现代经济的迅速发展和安全生产水平及管理水平的提高，用虚拟现实技术对挖掘机械作业人员进行仿真培训已成为培养高素质人员的迫切需要。本文就是在这种背景下，将虚拟现实技术应用到挖掘机作业人员仿真培训中，希望能对国内的挖掘机械培训工作提供一些帮助。
关键词： 虚拟现实 挖掘机 培训
Abstract: with the rapid development of modern economy and the level of production safety and raise the level of management, with the virtual reality technology to mining machinery homework personnel training simulation has become training high quality personnel of urgent need. This article is in this context, the virtual reality technology is applied to the simulation training of operators excavator, in hopes of domestic mining machinery training work provide some help.
Keywords: virtual reality excavator training
中图分类号： S222.5+5文献标识码：A 文章编号：
引言
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。
VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。简单而言，VR技术就是让用户沉浸于一个虚拟的计算机人工环境中，通过虚拟现实软件和外部设备与计算机人工环境进行互动、构思，从而完成所希望达到的目的。其概念图如图1所示。
图1 虚拟现实
虚拟现实技术能以一种直接的信息传递方式，能提供图文声像并茂的，自主控制的人机交互的情景；还能按超文本、超链接方式组织管理学科知识和各种教学信息，提供生动活泼的直观形象思维材料、展现不能直接观察到的事物等，形成知识点。这有利于培训人员的主动发现、主动学习、主动探索，培训人员可以从思维、情感和行为三个方面参与培训活动。1.工程施工机械作业人员的培训现状
据统计，在全国范围内各类工程机械每年销售量在 15 万台左右，并呈不断攀升趋势，按每台机械需要二名操作员计算，每年需要操作员 30 万名左右。现阶段，挖掘机操作的培训采取上机实际操作的方法，在实际培训中，几个、甚至几十个人轮流使用同一台机械，这要求培训机构有更多的机械，使得挖掘机驾驶员培训是一项耗资非常高的职业培训，其主要表现为：设备投入高、日常消耗大。
基于以上原因，在国内大发展的过程中，工程機械作业人员不仅数量上远远的达不到市场需求，而且导致了工程施工机械事故的频频发生。其本质在于工程机械作业人员专业知识不足，操作技能不熟练，安全操作素质不高，误操作等。
2. VR技术在工程施工机械培训中的应用
为提高工程机械滞后的培训过程和培训方式，提高作业人员的安全素质，保证工程机械安全、稳定的运行，减少生产过程中的事故发生的频率，本文将引入一种基于虚拟现实的新型工程机械作业人员培训方式。目前，虚拟现实技术已在军事、航天、建筑、机器人及制造、医学、教育及娱乐等众多的场所得到广泛的成功应用。在工程施工机械作业人员的培训中也取得了显著的效果。
2.1用虚拟现实沉浸性，提高对挖掘机结构和工作原理的了解
该系统利用计算机三维虚拟仿真技术产生逼真的三维立体的挖掘机工作场景和工况，如图所示。受训人员通过大屏幕投影仪或佩戴立体成像眼镜，在立体场景中操作挖掘机，具有很强的身临其境的感觉。
此外，通过该系统还可以近距离，多个角度的观察挖掘机金属结构和运行机构，甚至于平时看不到的部件，如减速箱内部等，都可以进行实时的观察，能让学员直观、全面的学习挖掘机各个部件的运行原理和工作方式。
2.2用虚拟现实的交互性，提高作业人负实际操作的能力
该系统可以很好的让操作员与运行中的三维立体场景实时交互，在各场景中可以进行虚拟挖掘机挖土甩方，挖掘机上下坡，挖掘机坑沟填埋，挖掘机行驶停放，挖掘机道路清障，挖掘机土堤作业，挖掘机挖沟刷坡等工作。如图2所示。使操作者初步了解挖掘机的基本原理和基本知识，体会操作挖掘机的动作要领，感受各类安全装置的动作方式。
图2 挖掘机虚拟场景
2.3事故再现与案例分析
在操作训练中，受训人员可通过现场复现功能来观察分析自己的操作训练情况，特别是训练过程中发生重大错误，如挖土撞车时撞车、行车时撞障碍物等，可利用再现的效果来判断和分析错误原因。适合于毫无挖掘机操作经验的学员进行操作培训，部分具备操作员资格的新手进行实战练习。
