專利名稱：化工設備培訓管理裝置、設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種增強現(xiàn)實的化工設備培訓管理裝置和大型化工設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality, VR)技術(shù)起源于20世紀80年代,本質(zhì)上,它是一種先進的計算機用戶接口技術(shù)，通過給用戶同時提供諸如視、聽、說、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段，最大限度地方便用戶的操作，從而減輕用戶的負擔，提高整個系統(tǒng)的工作效率。增強現(xiàn)實技術(shù)(Augmented Reality,AR)作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個重要分支,是一種將計算機生成的虛擬物體或其它信息疊加到真實場景中，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實進行“增強”的技術(shù)。傳統(tǒng)意義上的虛擬現(xiàn)實技術(shù)包括三個特點沉浸感、交互性、自主性，強調(diào)在完全虛擬化環(huán)境中的沉浸體驗，并強調(diào)人能以自然方式與虛擬世界中的對象進行交互操作。增強現(xiàn)實技術(shù)則致力于將計算機生成的虛擬物體或信息疊加到現(xiàn)實景物上，從而產(chǎn)生現(xiàn)實環(huán)境中不存在的虛擬對象，再通過傳感技術(shù)將虛擬對象準確“放置”在真實環(huán)境中，并借助顯示設備將虛擬對象與真實環(huán)境融為一體，最終呈現(xiàn)給使用者一個感官效果真實的新環(huán)境。因此，增強現(xiàn)實系統(tǒng)具有虛實結(jié)合、實時交互、三維注冊的新特點。大型化工設備(常壓塔、加熱爐等大型塔、爐類設備)作為化工行業(yè)的常用設備，大多具有連續(xù)作業(yè)、密閉作業(yè)、高壓、高熱、易燃易爆且設備龐大、昂貴等特點，在實際生產(chǎn)過程中，許多大型化工設備的故障與重大事故可能百年不遇，但一旦發(fā)生緊急情況，留給操作人員處理的時間非常短暫，如果不能及時正確處理，后果不堪設想。大型化工設備的上述特點決定了它對崗位操作人員的素質(zhì)要求極高，在保證設備安全、滿負荷、長期、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運行情況下，積極開展高效率的崗位操作培訓顯得尤為重要。目前，大型化工設備的崗位操作培訓主要有五種方式1)書本學習，即通過查閱設備圖紙、文本等資料進行自主學習。這種培訓方式具有形式單一、脫離生產(chǎn)實踐且學習時間較長等缺點。2)多媒體學習，即通過視頻、PPT等方式進行學習，這種方式雖然形式上生動了許多，但同樣存在著與生產(chǎn)實踐脫離的缺點。3)沉浸式的虛擬交互學習，即通過構(gòu)建逼真的三維設備模型并利用各種輔助設備，讓學習者沉浸于虛擬場景并與之進行互動操作。這種培訓方式建立在真實感極強且具有交互操作能力的虛擬場景基礎(chǔ)之上，形式生動，寓教于樂，能夠極大地提高培訓質(zhì)量與培訓效果。然而，虛擬交互學習畢竟是虛擬化的，其或多或少都與設備現(xiàn)場存在差異，無法從視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、感覺等多重感官上真實體驗現(xiàn)場環(huán)境。4)現(xiàn)場實習，即在老員工的帶領(lǐng)下在設備現(xiàn)場實地參觀學習，這樣的培訓方式一方面受設備連續(xù)作業(yè)、密閉作業(yè)的限制而無法了解結(jié)構(gòu)、原理等深層次的內(nèi)容，另一方面也受講解人員的個人能力與講解水平的限制，同時，因設備易燃易爆、高溫、高壓等特點，現(xiàn)場實習也受多種危險因素的影響而不可能經(jīng)常進行，上述特點決定了短期現(xiàn)場實習的培訓效率不會很高，只有通過不斷反復的長期實習才能真正達到理想的培訓效果。5)組合式培訓，SP將前三種方式與現(xiàn)場實習組合起來進行培訓，這種組合式的培訓方式雖然可以彌補前三種單一培訓方式的部分缺點與不足，但仍然無法完全克服現(xiàn)場實習培訓所固有的缺點，同時幾種組合培訓方式在切換過程中存在一定的時間與空間上的間隔，彼此之間無法直觀、快速地進行相互印證，從而無法達到真正意義上的一體化高效培訓。大型化工設備操作培訓的重點應以工藝原理、技術(shù)參數(shù)以及操作規(guī)范的學習為主，將增強現(xiàn)實技術(shù)融入其中，可以達到在設備現(xiàn)場進行互動式、剖析式、實時式一體化高效培訓的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明用于解決大型化工設備現(xiàn)有培訓方法中存在的脫離生產(chǎn)實踐、無法從視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、感覺等多重感官上真實體驗現(xiàn)場環(huán)境、學習效率低、培訓時間長等問 題，通過在真實現(xiàn)場環(huán)境下的設備關(guān)鍵部位上疊加虛擬模型或信息，從而讓受訓人員能夠在設備現(xiàn)場進行互動式、剖析式、實時式的一體化高效培訓，其所要解決的技術(shù)問題包括I)提供具有防爆功能的便攜式增強現(xiàn)實設備，便于現(xiàn)場攜帶并滿足安全生產(chǎn)要求；2)基于高效三維引擎技術(shù)的圖形繪制系統(tǒng)，滿足高效圖形繪制與數(shù)據(jù)處理的要求；3)通過圖形標記卡及其快速識別與匹配系統(tǒng)，圖形標記卡用于標記設備的關(guān)鍵部位，識別與匹配系統(tǒng)用于快速識別標記并將其匹配為相應的虛擬模型或信息；4)通過視頻合并器及顯示器，用于將真實環(huán)境與虛擬模型或信息完美融合并顯示在光學透視式頭盔顯示裝置(S-HMD)等顯示設備上；5)通過大型化工設備知識庫及其培訓管理系統(tǒng)，為設備現(xiàn)場互動式、剖析式、實時式的一體化培訓提供信息與管理支持。