专利名称：化工设备培训管理装置、设备知识库及培训管理系统的制作方法
技术领域：
本发明属于计算机技术领域，特别涉及一种增强现实的化工设备培训管理装置和大型化工设备知识库及培训管理系统。
背景技术：
虚拟现实(Virtual Reality, VR)技术起源于20世纪80年代,本质上,它是一种先进的计算机用户接口技术，通过给用户同时提供诸如视、听、说、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担，提高整个系统的工作效率。增强现实技术(Augmented Reality,AR)作为虚拟现实技术的一个重要分支,是一种将计算机生成的虚拟物体或其它信息叠加到真实场景中，从而实现对现实进行“增强”的技术。传统意义上的虚拟现实技术包括三个特点沉浸感、交互性、自主性，强调在完全虚拟化环境中的沉浸体验，并强调人能以自然方式与虚拟世界中的对象进行交互操作。增强现实技术则致力于将计算机生成的虚拟物体或信息叠加到现实景物上，从而产生现实环境中不存在的虚拟对象，再通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中，并借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，最终呈现给使用者一个感官效果真实的新环境。因此，增强现实系统具有虚实结合、实时交互、三维注册的新特点。大型化工设备(常压塔、加热炉等大型塔、炉类设备)作为化工行业的常用设备，大多具有连续作业、密闭作业、高压、高热、易燃易爆且设备庞大、昂贵等特点，在实际生产过程中，许多大型化工设备的故障与重大事故可能百年不遇，但一旦发生紧急情况，留给操作人员处理的时间非常短暂，如果不能及时正确处理，后果不堪设想。大型化工设备的上述特点决定了它对岗位操作人员的素质要求极高，在保证设备安全、满负荷、长期、稳定、优质运行情况下，积极开展高效率的岗位操作培训显得尤为重要。目前，大型化工设备的岗位操作培训主要有五种方式1)书本学习，即通过查阅设备图纸、文本等资料进行自主学习。这种培训方式具有形式单一、脱离生产实践且学习时间较长等缺点。2)多媒体学习，即通过视频、PPT等方式进行学习，这种方式虽然形式上生动了许多，但同样存在着与生产实践脱离的缺点。3)沉浸式的虚拟交互学习，即通过构建逼真的三维设备模型并利用各种辅助设备，让学习者沉浸于虚拟场景并与之进行互动操作。这种培训方式建立在真实感极强且具有交互操作能力的虚拟场景基础之上，形式生动，寓教于乐，能够极大地提高培训质量与培训效果。然而，虚拟交互学习毕竟是虚拟化的，其或多或少都与设备现场存在差异，无法从视觉、听觉、触觉、嗅觉、感觉等多重感官上真实体验现场环境。4)现场实习，即在老员工的带领下在设备现场实地参观学习，这样的培训方式一方面受设备连续作业、密闭作业的限制而无法了解结构、原理等深层次的内容，另一方面也受讲解人员的个人能力与讲解水平的限制，同时，因设备易燃易爆、高温、高压等特点，现场实习也受多种危险因素的影响而不可能经常进行，上述特点决定了短期现场实习的培训效率不会很高，只有通过不断反复的长期实习才能真正达到理想的培训效果。5)组合式培训，SP将前三种方式与现场实习组合起来进行培训，这种组合式的培训方式虽然可以弥补前三种单一培训方式的部分缺点与不足，但仍然无法完全克服现场实习培训所固有的缺点，同时几种组合培训方式在切换过程中存在一定的时间与空间上的间隔，彼此之间无法直观、快速地进行相互印证，从而无法达到真正意义上的一体化高效培训。大型化工设备操作培训的重点应以工艺原理、技术参数以及操作规范的学习为主，将增强现实技术融入其中，可以达到在设备现场进行互动式、剖析式、实时式一体化高效培训的目的。
发明内容