3. 该系统的主要优点
与以前的培训与考核方式相比，基于虚拟现实技术的挖掘机模拟操作系统有强大的功能，在进行训练、考核、安全技术教育方面具有如下优点:
3.1安全性高
使用挖掘机模拟操作系统可以安全地进行挖掘机上下坡、挖掘机挖沟刷坡以及非常危险的安全性实验，这在实车实验中是无法达到的。
3.2再现性好
由于挖掘机运行状态和使用工况等因素很难控制，实车实验再现性较差。而基于虚拟现实技术的挖掘机模拟器则可以方便地进行数据采集、机型模型的选择和模拟环境的设定，再现性好
3.3可方便地设定各种条件，经济性高
与实车实验相比，模拟器占地小、耗能少，在软件环境中还可以便利地设定各种实验条件和实验参数。
4. 总结
虚拟现实技术是一项多学科的综合技术:其基本思想是利用现代科技的手段，人为制造一个虚拟的空间，人们能够在这个空间中实现看、听、移动等交互活动，就像在真的环境中一样，用户可以通过计算机进人这个环境并能操纵系统中的对象与之交互，三维环境下的实时性和交互性是其主要特征。
将虚拟现实应用于挖掘机械作业人员培训，就是将虚拟现实的概念进行设计并构思成可视化和可操作化;实现逼真的现场效果;通过计算机接口，给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而自然的感知交互手段，最大限度利用计算机仿真训练器对挖掘机作业人员进行培训，可以提高培训水平，缩短培训周期，减少培训费用。而基于虚拟现实技术的挖掘机培训系统在实际使用过程中也取得了良好的效果，显著提高了挖掘机操作人员的培训质量和效率。
参考文献：
［1］曾建超，俞志和.虚拟现实的技术及其应用.清华大学出版社，1996.3.
［2］王金龙.三维网格模型压缩算法研究.西安电子科技大学,2008.12.
［3］王金龙.三维网格模型压缩算法研究.西安电子科技大学,2008.12.
［4］王国庆.虚拟现实(VR)技术及其应用[J].航空计算技术，1994,(2):1-6.
［5］蒋庆全.国外VR技术发展综述[[J],飞航导弹,2002,(1):27-34.
［6］周前祥.航天虚拟现实仿真技术的研究发展[J].科技导报,1998(10):35-38.
［7] 王金义.计算机程序模块化设计中划分功能模块的技术和方法.石油化工管理干部学院学报.1993年第1期:63-67.
作者简介：曾勇（1986-），男，贵州六枝人，硕士生，主要研究方向：虚拟现实技术在挖掘机模拟培训系统中的应用与研究
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词： 虚拟现实 挖掘机 培训
Abstract: with the rapid development of modern economy and the level of production safety and raise the level of management, with the virtual reality technology to mining machinery homework personnel training simulation has become training high quality personnel of urgent need. This article is in this context, the virtual reality technology is applied to the simulation training of operators excavator, in hopes of domestic mining machinery training work provide some help.
Keywords: virtual reality excavator training
中图分类号： S222.5+5文献标识码：A 文章编号：
引言
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。
VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。简单而言，VR技术就是让用户沉浸于一个虚拟的计算机人工环境中，通过虚拟现实软件和外部设备与计算机人工环境进行互动、构思，从而完成所希望达到的目的。其概念图如图1所示。
图1 虚拟现实
虚拟现实技术能以一种直接的信息传递方式，能提供图文声像并茂的，自主控制的人机交互的情景；还能按超文本、超链接方式组织管理学科知识和各种教学信息，提供生动活泼的直观形象思维材料、展现不能直接观察到的事物等，形成知识点。这有利于培训人员的主动发现、主动学习、主动探索，培训人员可以从思维、情感和行为三个方面参与培训活动。1.工程施工机械作业人员的培训现状