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種大型化工設備培訓管理裝置，其包括便攜式現(xiàn)實增強設備和圖形標記卡；所述便攜式現(xiàn)實增強設備進一步包括移動PC主機、光學透視式頭盔顯示裝置和數(shù)據(jù)手套；所述光學透視式頭盔現(xiàn)實裝置包括視頻合并器，所述視頻合并器為反光鏡。其中，所述光學透視式頭盔顯示裝置進一步包括攝像機、顯示器和視頻合并器；所述攝像機用于捕獲圖形標記卡并將其傳輸給圖形標記卡識別與匹配系統(tǒng)；所述顯示器用于接收由圖形繪制系統(tǒng)渲染的虛擬場景并將其投影到視頻合并器上；所述視頻合并器一邊將顯示器的影像反射到使用者的眼中，一邊讓周圍真實環(huán)境中的光線照射進來，從而在使用者視野中呈現(xiàn)虛實結(jié)合的生動影像。其中，所述圖形標記卡放置于真實場景中特定位置上，由攝像機捕獲并由識別與匹配系統(tǒng)進行圖像識別。本發(fā)明還提供了一種大型化工設備培訓管理裝置，其包括便攜式現(xiàn)實增強設備和圖形標記卡；所述便攜式現(xiàn)實增強設備包括移動PC主機、光學透視式頭盔顯示裝置和數(shù)據(jù)手套；所述移動PC主機用于對各種數(shù)據(jù)信息進行快速處理及存儲；所述光學透視式頭盔顯示裝置進一步包括攝像機、顯示器和視頻合并器，所述視頻合并器是反光鏡；所述攝像機用于捕獲圖形標記卡并將其傳輸給圖形標記卡識別與匹配系統(tǒng)；所述顯示器用于接收由圖形繪制系統(tǒng)渲染的虛擬場景并將其投影到視頻合并器上；所述視頻合并器一邊將顯示器的影像反射到使用者的眼中，一邊讓周圍真實環(huán)境中的光線照射進來，從而在使用者視野中呈現(xiàn)虛實結(jié)合的生動影像；所述數(shù)據(jù)手套用于受訓人員在虛擬場景中進行交互操作；所述圖形標記卡放置于真實場景中特定位置上，由攝像機捕獲并由識別與匹配系統(tǒng)進行圖像識別。
本發(fā)明還提供了一種用于上述大型化工設備培訓管理裝置的設備知識庫及培訓 管理系統(tǒng)，其包括設備知識庫模塊，用于存儲大型化工設備的技術(shù)數(shù)據(jù)與管理信息，所述信息按所述設備部位進行詳細分類；培訓管理模塊，用于對大型化工設備的培訓過程進行管理與控制。其中，所述設備知識庫模塊包括試題庫子模塊、模型庫子模塊以及數(shù)據(jù)庫子模塊，所述試題庫子模塊用于存儲考核試題，所述模型庫子模塊用于存儲設備結(jié)構(gòu)剖析、工作原理、設備部件的三維模型，所述數(shù)據(jù)庫子模塊則用于存儲設備圖紙、技術(shù)參數(shù)以及操作規(guī)程的技術(shù)數(shù)據(jù)。其中，所述培訓管理模塊包括圖形控制子模塊，其用于單獨或配合數(shù)據(jù)手套與顯示器中的虛擬場景進行交互操作；試題考核子模塊，其用于實現(xiàn)出題、答題、評分、評價等功能；知識庫編輯子模塊，其用于對所述設備知識庫模塊中的試題庫子模塊、模型庫子模塊、數(shù)據(jù)庫子模塊中的相關(guān)信息進行查詢與編輯；路線巡檢子模塊，其用于受訓人員在設備現(xiàn)場進行學習，需對全部知識點進行系統(tǒng)化學習，完成全部知識點的學習；黑板提示子模塊，其用于在受訓人員遇到困難時為其提供提示與幫助；系統(tǒng)管理子模塊，其用于配置用戶信息、瀏覽模式等與所述大型化工設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)自身相關(guān)的功能參數(shù)，并提供技術(shù)支持與幫助。本發(fā)明還提供了一種用于上述大型化工設備培訓管理裝置的設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)，其包括設備知識庫模塊，用于存儲大型化工設備的技術(shù)數(shù)據(jù)與管理信息，所述信息按所述設備部位進行詳細分類；培訓管理模塊，用于對大型化工設備的培訓過程進行管理與控制；所述設備知識庫模塊進一步包括，試題庫子模塊，其用于存儲考核試題；模型庫子模塊，其用于存儲設備結(jié)構(gòu)剖析、工作原理、設備部件等三維模型；數(shù)據(jù)庫子模塊，其用于存儲設備圖紙、技術(shù)參數(shù)以及操作規(guī)程的技術(shù)數(shù)據(jù)；所述培訓管理模塊進一步包括，
圖形控制子模塊，其用于單獨或配合數(shù)據(jù)手套與顯示器中的虛擬場景進行交互操作；試題考核子模塊，其用于實現(xiàn)出題、答題、評分、評價等功能；知識庫編輯子模塊，其用于對所述設備知識庫模塊中的試題庫子模塊、模型庫子模塊、數(shù)據(jù)庫子模塊中的相關(guān)信息進行查詢與編輯；路線巡檢子模塊，其用于受訓人員在設備現(xiàn)場進行學習，需對全部知識點進行系統(tǒng)化學習，完成全部知識點的學習；
