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虚拟现实技术在土木工程中的应用探索—推土机模拟驾驶系统

作品介绍 | 竞赛组委会| 2021-06-27 16:52:42

1、作品名称

虚拟现实技术在土木工程中的应用探索—推土机模拟驾驶系统

2、作品分类

虚拟现实与游戏

3、作品描述

1.主题描述 本作品是基于虚拟现实技术的推土机模拟训练驾驶系统,通过HTC VIVE等设备进行沉浸式交互体验。作品旨在探索虚拟现实技术在土木工程建设中的作用,以推土机为切入点,通过VR进行推土机的虚拟教学和训练,并最终需要驾驶员在一定时间和条件限制下完成建设任务,提高驾驶员的技术熟练度和应对紧急情况的能力。 本系统主要分为三个板块,分别是模拟驾驶模式、训练模式和实战模式。模拟驾驶模式下,驾驶员将身临其境地驾驶着推土机,通过对各种驾驶操作的反复训练,提高操作的熟练度和技术水平。训练模式下,驾驶员将驾驶着推土机完成一定施工训练,这个模式是建立在模拟驾驶基础上的,当驾驶员对推土机驾驶十分熟练之后,通过具体的施工任务训练,进一步提高操作水平以及临场反应能力,提高施工实战能力。实战模式下,驾驶员将进入具体的施工场景施工,在这个模式下,将有时间和条件限制,会发生各种突发状况,需要驾驶员利用熟练的操作经验以及高超的技术完成一系列施工操作,这也是驾驶员对自己水平的检验,如果无法完成,就需要再进入模拟驾驶模式和训练模式加强训练。 系统功能模块详见图1。 图 1功能模块 图 2~3 设备调试 图 4~5 系统体验 2.功能模块具体描述 (1) 模拟驾驶模式 模拟驾驶模式中,将提供一台推土机供驾驶员操作,驾驶员借助VR设备即可身临其境地进行驾驶训练。本系统配有详细的操作指南说明,对使用者非常友好。对于初学者,可以通过模拟驾驶模式熟悉操作环境,进行基础操作的学习和训练。对于有一定经验的的使用者,可以通过本系统巩固和进一步提升操作技巧。传统的推土机训练限于设备和场地的限制,无法灵活地满足每一个驾驶员的训练需求,借助VR技术,搭建虚拟场景,可以不受时空和资源限制,随时随地就能进行训练,提高了效率,同时降低了风险。 图 6 操作指南 图 7~11 模拟驾驶界面 (2)训练模式 在训练模式中,使用者将驾驶推土机进行一定的施工作业,这不仅仅考验了驾驶员对工程车辆驾驶的熟练度,也考验了驾驶员的驾驶技术和临场反应能力,通过施工实战训练,能丰富驾驶员的经验,进一步提高技术水准,尤其对于初学者来说,通过VR进行施工训练,既大大提高了安全性,又不必顾忌场地条件和时间约束,训练机会更多,提升速度更快。 图 12 训练模式界面 (3)实战模式 实战模式下,我们将模拟火神山医院和雷神山医院的建造施工场景,需要驾驶员在一定时间和条件限制下完成施工任务。今年,在新冠疫情突如其来的袭击下,党中央迅速做出决策,并在极短时间内建成了火神山、雷神山两座医院,让世界再次见证了中国速度。两所医院能在极短时间内建成并交付使用,与施工工人的高水平密不可分。一方面,通过模拟紧急情况下的施工任务,可以进一步锻炼驾驶员的应对能力和操作水平,同时,通过实战可以让驾驶员发现自身的不足,进一步明确训练方向。另一方面,经常对突发情况进行模拟演练,可以培养工人们的忧患意识,积累经验,防患于未然,等到有真实的紧急施工任务时,可以处变不惊,快速高质量地完成对应的施工任务。通过VR进行模拟演练,成本低,效率高,沉浸感和交互性好,安全性高。 图 13~15 实战模式界面 (图片见邮箱附件)