本发明用于解决大型化工设备现有培训方法中存在的脱离生产实践、无法从视觉、听觉、触觉、嗅觉、感觉等多重感官上真实体验现场环境、学习效率低、培训时间长等问 题，通过在真实现场环境下的设备关键部位上叠加虚拟模型或信息，从而让受训人员能够在设备现场进行互动式、剖析式、实时式的一体化高效培训，其所要解决的技术问题包括I)提供具有防爆功能的便携式增强现实设备，便于现场携带并满足安全生产要求；2)基于高效三维引擎技术的图形绘制系统，满足高效图形绘制与数据处理的要求；3)通过图形标记卡及其快速识别与匹配系统，图形标记卡用于标记设备的关键部位，识别与匹配系统用于快速识别标记并将其匹配为相应的虚拟模型或信息；4)通过视频合并器及显示器，用于将真实环境与虚拟模型或信息完美融合并显示在光学透视式头盔显示装置(S-HMD)等显示设备上；5)通过大型化工设备知识库及其培训管理系统，为设备现场互动式、剖析式、实时式的一体化培训提供信息与管理支持。为解决上述技术问题，本发明提供了一种大型化工设备培训管理装置，其包括便携式现实增强设备和图形标记卡；所述便携式现实增强设备进一步包括移动PC主机、光学透视式头盔显示装置和数据手套；所述光学透视式头盔现实装置包括视频合并器，所述视频合并器为反光镜。其中，所述光学透视式头盔显示装置进一步包括摄像机、显示器和视频合并器；所述摄像机用于捕获图形标记卡并将其传输给图形标记卡识别与匹配系统；所述显示器用于接收由图形绘制系统渲染的虚拟场景并将其投影到视频合并器上；所述视频合并器一边将显示器的影像反射到使用者的眼中，一边让周围真实环境中的光线照射进来，从而在使用者视野中呈现虚实结合的生动影像。其中，所述图形标记卡放置于真实场景中特定位置上，由摄像机捕获并由识别与匹配系统进行图像识别。本发明还提供了一种大型化工设备培训管理装置，其包括便携式现实增强设备和图形标记卡；所述便携式现实增强设备包括移动PC主机、光学透视式头盔显示装置和数据手套；所述移动PC主机用于对各种数据信息进行快速处理及存储；所述光学透视式头盔显示装置进一步包括摄像机、显示器和视频合并器，所述视频合并器是反光镜；所述摄像机用于捕获图形标记卡并将其传输给图形标记卡识别与匹配系统；所述显示器用于接收由图形绘制系统渲染的虚拟场景并将其投影到视频合并器上；所述视频合并器一边将显示器的影像反射到使用者的眼中，一边让周围真实环境中的光线照射进来，从而在使用者视野中呈现虚实结合的生动影像；所述数据手套用于受训人员在虚拟场景中进行交互操作；所述图形标记卡放置于真实场景中特定位置上，由摄像机捕获并由识别与匹配系统进行图像识别。
本发明还提供了一种用于上述大型化工设备培训管理装置的设备知识库及培训 管理系统，其包括设备知识库模块，用于存储大型化工设备的技术数据与管理信息，所述信息按所述设备部位进行详细分类；培训管理模块，用于对大型化工设备的培训过程进行管理与控制。其中，所述设备知识库模块包括试题库子模块、模型库子模块以及数据库子模块，所述试题库子模块用于存储考核试题，所述模型库子模块用于存储设备结构剖析、工作原理、设备部件的三维模型，所述数据库子模块则用于存储设备图纸、技术参数以及操作规程的技术数据。其中，所述培训管理模块包括图形控制子模块，其用于单独或配合数据手套与显示器中的虚拟场景进行交互操作；试题考核子模块，其用于实现出题、答题、评分、评价等功能；知识库编辑子模块，其用于对所述设备知识库模块中的试题库子模块、模型库子模块、数据库子模块中的相关信息进行查询与编辑；路线巡检子模块，其用于受训人员在设备现场进行学习，需对全部知识点进行系统化学习，完成全部知识点的学习；黑板提示子模块，其用于在受训人员遇到困难时为其提供提示与帮助；系统管理子模块，其用于配置用户信息、浏览模式等与所述大型化工设备知识库及培训管理系统自身相关的功能参数，并提供技术支持与帮助。本发明还提供了一种用于上述大型化工设备培训管理装置的设备知识库及培训管理系统，其包括设备知识库模块，用于存储大型化工设备的技术数据与管理信息，所述信息按所述设备部位进行详细分类；培训管理模块，用于对大型化工设备的培训过程进行管理与控制；所述设备知识库模块进一步包括，试题库子模块，其用于存储考核试题；模型库子模块，其用于存储设备结构剖析、工作原理、设备部件等三维模型；数据库子模块，其用于存储设备图纸、技术参数以及操作规程的技术数据；所述培训管理模块进一步包括，