黑板提示子模塊，其用于在受訓人員遇到困難時為其提供提示與幫助；系統(tǒng)管理子模塊，其用于配置用戶信息、瀏覽模式等與所述大型化工設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)自身相關(guān)的功能參數(shù)，并提供技術(shù)支持與幫助。本發(fā)明還提供了用于上述的大型化工設備培訓管理裝置的圖形繪制系統(tǒng)，其包括渲染層模塊、模型層模塊和操作層模塊；所述渲染層模塊是基于三維圖形渲染庫OpenGL，用于提供對圖形化界面、設備三維模型這些基本幾何要素的生成和渲染；所述模型層模塊用于以緩存的方式存儲模型數(shù)據(jù)并按照特定的約束條件對所存儲的數(shù)據(jù)進行管理；所述操作層模塊負責虛擬場景的交互操作和虛擬對象行為的解釋。本發(fā)明還提供了上述的大型化工設備培訓管理裝置、上述的大型化工設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)、上述的圖形繪制系統(tǒng)在石油化工安全生產(chǎn)中的應用。本發(fā)明有益的技術(shù)效果在于本發(fā)明提供的大型化工設備培訓管理裝置用于解決大型化工設備現(xiàn)有培訓方法中存在的脫離生產(chǎn)實踐、無法從視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、感覺等多重感官上真實體驗現(xiàn)場環(huán)境、學習效率低、培訓時間長等問題，以先進的增強現(xiàn)實技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)以及可視化技術(shù)為基礎(chǔ)，通過在真實環(huán)境下的設備關(guān)鍵部位上疊加虛擬模型或信息(如剖析與工作原理模型、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、操作注意事項等)，并借助顯示設備將虛擬對象與真實環(huán)境融為一體，從而為受訓人員提供一個感官效果真實的全新學習環(huán)境，最終達到能夠在設備現(xiàn)場進行互動式、剖析式、實時式一體化高效培訓的目的。


圖I為本發(fā)明大型化工設備培訓管理裝置的總體結(jié)構(gòu)圖；圖2為使用本發(fā)明大型化工設備培訓管理裝置的進行化工設備培訓的方法步驟流程圖；圖3為本發(fā)明大型化工設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明大型化工設備培訓管理裝置的現(xiàn)場示意圖；圖中，I-塔爐設備；2_圖形標記卡；3_移動PC主機；4_光學透視式頭盔顯示裝置；5-數(shù)據(jù)手套；6_圖形標記卡識別與匹配系統(tǒng)；7_圖形繪制系統(tǒng)；8_設備知識庫模塊；14_培訓管理系統(tǒng)模塊；9_攝像機；10_顯示器；11_視頻合并器；12_虛擬場景；13_真實環(huán)境。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種大型化工設備培訓管理裝置，其包括便攜式現(xiàn)實增強設備和圖形標記卡；所述便攜式現(xiàn)實增強設備便于現(xiàn)場攜帶并滿足安全生產(chǎn)的需求，其進一步包括移動PC主機、光學透視式頭盔顯示裝置(S-HMD)和數(shù)據(jù)手套。所述移動PC主機用于對各種數(shù)據(jù)信息進行快速處理及存儲，其自身應滿足防爆要求，且便于現(xiàn)場攜帶。所述PC主機內(nèi)配置相應軟件應用系統(tǒng)，包括圖形標記卡識別與匹配系統(tǒng)、圖形繪制系統(tǒng)、設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)。進一步，所述PC主機內(nèi)僅具有上述系統(tǒng)。
所述光學透視式頭盔顯示裝置，用于將真實場景中的光線和圖形繪制系統(tǒng)形成的虛擬場景合并在一起并顯示在人眼之中，從而在使用者視野中呈現(xiàn)虛實結(jié)合的生動影像，其進一步包括攝像機、顯示器和視頻合并器；所述攝像機用于捕獲圖形標記卡并將其傳輸給圖形標記卡識別與匹配系統(tǒng)；所述顯示器用于接收由圖形繪制系統(tǒng)渲染的虛擬場景并將其投影到視頻合并器上；所述視頻合并器一邊將顯示器的影像反射到使用者的眼中，一邊讓周圍真實環(huán)境中的光線照射進來，從而在使用者視野中呈現(xiàn)虛實結(jié)合的生動影像。所述數(shù)據(jù)手套用于受訓人員在虛擬場景中進行交互操作，通過圖形繪制系統(tǒng)負責采集數(shù)據(jù)手套的數(shù)據(jù)，計算手部關(guān)節(jié)的位置和姿態(tài)，再用計算得出的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動并完成相應的數(shù)據(jù)手套操作動作。所述視頻合并器優(yōu)選為反光鏡。所述圖形標記卡放置于真實場景中特定位置上，由攝像機捕獲并由識別與匹配系統(tǒng)進行圖像識別，圖形標記卡選用防爆、防腐、防靜電的材料，所述材料具體可以為環(huán)氧樹脂或聚氨酯樹脂，每個圖形標記卡匹配大型化工設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)中的設備知識庫中的一個或多個知識點。