据统计，在全国范围内各类工程机械每年销售量在 15 万台左右，并呈不断攀升趋势，按每台机械需要二名操作员计算，每年需要操作员 30 万名左右。现阶段，挖掘机操作的培训采取上机实际操作的方法，在实际培训中，几个、甚至几十个人轮流使用同一台机械，这要求培训机构有更多的机械，使得挖掘机驾驶员培训是一项耗资非常高的职业培训，其主要表现为：设备投入高、日常消耗大。
基于以上原因，在国内大发展的过程中，工程機械作业人员不仅数量上远远的达不到市场需求，而且导致了工程施工机械事故的频频发生。其本质在于工程机械作业人员专业知识不足，操作技能不熟练，安全操作素质不高，误操作等。
2. VR技术在工程施工机械培训中的应用
为提高工程机械滞后的培训过程和培训方式，提高作业人员的安全素质，保证工程机械安全、稳定的运行，减少生产过程中的事故发生的频率，本文将引入一种基于虚拟现实的新型工程机械作业人员培训方式。目前，虚拟现实技术已在军事、航天、建筑、机器人及制造、医学、教育及娱乐等众多的场所得到广泛的成功应用。在工程施工机械作业人员的培训中也取得了显著的效果。
2.1用虚拟现实沉浸性，提高对挖掘机结构和工作原理的了解
该系统利用计算机三维虚拟仿真技术产生逼真的三维立体的挖掘机工作场景和工况，如图所示。受训人员通过大屏幕投影仪或佩戴立体成像眼镜，在立体场景中操作挖掘机，具有很强的身临其境的感觉。
此外，通过该系统还可以近距离，多个角度的观察挖掘机金属结构和运行机构，甚至于平时看不到的部件，如减速箱内部等，都可以进行实时的观察，能让学员直观、全面的学习挖掘机各个部件的运行原理和工作方式。
2.2用虚拟现实的交互性，提高作业人负实际操作的能力
该系统可以很好的让操作员与运行中的三维立体场景实时交互，在各场景中可以进行虚拟挖掘机挖土甩方，挖掘机上下坡，挖掘机坑沟填埋，挖掘机行驶停放，挖掘机道路清障，挖掘机土堤作业，挖掘机挖沟刷坡等工作。如图2所示。使操作者初步了解挖掘机的基本原理和基本知识，体会操作挖掘机的动作要领，感受各类安全装置的动作方式。
图2 挖掘机虚拟场景
2.3事故再现与案例分析
在操作训练中，受训人员可通过现场复现功能来观察分析自己的操作训练情况，特别是训练过程中发生重大错误，如挖土撞车时撞车、行车时撞障碍物等，可利用再现的效果来判断和分析错误原因。适合于毫无挖掘机操作经验的学员进行操作培训，部分具备操作员资格的新手进行实战练习。
3. 该系统的主要优点
与以前的培训与考核方式相比，基于虚拟现实技术的挖掘机模拟操作系统有强大的功能，在进行训练、考核、安全技术教育方面具有如下优点:
3.1安全性高
使用挖掘机模拟操作系统可以安全地进行挖掘机上下坡、挖掘机挖沟刷坡以及非常危险的安全性实验，这在实车实验中是无法达到的。
3.2再现性好
由于挖掘机运行状态和使用工况等因素很难控制，实车实验再现性较差。而基于虚拟现实技术的挖掘机模拟器则可以方便地进行数据采集、机型模型的选择和模拟环境的设定，再现性好
3.3可方便地设定各种条件，经济性高
与实车实验相比，模拟器占地小、耗能少，在软件环境中还可以便利地设定各种实验条件和实验参数。
4. 总结
虚拟现实技术是一项多学科的综合技术:其基本思想是利用现代科技的手段，人为制造一个虚拟的空间，人们能够在这个空间中实现看、听、移动等交互活动，就像在真的环境中一样，用户可以通过计算机进人这个环境并能操纵系统中的对象与之交互，三维环境下的实时性和交互性是其主要特征。
将虚拟现实应用于挖掘机械作业人员培训，就是将虚拟现实的概念进行设计并构思成可视化和可操作化;实现逼真的现场效果;通过计算机接口，给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而自然的感知交互手段，最大限度利用计算机仿真训练器对挖掘机作业人员进行培训，可以提高培训水平，缩短培训周期，减少培训费用。而基于虚拟现实技术的挖掘机培训系统在实际使用过程中也取得了良好的效果，显著提高了挖掘机操作人员的培训质量和效率。
参考文献：
［1］曾建超，俞志和.虚拟现实的技术及其应用.清华大学出版社，1996.3.
［2］王金龙.三维网格模型压缩算法研究.西安电子科技大学,2008.12.
［3］王金龙.三维网格模型压缩算法研究.西安电子科技大学,2008.12.
［4］王国庆.虚拟现实(VR)技术及其应用[J].航空计算技术，1994,(2):1-6.
［5］蒋庆全.国外VR技术发展综述[[J],飞航导弹,2002,(1):27-34.
［6］周前祥.航天虚拟现实仿真技术的研究发展[J].科技导报,1998(10):35-38.
［7] 王金义.计算机程序模块化设计中划分功能模块的技术和方法.石油化工管理干部学院学报.1993年第1期:63-67.
作者简介：曾勇（1986-），男，贵州六枝人，硕士生，主要研究方向：虚拟现实技术在挖掘机模拟培训系统中的应用与研究
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。