图形控制子模块，其用于单独或配合数据手套与显示器中的虚拟场景进行交互操作；试题考核子模块，其用于实现出题、答题、评分、评价等功能；知识库编辑子模块，其用于对所述设备知识库模块中的试题库子模块、模型库子模块、数据库子模块中的相关信息进行查询与编辑；路线巡检子模块，其用于受训人员在设备现场进行学习，需对全部知识点进行系统化学习，完成全部知识点的学习；
黑板提示子模块，其用于在受训人员遇到困难时为其提供提示与帮助；系统管理子模块，其用于配置用户信息、浏览模式等与所述大型化工设备知识库及培训管理系统自身相关的功能参数，并提供技术支持与帮助。本发明还提供了用于上述的大型化工设备培训管理装置的图形绘制系统，其包括渲染层模块、模型层模块和操作层模块；所述渲染层模块是基于三维图形渲染库OpenGL，用于提供对图形化界面、设备三维模型这些基本几何要素的生成和渲染；所述模型层模块用于以缓存的方式存储模型数据并按照特定的约束条件对所存储的数据进行管理；所述操作层模块负责虚拟场景的交互操作和虚拟对象行为的解释。本发明还提供了上述的大型化工设备培训管理装置、上述的大型化工设备知识库及培训管理系统、上述的图形绘制系统在石油化工安全生产中的应用。本发明有益的技术效果在于本发明提供的大型化工设备培训管理装置用于解决大型化工设备现有培训方法中存在的脱离生产实践、无法从视觉、听觉、触觉、嗅觉、感觉等多重感官上真实体验现场环境、学习效率低、培训时间长等问题，以先进的增强现实技术、传感器技术、网络技术以及可视化技术为基础，通过在真实环境下的设备关键部位上叠加虚拟模型或信息(如剖析与工作原理模型、基础数据、操作注意事项等)，并借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，从而为受训人员提供一个感官效果真实的全新学习环境，最终达到能够在设备现场进行互动式、剖析式、实时式一体化高效培训的目的。
图I为本发明大型化工设备培训管理装置的总体结构图；图2为使用本发明大型化工设备培训管理装置的进行化工设备培训的方法步骤流程图；图3为本发明大型化工设备知识库及培训管理系统的结构图；图4为本发明大型化工设备培训管理装置的现场示意图；图中，I-塔炉设备；2_图形标记卡；3_移动PC主机；4_光学透视式头盔显示装置；5-数据手套；6_图形标记卡识别与匹配系统；7_图形绘制系统；8_设备知识库模块；14_培训管理系统模块；9_摄像机；10_显示器；11_视频合并器；12_虚拟场景；13_真实环境。
具体实施例方式本发明提供了一种大型化工设备培训管理装置，其包括便携式现实增强设备和图形标记卡；所述便携式现实增强设备便于现场携带并满足安全生产的需求，其进一步包括移动PC主机、光学透视式头盔显示装置(S-HMD)和数据手套。所述移动PC主机用于对各种数据信息进行快速处理及存储，其自身应满足防爆要求，且便于现场携带。所述PC主机内配置相应软件应用系统，包括图形标记卡识别与匹配系统、图形绘制系统、设备知识库及培训管理系统。进一步，所述PC主机内仅具有上述系统。
所述光学透视式头盔显示装置，用于将真实场景中的光线和图形绘制系统形成的虚拟场景合并在一起并显示在人眼之中，从而在使用者视野中呈现虚实结合的生动影像，其进一步包括摄像机、显示器和视频合并器；所述摄像机用于捕获图形标记卡并将其传输给图形标记卡识别与匹配系统；所述显示器用于接收由图形绘制系统渲染的虚拟场景并将其投影到视频合并器上；所述视频合并器一边将显示器的影像反射到使用者的眼中，一边让周围真实环境中的光线照射进来，从而在使用者视野中呈现虚实结合的生动影像。