本發(fā)明還提供了一種大型化工設備培訓管理裝置，其包括便攜式現(xiàn)實增強設備和圖形標記卡；所述便攜式現(xiàn)實增強設備包括移動PC主機、光學透視式頭盔顯示裝置和數(shù)據(jù)手套；所述移動PC主機用于對各種數(shù)據(jù)信息進行快速處理及存儲，其包括圖形標記卡識別與匹配系統(tǒng)、圖形繪制系統(tǒng)、設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)；所述光學透視式頭盔顯示裝置包括攝像機、顯示器和視頻合并器；所述攝像機用于捕獲圖形標記卡并將其傳輸給圖形標記卡識別與匹配系統(tǒng)；所述顯示器用于接收由圖形繪制系統(tǒng)渲染的虛擬場景并將其投影到視頻合并器上；所述視頻合并器一邊將顯示器的影像反射到使用者的眼中，一邊讓周圍真實環(huán)境中的光線照射進來，從而在使用者視野中呈現(xiàn)虛實結(jié)合的生動影像；所述數(shù)據(jù)手套用于受訓人員在虛擬場景中進行交互操作，圖形繪制系統(tǒng)負責采集數(shù)據(jù)手套的數(shù)據(jù)，計算手部關(guān)節(jié)的位置和姿態(tài)，再用計算得出的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動并完成相應的操作動作；所述圖形標記卡放置于真實場景中特定位置上，由攝像機捕獲并由識別與匹配系統(tǒng)進行圖像識別，所述圖形標記卡選用防爆、防腐、防靜電的材料，所述材料具體可以為環(huán)氧樹脂或聚氨酯樹脂，每個圖形標記卡匹配大型化工設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)中的設備知識庫中的一個或多個知識點。進一步，所述大型化工設備培訓管理裝置僅由上述裝置部件構(gòu)成。本發(fā)明還提供了一種用于上述大型化工設備培訓管理裝置的設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)，其采用Visual Studio 2010對系統(tǒng)界面及功能進行設計與開發(fā)，采用OracleIOi對數(shù)據(jù)庫進行設計與開發(fā)，其包括設備知識庫模塊，用于存儲大型化工設備的技術(shù)數(shù)據(jù)與管理信息，所述信息按所 述設備部位進行詳細分類；培訓管理模塊，用于對大型化工設備的培訓過程進行管理與控制。所述設備知識庫模塊用于存儲大型化工設備，如常壓塔、加熱爐等設備的圖紙、技術(shù)參數(shù)、操作規(guī)程及剖析模型、原理模型、考核試題等培訓知識點信息，其進一步包括試題庫子模塊、模型庫子模塊以及數(shù)據(jù)庫子模塊，所述試題庫子模塊用于存儲考核試題，所述模型庫子模塊用于存儲設備結(jié)構(gòu)剖析、工作原理、設備部件等三維模型，所述數(shù)據(jù)庫子模塊則用于存儲設備圖紙、技術(shù)參數(shù)以及操作規(guī)程等技術(shù)數(shù)據(jù)，上述信息按設備部位劃分為若干個知識點，并將I個或多個培訓知識點信息與I個的圖形標記卡匹配起來。進一步，所述設備知識庫模塊僅由試題庫子模塊、模型庫子模塊以及數(shù)據(jù)庫子模塊構(gòu)成。所述培訓管理模塊進一步包括圖形控制子模塊，其用于單獨或配合數(shù)據(jù)手套與顯示器中的虛擬場景進行交互操作；試題考核子模塊，其用于實現(xiàn)出題、答題、評分、評價等功能；知識庫編輯子模塊，其用于對所述設備知識庫模塊中的試題庫子模塊、模型庫子模塊、數(shù)據(jù)庫子模塊中的相關(guān)信息進行查詢與編輯；路線巡檢子模塊，其用于受訓人員在設備現(xiàn)場進行學習，需對全部知識點進行系統(tǒng)化學習，完成全部知識點的學習；黑板提示子模塊，其用于在受訓人員遇到困難時為其提供提示與幫助；系統(tǒng)管理子模塊，其用于配置用戶信息、瀏覽模式等與所述大型化工設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)自身相關(guān)的功能參數(shù)，并提供技術(shù)支持與幫助。進一步，所述培訓管理模塊僅由上述子模塊構(gòu)成。本發(fā)明還提供了一種用于上述大型化工設備培訓管理裝置的設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)，其包括設備知識庫模塊，用于存儲大型化工設備的技術(shù)數(shù)據(jù)與管理信息，所述信息按所述設備部位進行詳細分類；培訓管理模塊，用于對大型化工設備的培訓過程進行管理與控制；所述設備知識庫模塊進一步包括試題庫子模塊、模型庫子模塊以及數(shù)據(jù)庫子模塊，所述試題庫子模塊用于存儲考核試題，所述模型庫用于存儲設備結(jié)構(gòu)剖析、工作原理、設備部件等三維模型，所述數(shù)據(jù)庫子模塊則用于存儲設備圖紙、技術(shù)參數(shù)以及操作規(guī)程的技術(shù)數(shù)據(jù)；所述培訓管理模塊進一步包括圖形控制子模塊，其用于單獨或配合數(shù)據(jù)手套與顯示器中的虛擬場景進行交互操作；試題考核子模塊，其用于實現(xiàn)出題、答題、評分、評價等功能；知識庫編輯子模塊，其用于對所述設備知識庫模塊中的試題庫子模塊、模型庫子模塊、數(shù)據(jù)庫子模塊中的相關(guān)信息進行查詢與編輯；路線巡檢子模塊，其用于受訓人員在設備現(xiàn)場進行學習，需對全部知識點進行系 統(tǒng)化學習，完成全部知識點的學習；黑板提示子模塊，其用于在受訓人員遇到困難時為其提供提示與幫助；系統(tǒng)管理子模塊，其用于配置用戶信息、瀏覽模式等與所述大型化工設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)自身相關(guān)的功能參數(shù)，并提供技術(shù)支持與幫助。