4、创意来源

一方面,近年来,我国对于土木工程人才的需求急剧增长,尤其需要具有综合职业能力、直接服务于生产一线、从事技术和管理的应用型卓越工程人才。土木工程专业教学是一个复杂系统,实践性强、投入大,且部分项目不可重复。高校由于资金原因,难以提供较为系统、真实的实践环境,或者设备条件不如实际施工单位更新快,造成学生动手的机会少,难以深刻理解整个工程建设的流程,对工程建设全过程缺乏系统性认识。随着计算机科技水平的迅速发展,虚拟现实技术即VR(Virtual Reality)技术日臻完善。将VR技术应用到教学中,通过虚拟仿真构建逼真的施工环境,可以很好地满足教学中情景化及交互性的需求,使学生犹如身临其境,提高学习兴趣,增强动手实践的能力,同时学习效率和安全性也更高。 另一方面,今年新冠疫情突然爆发,全国医疗资源极度紧缺,尤其是医院床位,供应非常紧张,值此千钧一发之际,党中央决定在武汉的蔡甸和江夏区分别兴建火神山医院和雷神山医院。建筑方要在十天之内建成一座国内首屈一指的呼吸系统传染病医院,这是最高的标准、最急的工期、最重的任务,是党和人民最迫切的期待。通常建筑面积3万多平方米的项目,按常规流程至少要建两年,即使紧急状态搭建临时性建筑也需要一个月时间,但最终从平整土地到交付使用只用了十天时间,完成了不可能的挑战。两所医院建设中体现出的“中国速度”离不开工人们的辛勤付出,更离不开他们高超的技术水平。抗疫期间,时间就是生命,在应对紧急的工程任务时,工人们必须拥有临危不乱的心理素质和过硬的专业能力,这提醒我们,需要在平时就对一些紧急的施工情况进行模拟,让工人们时常进行演练,这样才能在遇到真实情况时迅速做出正确行动,降低成本,提高效率,在最短时间内高质量完成施工任务。而在现实中模拟紧急工况进行演练是十分困难的事,借助VR,就能很方便地建造成我们想要的场景,且能不受时空限制地进行演练,储备更多工程人才。 为了调查大众对VR在教学训练与土木工程领域中应用情况的了解,我们充分利用互联网资源,线上线下相结合,展开了大范围的问卷调查,共回收到104份有效问卷。(详细问卷分析见邮箱附件2) 经调研我们发现,随着近几年VR技术的迅速热潮,VR已经逐渐走进了千家万户。问卷结果显示,95%以上的人都知道VR技术,甚至亲身体验过,并被VR优越的沉浸感和高交互性所吸引。其次,将VR技术引入教学训练中,也能够很好地解决资源不足的问题,真正做到不受时空限制,随时随地可以训练巩固,不确定影响因素非常少,并且安全系数高。将VR虚拟教学训练和线下实操训练相结合,优势互补,或许是未来的发展趋势。而且根据问卷反馈,大众对VR虚拟训练抱有很大期待,VR使得训练充满趣味性,让使用者寓学于乐,提高了学习效率。然而调研结果反馈,大多数人对VR技术在土木工程建设领域的应用并不是非常了解,但是超过70%的人对VR技术在土木工程领域中的广泛应用抱有很高期待,也十分看好其发展前景。当今,我国对土木工程人才的需求缺口巨大,培养一个高端人才也是困难重重,借助VR技术,或许可以为培养更多工程人才开辟出一条康庄大道。同时,借助VR进行虚拟训练,可以提前对工程进行模拟,极大降低了成本,提高了效率。这些都向我们表明,VR技术在土木工程领域中的应用,值得我们去深入探索。

5、运行环境(所需操作系统、硬件、软件等)

操作系统:Windows10 硬件:HTC Vive 软件:Unreal Engine 4


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