所述数据手套用于受训人员在虚拟场景中进行交互操作，通过图形绘制系统负责采集数据手套的数据，计算手部关节的位置和姿态，再用计算得出的位置和姿态数据驱动并完成相应的数据手套操作动作。所述视频合并器优选为反光镜。所述图形标记卡放置于真实场景中特定位置上，由摄像机捕获并由识别与匹配系统进行图像识别，图形标记卡选用防爆、防腐、防静电的材料，所述材料具体可以为环氧树脂或聚氨酯树脂，每个图形标记卡匹配大型化工设备知识库及培训管理系统中的设备知识库中的一个或多个知识点。本发明还提供了一种大型化工设备培训管理装置，其包括便携式现实增强设备和图形标记卡；所述便携式现实增强设备包括移动PC主机、光学透视式头盔显示装置和数据手套；所述移动PC主机用于对各种数据信息进行快速处理及存储，其包括图形标记卡识别与匹配系统、图形绘制系统、设备知识库及培训管理系统；所述光学透视式头盔显示装置包括摄像机、显示器和视频合并器；所述摄像机用于捕获图形标记卡并将其传输给图形标记卡识别与匹配系统；所述显示器用于接收由图形绘制系统渲染的虚拟场景并将其投影到视频合并器上；所述视频合并器一边将显示器的影像反射到使用者的眼中，一边让周围真实环境中的光线照射进来，从而在使用者视野中呈现虚实结合的生动影像；所述数据手套用于受训人员在虚拟场景中进行交互操作，图形绘制系统负责采集数据手套的数据，计算手部关节的位置和姿态，再用计算得出的位置和姿态数据驱动并完成相应的操作动作；所述图形标记卡放置于真实场景中特定位置上，由摄像机捕获并由识别与匹配系统进行图像识别，所述图形标记卡选用防爆、防腐、防静电的材料，所述材料具体可以为环氧树脂或聚氨酯树脂，每个图形标记卡匹配大型化工设备知识库及培训管理系统中的设备知识库中的一个或多个知识点。进一步，所述大型化工设备培训管理装置仅由上述装置部件构成。本发明还提供了一种用于上述大型化工设备培训管理装置的设备知识库及培训管理系统，其采用Visual Studio 2010对系统界面及功能进行设计与开发，采用OracleIOi对数据库进行设计与开发，其包括设备知识库模块，用于存储大型化工设备的技术数据与管理信息，所述信息按所 述设备部位进行详细分类；培训管理模块，用于对大型化工设备的培训过程进行管理与控制。所述设备知识库模块用于存储大型化工设备，如常压塔、加热炉等设备的图纸、技术参数、操作规程及剖析模型、原理模型、考核试题等培训知识点信息，其进一步包括试题库子模块、模型库子模块以及数据库子模块，所述试题库子模块用于存储考核试题，所述模型库子模块用于存储设备结构剖析、工作原理、设备部件等三维模型，所述数据库子模块则用于存储设备图纸、技术参数以及操作规程等技术数据，上述信息按设备部位划分为若干个知识点，并将I个或多个培训知识点信息与I个的图形标记卡匹配起来。进一步，所述设备知识库模块仅由试题库子模块、模型库子模块以及数据库子模块构成。所述培训管理模块进一步包括图形控制子模块，其用于单独或配合数据手套与显示器中的虚拟场景进行交互操作；试题考核子模块，其用于实现出题、答题、评分、评价等功能；知识库编辑子模块，其用于对所述设备知识库模块中的试题库子模块、模型库子模块、数据库子模块中的相关信息进行查询与编辑；路线巡检子模块，其用于受训人员在设备现场进行学习，需对全部知识点进行系统化学习，完成全部知识点的学习；黑板提示子模块，其用于在受训人员遇到困难时为其提供提示与帮助；系统管理子模块，其用于配置用户信息、浏览模式等与所述大型化工设备知识库及培训管理系统自身相关的功能参数，并提供技术支持与帮助。进一步，所述培训管理模块仅由上述子模块构成。