本發(fā)明還提供了一種基于高效三維引擎技術(shù)的圖形繪制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)采用C++與OpenGL進行設計，其滿足高效圖形繪制與數(shù)據(jù)處理的要求，采用層次化設計方式，包括渲染層模塊、模型層模塊和操作層模塊；所述渲染層模塊是基于三維圖形渲染庫OpenGL，用于提供對圖形化界面、設備三維模型這些基本幾何要素的生成和渲染；所述模型層模塊用于以緩存的方式存儲模型數(shù)據(jù)并按照特定的約束條件對所存儲的數(shù)據(jù)進行管理；所述操作層模塊負責虛擬場景的交互操作和虛擬對象行為的解釋。進一步，所述圖形繪制系統(tǒng)僅由上述模塊構(gòu)成。本發(fā)明還提供了上述的大型化工設備培訓管理裝置、上述的大型化工設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)、上述的圖形繪制系統(tǒng)在石油化工安全生產(chǎn)中的應用。本發(fā)明還提供了一種圖形標記卡識別與匹配系統(tǒng)，系統(tǒng)采用C++語言進行編程設計，用于對圖形標記卡進行快速而高效的識別。本發(fā)明技術(shù)方案的原理在于首先根據(jù)大型化工設備的培訓特點與要求，采用Visual Studio 2010與Oracle IOi等軟件開發(fā)工具，構(gòu)建大型化工設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)，再將培訓知識點按設備部位進行分類并在每一個圖形標記卡上匹配一個或多個知識點，然后將圖形標記卡放置于設備的相應部位，受訓人員則穿戴防爆便攜式增強現(xiàn)實設備(移動PC主機、光學透視式頭盔顯示裝置(S-HMD)、數(shù)據(jù)手套等)在設備現(xiàn)場進行觀察，當行至圖形標記卡所在位置時，攝像機自動捕獲標記信息并將其傳輸給標記卡識別與匹配系統(tǒng)進行識別，然后匹配出與圖形標記卡相對應的剖析及工作原理模型、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、操作注意事項等信息，再由圖形繪制系統(tǒng)以虛擬模型或信息的方式將之渲染于圖形標記卡擺放位置，最后，視頻合并器及顯示器將虛擬對象與真實環(huán)境融為一體并顯示出來，從而為受訓人員提供一個感官效果真實的全新學習環(huán)境。受訓人員在現(xiàn)場感受真實環(huán)境并學習虛擬化信息的同時，也可以進行一定的交互式操作來加深學習成果、提高學習效率。同時，受訓人員在設備現(xiàn)場的觀察路徑由培訓管理系統(tǒng)進行引導，以便受訓人員能夠進行全面而高效的學習。大型化工設備培訓管理裝置在培訓過程中，能夠從知識庫中隨機抽取試題對受訓人員進行考核，考核以選擇文本或交互操作的虛擬化方式進行，培訓結(jié)束后，管理系統(tǒng)根據(jù)考核情況對受訓人員進行綜合評分。本發(fā)明還提供了一種采用上述的大型化工設備培訓管理裝置進行化工設備培訓的方法，其包括第一步，受訓人員佩戴所述增強現(xiàn)實設備，不斷行走并通過所述視頻合并器觀察并感受現(xiàn)場真實環(huán)境，當遇到所述圖形標記卡，則由所述攝像機進行捕獲并經(jīng)識別、檢索等處理過程，再由所述顯示器將所述圖形標記卡匹配的虛擬場景投射到所述視頻合并器上，與透過所述視頻合并器傳入人眼的真實場景共同組成虛實結(jié)合的全新場景；第二步，所述大型化工設備培訓管理裝置進行是否考核與知識點是否全部學完的判斷，如果還存在沒有學習的知識點，則繼續(xù)在設備現(xiàn)場行走與觀察，以再次捕獲所述圖形標記卡，否則結(jié)束本次培訓。所述方法更具體為 第一步，受訓人員佩戴增強現(xiàn)實設備在真實環(huán)境中不斷行走；第二步，當視野中沒有圖形標記卡時，直接將真實場景透過視頻合并器送入人眼之中；當視野中出現(xiàn)圖形標記卡，執(zhí)行第三步；第三步，攝像機捕獲圖形標記卡；第四步，圖形標記卡識別與匹配系統(tǒng)對攝像機捕獲的圖形標記卡進行識別；第五步，將圖形標記卡識別后的信息與設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)中的設備知識庫模塊進行匹配處理；第六步，使用匹配得出的關(guān)鍵字(信息)在設備知識庫模塊中進行數(shù)據(jù)檢索，檢索出“試題及交互操作”、“技術(shù)數(shù)據(jù)與規(guī)程”及“剖析及原理模型”等數(shù)據(jù)信息，上述數(shù)據(jù)被傳輸?shù)綀D形繪制系統(tǒng)；第七步，圖形繪制系統(tǒng)將虛擬數(shù)據(jù)信息渲染成虛擬場景(界面、模型)并將其傳送至頭盔顯示器；第八步，頭盔顯示器將虛擬場景投射到視頻合并器上，與透過視頻合并器傳入人眼的真實場景共同組成虛實結(jié)合的全新場景；第九步，虛實結(jié)合的全新場景傳送至人眼之中；第十步，設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)判斷所識別的知識點是否進行考核，是則執(zhí)行第十一步，否則執(zhí)行第十三步；第十一步，對考核知識點進行單項評分；第十二步，將單項評分計入考核總分；第十三步，判斷所有知識點是否全部學習完畢，是則執(zhí)行第十四步，否則執(zhí)行第一至第十三步直至知識點全部學習完畢；第十四步，對培訓進行綜合評價；第十五步，結(jié)束本次培訓。