虚拟现实技术在管道工程中的应用
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摘 要：本文通过对管道工程的实际工作需求和工作内容要求进行分析，结合其综合性，复杂性，专业性等特点，思考如何将VR技术作为管道工程建设与日常运行管理的一个辅助手段，建立管道工程虚拟培训学习平台，对管道工程施工管理人员及运行管理人员进行培训，以有效提高人员的培训效率。
关键词：虚拟现实;管道工程;应用
文章编号：2095-4085（2020）04-0080-02
根据管道工程建设经验可知，管道施工專业性强，特别是埋地的管道工程，需要确保其可靠性，稳定性，工程质量的好坏直接影响使用管道的经济效益和安全运行。管道工程人员通常需要将近10年实际工作的磨砺，才能成熟的运用和使用管道。当今，我国老龄化问题日益严重，人力资源也日趋紧张，缩短人才的培训周期有利于全面提高人力资源的整体素质。如果管道工程人员在进行实际工作之前就已基本具备实施现场施工的专业水准，那么人力资源的使用效率和管道工程的施工质量，也会得到一定程度的提升，虚拟现实技术——Virtual Reality（简称）的出现，有望实现和满足这一现实需求。
1965年，Sutherland 在《终极显示》中首次提出了VR技术，这是一种通过计算机仿真技术实现人在虚拟环境中达到逼真现实体验的综合性技术。其涵盖了计算机图形学，计算机视觉，显示技术，传感器技术，控制工程，人机工程，心理学等学科知识，特征为3I，即沉浸感（Immersion），交互性（Interaction）和想象性（Imagination）。虚拟现实技术是国内外最热门的研究领域之一，它在许多领域得到了广泛应用，如体育专项训练，军事院校教学，汽车驾驶，飞机操作，机床操作等教学训练，该技术的运用可有效降低训练带来的危险性，降低训练人力物力财力的投入。
1 管道工程及其特点
管道工程主要包括线路工程，站库工程和附属工程三个方面。其中，线路工程又包括管道本体工程，防护结构工程和穿跨越工程等。这三项工程又包含很多种工程种类，以管道穿跨越工程为例，其工程包括穿越铁路或公路，穿跨越河流或峡谷，穿山隧道以及穿越不良地质地段等工程种类。站库工程一般包括工艺系统工程，管道动力系统工程，管道监控系统工程，管道通信系统工程，水源，给排水及消防系统工程等。附属工程主要包括沿管道线路修建的通信线路工程，供电线路工程和道路工程等。除了上文所述的主要工程部分，管道工程还有许多相关的工程内容，概括来说，其具有以下几个特点。
综合性强，需要掌握诸多学科知识。管道工程一般需要多种现代科学技术作为支撑，既包括专业的工程建筑，设备和施工技术，也包括一般性建筑和安装工程。工程规模较为庞大，投资数目高达上亿元，消耗的钢材以万吨或百万吨计，属于大型，综合性的工业建设项目。
复杂性高，需要强大的组织协调能力。大型管道工程长度可达数千公里，通常会穿越高山，江河，沼泽，沙漠等复杂地形，需要与城乡建设，水利规划，能源供应，综合运输，环境保护和生态平衡等问题进行综合分析和考虑，在施工过程中，也会面临物资供应，交通车辆，筑路，供水，供电，通信等诸多问题。因此，管道工程的组织管理是一项复杂的系统工程，需要协调和动用大量人力物资加以保障，没有强大的组织协调能力难以做到。
技术性强，需要丰富的专业知识支撑。管道工程通常需要在较高压力下，安全，连续地输送易燃易爆的介质，又要根据实际需要，满足不同的工艺要求。
2 VR技术在工程中的应用和设计构想
（1）在工程施工管理人员培养方面，利用VR技术交互性强的特点训练人员组织管理工程的能力。在系统中可全程模拟工程，包括对各个阶段，各分部分项工程的实施，以及器材和设备的运用等。根据对不同类型不同层次的管理人员设置不同的能力要求，通过反复的训练帮助受训人员达成一定程度的管理水平。
（2）在工程施工人员培养方面，注重利用沉浸性和交互性的特点，用VR系统训练人员技术操作能力。如在管道施工中可能用到的挖沟机，焊接机，绝缘机，弯管机，吊管机以及试压设备等，海洋管道的施工则需要使用开沟船，铺管船等专用船舶，可运用VR中的虚拟设备进行训练和操作，达到锻炼受训人员的目的。另外，管道工程中最常用的焊接技术，可以根据焊枪倾角、焊枪与焊件之间距离， 焊接速度等焊接操作参数，综合材料，方法，焊接电流，预热温度等工艺参数，合理的构建焊接模型，进而构造一个虚拟的焊接训练环境。受训者可以在这个虚拟的环境中进行反复训练，达到快速提升技能水平的目的。
（3）在管道工程运行管理方面，通过建立栩栩如生的三维模型搭建一个生动真实的三维管道工程场景，便于开展工程相关管理工作。以此实现管道工程系统漫游功能，足不出户了解全部工程细节。通过对设备抵近观察，模拟操作工艺设备，掌握工艺流程各项具体细节要求。根据需要建立相应的学习与考核体系，通过使用客户端，对培训内容进行浏览学习，也可进入虚拟场景进行操作，最后进行考核。
（4）结合前面所述，基于VR技术建立起来的管道工程虚拟培训学习平台，包含学习，培训和考核三种模式，可对管道工程施工管理，施工及运行管理等三方面人才进行有效培训。系统设计方面主要分为三步，第一步要根据培训学习要求进行设计。第二步要分析和记录设备和场景，进行等比例建模。第三步将这些模型导入开发平台，通过编程实现操作。系统总体设计框架见图1。
3 结 语
综上所述，虚拟现实技术是一种可以模拟各种复杂的虚拟环境，并能让使用者在虚拟环境中实时交互，获得身临其境的感受和体验的新型技术，在管道
工程培训中具有较好的应用前景，可大大提高人员培训效率，促进管道行业的快速发展，同时也为VR技术在其他行业的推广应用提供路径参考。当然，我们也应该注意到VR技术存在局限性，例如，模拟的世界和现实总有差距，有些方面不能完全取代现实中的学习。学习者在操作过程中会出现晕眩，恶心等现象，另外还存在造价较高，期投入成本较大，更新升级困难等问题。基于以上分析，VR技术在实际运用中应进行综合考量，从实际需求出发合理投入，以求实现效益最大化。
参考文献：
[1]张菁，张天驰，陈怀友.虚拟现实技术及应用[M].北京：清华大学出版社，2011.
[2]周忠，周颐，肖江剑.虚拟现实增强技术综述[J].中国科学：信息科学，2015，（02）：157-180.
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