本发明还提供了一种用于上述大型化工设备培训管理装置的设备知识库及培训管理系统，其包括设备知识库模块，用于存储大型化工设备的技术数据与管理信息，所述信息按所述设备部位进行详细分类；培训管理模块，用于对大型化工设备的培训过程进行管理与控制；所述设备知识库模块进一步包括试题库子模块、模型库子模块以及数据库子模块，所述试题库子模块用于存储考核试题，所述模型库用于存储设备结构剖析、工作原理、设备部件等三维模型，所述数据库子模块则用于存储设备图纸、技术参数以及操作规程的技术数据；所述培训管理模块进一步包括图形控制子模块，其用于单独或配合数据手套与显示器中的虚拟场景进行交互操作；试题考核子模块，其用于实现出题、答题、评分、评价等功能；知识库编辑子模块，其用于对所述设备知识库模块中的试题库子模块、模型库子模块、数据库子模块中的相关信息进行查询与编辑；路线巡检子模块，其用于受训人员在设备现场进行学习，需对全部知识点进行系 统化学习，完成全部知识点的学习；黑板提示子模块，其用于在受训人员遇到困难时为其提供提示与帮助；系统管理子模块，其用于配置用户信息、浏览模式等与所述大型化工设备知识库及培训管理系统自身相关的功能参数，并提供技术支持与帮助。本发明还提供了一种基于高效三维引擎技术的图形绘制系统，所述系统采用C++与OpenGL进行设计，其满足高效图形绘制与数据处理的要求，采用层次化设计方式，包括渲染层模块、模型层模块和操作层模块；所述渲染层模块是基于三维图形渲染库OpenGL，用于提供对图形化界面、设备三维模型这些基本几何要素的生成和渲染；所述模型层模块用于以缓存的方式存储模型数据并按照特定的约束条件对所存储的数据进行管理；所述操作层模块负责虚拟场景的交互操作和虚拟对象行为的解释。进一步，所述图形绘制系统仅由上述模块构成。本发明还提供了上述的大型化工设备培训管理装置、上述的大型化工设备知识库及培训管理系统、上述的图形绘制系统在石油化工安全生产中的应用。本发明还提供了一种图形标记卡识别与匹配系统，系统采用C++语言进行编程设计，用于对图形标记卡进行快速而高效的识别。本发明技术方案的原理在于首先根据大型化工设备的培训特点与要求，采用Visual Studio 2010与Oracle IOi等软件开发工具，构建大型化工设备知识库及培训管理系统，再将培训知识点按设备部位进行分类并在每一个图形标记卡上匹配一个或多个知识点，然后将图形标记卡放置于设备的相应部位，受训人员则穿戴防爆便携式增强现实设备(移动PC主机、光学透视式头盔显示装置(S-HMD)、数据手套等)在设备现场进行观察，当行至图形标记卡所在位置时，摄像机自动捕获标记信息并将其传输给标记卡识别与匹配系统进行识别，然后匹配出与图形标记卡相对应的剖析及工作原理模型、基础数据、操作注意事项等信息，再由图形绘制系统以虚拟模型或信息的方式将之渲染于图形标记卡摆放位置，最后，视频合并器及显示器将虚拟对象与真实环境融为一体并显示出来，从而为受训人员提供一个感官效果真实的全新学习环境。受训人员在现场感受真实环境并学习虚拟化信息的同时，也可以进行一定的交互式操作来加深学习成果、提高学习效率。同时，受训人员在设备现场的观察路径由培训管理系统进行引导，以便受训人员能够进行全面而高效的学习。大型化工设备培训管理装置在培训过程中，能够从知识库中随机抽取试题对受训人员进行考核，考核以选择文本或交互操作的虚拟化方式进行，培训结束后，管理系统根据考核情况对受训人员进行综合评分。本发明还提供了一种采用上述的大型化工设备培训管理装置进行化工设备培训的方法，其包括第一步，受训人员佩戴所述增强现实设备，不断行走并通过所述视频合并器观察并感受现场真实环境，当遇到所述图形标记卡，则由所述摄像机进行捕获并经识别、检索等处理过程，再由所述显示器将所述图形标记卡匹配的虚拟场景投射到所述视频合并器上，与透过所述视频合并器传入人眼的真实场景共同组成虚实结合的全新场景；第二步，所述大型化工设备培训管理装置进行是否考核与知识点是否全部学完的判断，如果还存在没有学习的知识点，则继续在设备现场行走与观察，以再次捕获所述图形标记卡，否则结束本次培训。