本發(fā)明還提供了上述大型化工設備培訓管理裝置中的所述設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)的各模塊之間的相互關(guān)系流程為設備知識庫模塊存儲培訓設備的圖紙、技術(shù)參數(shù)以及操作規(guī)程等技術(shù)數(shù)據(jù)，上述信息按設備部位劃分為若干個知識點，并將I個或多個培訓知識點信息與I個的圖形標記卡匹配起來；采用培訓管理系統(tǒng)模塊中知識庫編輯子模塊與黑板提示子模塊完成對知識庫及其提示功能的編輯，采用路徑巡檢子模塊對受訓人員參加培訓的整個培訓過程進行編輯，采用試題考核子模塊對培訓過程所涉及的試題進行編輯；培訓管理系統(tǒng)按預先設定好的路徑引導受訓人員完成整個培訓過程，在此過程中，當捕獲并處理標記信息后，由培訓管理系統(tǒng)中的圖形控制子模塊將虛擬化的數(shù)據(jù)、圖形或試題文本等內(nèi)容繪制出來并通過視頻合并器顯示在特定位置上，當受訓人員對所學內(nèi)容存在疑問時，可以啟動黑板提示子模塊的黑板提示功能。本發(fā)明還提供了上述大型化工設備培訓管理裝置在大型化工設備培訓管理中的應用。
以下將結(jié)合附圖及實施例來詳細說明本發(fā)明的實施方式，借此對本發(fā)明如何應用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達成技術(shù)效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實施。圖I和圖4顯示了大型化工設備培訓管理裝置，在塔爐設備I中設置有多個圖形標記卡2，該大型化工設備培訓管理裝置由便攜式現(xiàn)實增強設備和圖形標記卡2構(gòu)成，多個圖形標記卡2設置在塔爐設備I中，所述圖形標記卡由青島市中科工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的E-51環(huán)氧樹脂(產(chǎn)品型號618)制成，所述便攜式現(xiàn)實增強設備便于現(xiàn)場攜帶并滿足安全生產(chǎn)的需求，其包括移動PC主機3、光學透視式頭盔顯示裝置4和數(shù)據(jù)手套5，所述移動PC主機3自身具備防爆要求，且便于現(xiàn)場攜帶，同時滿足高效圖形運算的要求，所述PC主機3內(nèi)配置相應軟件應用系統(tǒng)，包括圖形標記卡識別與匹配系統(tǒng)6、圖形繪制系統(tǒng)7、大型化工設備知識庫以及培訓管理系統(tǒng)，該大型化工設備知識庫以及培訓管理系統(tǒng)包括設備知識庫模塊8和培訓管理系統(tǒng)模塊12，所述光學透視式頭盔顯示裝置4為顯示設備包括攝像機9、顯示器10和作為視頻合并器的反光鏡11，所述攝像機9用于捕獲圖形標記卡2并將其傳輸給圖形標記卡識別與匹配系統(tǒng)6，所述顯示器10用于接收由圖形繪制系統(tǒng)7渲染的虛擬場景將其投影到視頻合并器11上，所述視頻合并器11 一邊將顯示器10的影像反射到使用者的眼中，一邊讓周圍真實環(huán)境13中的光線照射進來，從而在使用者視野中呈現(xiàn)虛實結(jié)合的生動影像，所述數(shù)據(jù)手套5用于受訓人員在虛擬場景12中進行交互操作，圖形繪制系統(tǒng)7負責采集數(shù)據(jù)手套5的數(shù)據(jù)，計算手部關(guān)節(jié)的位置和姿態(tài)，再用計算得出的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動并完成相應的操作動作，每個所述圖形標記卡2匹配設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)中的設備知識庫模塊8中的一個或多個知識點。圖2顯示了使用所述大型化工設備培訓管理裝置進行化工設備培訓的方法步驟流程第一步，受訓人員佩戴增強現(xiàn)實設備在真實環(huán)境中不斷行走；第二步，當視野中沒有圖形標記卡時，直接將真實場景透過視頻視頻合并器送入人眼之中；當視野中出現(xiàn)圖形標記卡，執(zhí)行第三步；第三步，攝像機捕獲圖形標記卡；第四步，圖形標記卡識別與匹配系統(tǒng)對攝像機捕獲的圖形標記卡進行識別；第五步，將圖形標記卡識別后的信息與設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)中的設備知識庫進行匹配處理；
第六步，使用匹配得出的關(guān)鍵字(信息)在設備知識庫中進行數(shù)據(jù)檢索，檢索出“試題及交互操作”、“技術(shù)數(shù)據(jù)與規(guī)程”及“剖析及原理模型”等數(shù)據(jù)信息，上述數(shù)據(jù)被傳輸?shù)綀D形繪制系統(tǒng)；第七步，圖形繪制系統(tǒng)將虛擬數(shù)據(jù)信息渲染成虛擬場景(界面、模型)并將其傳送至頭盔顯示器；第八步，頭盔顯示器將虛擬場景投射到視頻合并器上，與透過視頻合并器傳入人眼的真實場景共同組成虛實結(jié)合的全新場景；第九步，虛實結(jié)合的全新場景傳送至人眼之中；第十步，設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)判斷所識別的知識點是否進行考核，是則執(zhí)行第十一步，否則執(zhí)行第十三步； 第十一步，對考核知識點進行單項評分；第十二步，將單項評分計入考核總分；第十三步，判斷所有知識點是否全部學習完畢，是則執(zhí)行第十四步，否則執(zhí)行第一至第十三步直至知識點全部學習完畢；第十四步，對培訓進行綜合評價；第十五步，結(jié)束本次培訓。