所述方法更具体为 第一步，受训人员佩戴增强现实设备在真实环境中不断行走；第二步，当视野中没有图形标记卡时，直接将真实场景透过视频合并器送入人眼之中；当视野中出现图形标记卡，执行第三步；第三步，摄像机捕获图形标记卡；第四步，图形标记卡识别与匹配系统对摄像机捕获的图形标记卡进行识别；第五步，将图形标记卡识别后的信息与设备知识库及培训管理系统中的设备知识库模块进行匹配处理；第六步，使用匹配得出的关键字(信息)在设备知识库模块中进行数据检索，检索出“试题及交互操作”、“技术数据与规程”及“剖析及原理模型”等数据信息，上述数据被传输到图形绘制系统；第七步，图形绘制系统将虚拟数据信息渲染成虚拟场景(界面、模型)并将其传送至头盔显示器；第八步，头盔显示器将虚拟场景投射到视频合并器上，与透过视频合并器传入人眼的真实场景共同组成虚实结合的全新场景；第九步，虚实结合的全新场景传送至人眼之中；第十步，设备知识库及培训管理系统判断所识别的知识点是否进行考核，是则执行第十一步，否则执行第十三步；第十一步，对考核知识点进行单项评分；第十二步，将单项评分计入考核总分；第十三步，判断所有知识点是否全部学习完毕，是则执行第十四步，否则执行第一至第十三步直至知识点全部学习完毕；第十四步，对培训进行综合评价；第十五步，结束本次培训。本发明还提供了上述大型化工设备培训管理装置中的所述设备知识库及培训管理系统的各模块之间的相互关系流程为设备知识库模块存储培训设备的图纸、技术参数以及操作规程等技术数据，上述信息按设备部位划分为若干个知识点，并将I个或多个培训知识点信息与I个的图形标记卡匹配起来；采用培训管理系统模块中知识库编辑子模块与黑板提示子模块完成对知识库及其提示功能的编辑，采用路径巡检子模块对受训人员参加培训的整个培训过程进行编辑，采用试题考核子模块对培训过程所涉及的试题进行编辑；培训管理系统按预先设定好的路径引导受训人员完成整个培训过程，在此过程中，当捕获并处理标记信息后，由培训管理系统中的图形控制子模块将虚拟化的数据、图形或试题文本等内容绘制出来并通过视频合并器显示在特定位置上，当受训人员对所学内容存在疑问时，可以启动黑板提示子模块的黑板提示功能。本发明还提供了上述大型化工设备培训管理装置在大型化工设备培训管理中的应用。
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。图I和图4显示了大型化工设备培训管理装置，在塔炉设备I中设置有多个图形标记卡2，该大型化工设备培训管理装置由便携式现实增强设备和图形标记卡2构成，多个图形标记卡2设置在塔炉设备I中，所述图形标记卡由青岛市中科工贸有限公司生产的E-51环氧树脂(产品型号618)制成，所述便携式现实增强设备便于现场携带并满足安全生产的需求，其包括移动PC主机3、光学透视式头盔显示装置4和数据手套5，所述移动PC主机3自身具备防爆要求，且便于现场携带，同时满足高效图形运算的要求，所述PC主机3内配置相应软件应用系统，包括图形标记卡识别与匹配系统6、图形绘制系统7、大型化工设备知识库以及培训管理系统，该大型化工设备知识库以及培训管理系统包括设备知识库模块8和培训管理系统模块12，所述光学透视式头盔显示装置4为显示设备包括摄像机9、显示器10和作为视频合并器的反光镜11，所述摄像机9用于捕获图形标记卡2并将其传输给图形标记卡识别与匹配系统6，所述显示器10用于接收由图形绘制系统7渲染的虚拟场景将其投影到视频合并器11上，所述视频合并器11 一边将显示器10的影像反射到使用者的眼中，一边让周围真实环境13中的光线照射进来，从而在使用者视野中呈现虚实结合的生动影像，所述数据手套5用于受训人员在虚拟场景12中进行交互操作，图形绘制系统7负责采集数据手套5的数据，计算手部关节的位置和姿态，再用计算得出的位置和姿态数据驱动并完成相应的操作动作，每个所述图形标记卡2匹配设备知识库及培训管理系统中的设备知识库模块8中的一个或多个知识点。图2显示了使用所述大型化工设备培训管理装置进行化工设备培训的方法步骤流程第一步，受训人员佩戴增强现实设备在真实环境中不断行走；第二步，当视野中没有图形标记卡时，直接将真实场景透过视频视频合并器送入人眼之中；当视野中出现图形标记卡，执行第三步；第三步，摄像机捕获图形标记卡；第四步，图形标记卡识别与匹配系统对摄像机捕获的图形标记卡进行识别；第五步，将图形标记卡识别后的信息与设备知识库及培训管理系统中的设备知识库进行匹配处理；