圖3顯示了設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)及該系統(tǒng)中各模塊之間的相互關(guān)系結(jié)構(gòu)，該管理系統(tǒng)包括設備知識庫模塊8和培訓管理模塊14，所述設備知識庫模塊包括試題庫子模塊、模型庫子模塊以及數(shù)據(jù)庫子模塊，所述試題庫子模塊用于存儲考核試題，所述模型庫子模塊用于存儲設備結(jié)構(gòu)剖析模型、工作原理模型、設備部件模型，所述數(shù)據(jù)庫子模塊則用于存儲設備圖紙、技術(shù)參數(shù)以及操作規(guī)程等技術(shù)數(shù)據(jù)，上述信息按設備部位劃分為若干個知識點，并將I個或多個培訓知識點信息與I個的圖形標記卡匹配起來，所述培訓管理模塊包括圖形控制子模塊，其用于單獨或配合數(shù)據(jù)手套與顯示器中的虛擬場景進行交互操作，試題考核子模塊，其用于實現(xiàn)出題、答題、評分、評價等功能，知識庫編輯子模塊，其用于對試題庫、模型庫、數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)信息進行查詢與編輯，路線巡檢子模塊，其用于受訓人員在設備現(xiàn)場進行學習，需對全部知識點進行系統(tǒng)化學習，完成全部知識點的學習，黑板提示子模塊，其用于在受訓人員遇到困難時為其提供提示與幫助，系統(tǒng)管理子模塊，其用于配置用戶信息、瀏覽模式等與所述大型化工設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)自身相關(guān)的功能參數(shù)，并提供技術(shù)支持與幫助。所述設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)的各模塊之間的相互關(guān)系為設備知識庫模塊存儲培訓設備的圖紙、技術(shù)參數(shù)以及操作規(guī)程等技術(shù)數(shù)據(jù)，上述信息按設備部位劃分為若干個知識點，并將I個或多個培訓知識點信息與I個的圖形標記卡匹配起來；采用培訓管理系統(tǒng)模塊中知識庫編輯子模塊與黑板提示子模塊完成對知識庫及其提示功能的編輯，采用路徑巡檢子模塊對受訓人員參加培訓的整個培訓過程進行編輯，采用試題考核子模塊對培訓過程所涉及的試題進行編輯；培訓管理系統(tǒng)按預先設定好的路徑引導受訓人員完成整個培訓過程，在此過程中，當捕獲并處理標記信息后，由培訓管理系統(tǒng)中的圖形控制子模塊將虛擬化的數(shù)據(jù)、圖形或試題文本等內(nèi)容繪制出來并通過視頻合并器顯示在特定位置上，當受訓人員對所學內(nèi)容存在疑問時，可以啟動黑板提示子模塊的黑板提示功能。所有上述的首要實施這一知識產(chǎn)權(quán)，并沒有設定限制其他形式的實施這種新產(chǎn)品和/或新方法。本領(lǐng)域技術(shù)人員將利用這一重要信息，上述內(nèi)容修改，以實現(xiàn)類似的執(zhí)行情況。但是，所有修改或改造基于本發(fā)明新產(chǎn)品屬于保留的權(quán)利。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所 作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種大型化工設備培訓管理裝置，其特征在于，包括便攜式現(xiàn)實增強設備和圖形標記卡； 所述便攜式現(xiàn)實增強設備進一步包括移動PC主機、光學透視式頭盔顯示裝置和數(shù)據(jù)手套； 所述光學透視式頭盔現(xiàn)實裝置包括視頻合并器，所述視頻合并器為反光鏡。
2.如權(quán)利要求I所述的大型化工設備培訓管理裝置，其特征在于所述光學透視式頭盔顯示裝置進一步包括攝像機、顯示器和視頻合并器； 所述攝像機用于捕獲圖形標記卡并將其傳輸給圖形標記卡識別與匹配系統(tǒng)； 所述顯示器用于接收由圖形繪制系統(tǒng)渲染的虛擬場景并將其投影到視頻合并器上； 所述視頻合并器一邊將顯示器的影像反射到使用者的眼中，一邊讓周圍真實環(huán)境中的光線照射進來，從而在使用者視野中呈現(xiàn)虛實結(jié)合的生動影像。
3.如權(quán)利要求I或2所述的大型化工設備培訓管理裝置，其特征在于所述圖形標記卡放置于真實場景中特定位置上，由攝像機捕獲并由識別與匹配系統(tǒng)進行圖像識別。
4.一種大型化工設備培訓管理裝置，其特征在于，包括便攜式現(xiàn)實增強設備和圖形標記卡； 所述便攜式現(xiàn)實增強設備包括移動PC主機、光學透視式頭盔顯示裝置和數(shù)據(jù)手套； 所述移動PC主機用于對各種數(shù)據(jù)信息進行快速處理及存儲； 所述光學透視式頭盔顯示裝置進一步包括攝像機、顯示器和視頻合并器，所述視頻合并器是反光鏡； 所述攝像機用于捕獲圖形標記卡并將其傳輸給圖形標記卡識別與匹配系統(tǒng)； 所述顯示器用于接收由圖形繪制系統(tǒng)渲染的虛擬場景并將其投影到視頻合并器上； 所述視頻合并器一邊將顯示器的影像反射到使用者的眼中，一邊讓周圍真實環(huán)境中的光線照射進來，從而在使用者視野中呈現(xiàn)虛實結(jié)合的生動影像； 所述數(shù)據(jù)手套用于受訓人員在虛擬場景中進行交互操作； 所述圖形標記卡放置于真實場景中特定位置上，由攝像機捕獲并由識別與匹配系統(tǒng)進行圖像識別。
5.一種用于權(quán)利要求I至4所述的大型化工設備培訓管理裝置的設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)，其特征在于，包括 設備知識庫模塊，用于存儲大型化工設備的技術(shù)數(shù)據(jù)與管理信息，所述信息按所述設備部位進行詳細分類； 培訓管理模塊，用于對大型化工設備的培訓過程進行管理與控制。
6.權(quán)利要求5所述的設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)，其特征在于所述設備知識庫模塊進一步包括試題庫子模塊、模型庫子模塊以及數(shù)據(jù)庫子模塊，所述試題庫子模塊用于存儲考核試題，所述模型庫子模塊用于存儲設備結(jié)構(gòu)剖析、工作原理、設備部件的三維模型，所述數(shù)據(jù)庫子模塊則用于存儲設備圖紙、技術(shù)參數(shù)以及操作規(guī)程的技術(shù)數(shù)據(jù)。
7.權(quán)利要求5或6所述的設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)，其特征在于，所述培訓管理模塊進一步包括 圖形控制子模塊，其用于單獨或配合數(shù)據(jù)手套與顯示器中的虛擬場景進行交互操作； 試題考核子模塊，其用于實現(xiàn)出題、答題、評分、評價等功能；知識庫編輯子模塊，其用于對所述設備知識庫模塊中的試題庫子模塊、模型庫子模塊、數(shù)據(jù)庫子模塊中的相關(guān)信息進行查詢與編輯； 路線巡檢子模塊，其用于受訓人員在設備現(xiàn)場進行學習，需對全部知識點進行系統(tǒng)化學習，完成全部知識點的學習； 黑板提示子模塊，其用于在受訓人員遇到困難時為其提供提示與幫助； 系統(tǒng)管理子模塊，其用于配置用戶信息、瀏覽模式等與所述大型化工設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)自身相關(guān)的功能參數(shù)，并提供技術(shù)支持與幫助。
8.一種用于權(quán)利要求I至4所述的大型化工設備培訓管理裝置的設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)，其特征在于，包括 設備知識庫模塊，用于存儲大型化工設備的技術(shù)數(shù)據(jù)與管理信息，所述信息按所述設備部位進行詳細分類； 培訓管理模塊，用于對大型化工設備的培訓過程進行管理與控制； 所述設備知識庫模塊進一步包括， 試題庫子模塊，其用于存儲考核試題； 模型庫子模塊，其用于存儲設備結(jié)構(gòu)剖析、工作原理、設備部件的三維模型； 數(shù)據(jù)庫子模塊，其用于存儲設備圖紙、技術(shù)參數(shù)以及操作規(guī)程的技術(shù)數(shù)據(jù)； 所述培訓管理模塊進一步包括， 圖形控制子模塊，其用于單獨或配合數(shù)據(jù)手套與顯示器中的虛擬場景進行交互操作； 試題考核子模塊，其用于實現(xiàn)出題、答題、評分、評價等功能； 知識庫編輯子模塊，其用于對所述設備知識庫模塊中的試題庫子模塊、模型庫子模塊、數(shù)據(jù)庫子模塊中的相關(guān)信息進行查詢與編輯； 路線巡檢子模塊，其用于受訓人員在設備現(xiàn)場進行學習，需對全部知識點進行系統(tǒng)化學習，完成全部知識點的學習； 黑板提示子模塊，其用于在受訓人員遇到困難時為其提供提示與幫助； 系統(tǒng)管理子模塊，其用于配置用戶信息、瀏覽模式等與所述大型化工設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)自身相關(guān)的功能參數(shù)，并提供技術(shù)支持與幫助。
9.一種用于權(quán)利要求I至4所述的大型化工設備培訓管理裝置的圖形繪制系統(tǒng)，其特征在于，包括 渲染層模塊、模型層模塊和操作層模塊； 所述渲染層模塊是基于三維圖形渲染庫OpenGL，用于提供對圖形化界面、設備三維模型這些基本幾何要素的生成和渲染； 所述模型層模塊用于以緩存的方式存儲模型數(shù)據(jù)并按照特定的約束條件對所存儲的數(shù)據(jù)進行管理； 所述操作層模塊負責虛擬場景的交互操作和虛擬對象行為的解釋。
10.權(quán)利要求I至4所述的大型化工設備培訓管理裝置、權(quán)利要求5至8所述的設備知識庫及培訓管理系統(tǒng)、權(quán)利要求9的圖形繪制系統(tǒng)在石油化工安全生產(chǎn)中的應用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大型化工設備培訓管理裝置，其包括便攜式現(xiàn)實增強設備和圖形標記卡；所述便攜式現(xiàn)實增強設備進一步包括移動PC主機、光學透視式頭盔顯示裝置和數(shù)據(jù)手套。本發(fā)明提供的大型化工設備培訓管理裝置用于解決大型化工設備現(xiàn)有培訓方法中存在的脫離生產(chǎn)實踐、無法從視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、感覺等多重感官上真實體驗現(xiàn)場環(huán)境、學習效率低、培訓時間長等問題。
文檔編號G09B7/02GK102968915SQ20121040766
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者劉剛, 袁紀武, 翟良云, 李磊, 王春, 孫春媛 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院