第六步，使用匹配得出的关键字(信息)在设备知识库中进行数据检索，检索出“试题及交互操作”、“技术数据与规程”及“剖析及原理模型”等数据信息，上述数据被传输到图形绘制系统；第七步，图形绘制系统将虚拟数据信息渲染成虚拟场景(界面、模型)并将其传送至头盔显示器；第八步，头盔显示器将虚拟场景投射到视频合并器上，与透过视频合并器传入人眼的真实场景共同组成虚实结合的全新场景；第九步，虚实结合的全新场景传送至人眼之中；第十步，设备知识库及培训管理系统判断所识别的知识点是否进行考核，是则执行第十一步，否则执行第十三步； 第十一步，对考核知识点进行单项评分；第十二步，将单项评分计入考核总分；第十三步，判断所有知识点是否全部学习完毕，是则执行第十四步，否则执行第一至第十三步直至知识点全部学习完毕；第十四步，对培训进行综合评价；第十五步，结束本次培训。图3显示了设备知识库及培训管理系统及该系统中各模块之间的相互关系结构，该管理系统包括设备知识库模块8和培训管理模块14，所述设备知识库模块包括试题库子模块、模型库子模块以及数据库子模块，所述试题库子模块用于存储考核试题，所述模型库子模块用于存储设备结构剖析模型、工作原理模型、设备部件模型，所述数据库子模块则用于存储设备图纸、技术参数以及操作规程等技术数据，上述信息按设备部位划分为若干个知识点，并将I个或多个培训知识点信息与I个的图形标记卡匹配起来，所述培训管理模块包括图形控制子模块，其用于单独或配合数据手套与显示器中的虚拟场景进行交互操作，试题考核子模块，其用于实现出题、答题、评分、评价等功能，知识库编辑子模块，其用于对试题库、模型库、数据库中的相关信息进行查询与编辑，路线巡检子模块，其用于受训人员在设备现场进行学习，需对全部知识点进行系统化学习，完成全部知识点的学习，黑板提示子模块，其用于在受训人员遇到困难时为其提供提示与帮助，系统管理子模块，其用于配置用户信息、浏览模式等与所述大型化工设备知识库及培训管理系统自身相关的功能参数，并提供技术支持与帮助。所述设备知识库及培训管理系统的各模块之间的相互关系为设备知识库模块存储培训设备的图纸、技术参数以及操作规程等技术数据，上述信息按设备部位划分为若干个知识点，并将I个或多个培训知识点信息与I个的图形标记卡匹配起来；采用培训管理系统模块中知识库编辑子模块与黑板提示子模块完成对知识库及其提示功能的编辑，采用路径巡检子模块对受训人员参加培训的整个培训过程进行编辑，采用试题考核子模块对培训过程所涉及的试题进行编辑；培训管理系统按预先设定好的路径引导受训人员完成整个培训过程，在此过程中，当捕获并处理标记信息后，由培训管理系统中的图形控制子模块将虚拟化的数据、图形或试题文本等内容绘制出来并通过视频合并器显示在特定位置上，当受训人员对所学内容存在疑问时，可以启动黑板提示子模块的黑板提示功能。所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所 作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种大型化工设备培训管理装置，其特征在于，包括便携式现实增强设备和图形标记卡； 所述便携式现实增强设备进一步包括移动PC主机、光学透视式头盔显示装置和数据手套； 所述光学透视式头盔现实装置包括视频合并器，所述视频合并器为反光镜。
2.如权利要求I所述的大型化工设备培训管理装置，其特征在于所述光学透视式头盔显示装置进一步包括摄像机、显示器和视频合并器； 所述摄像机用于捕获图形标记卡并将其传输给图形标记卡识别与匹配系统； 所述显示器用于接收由图形绘制系统渲染的虚拟场景并将其投影到视频合并器上； 所述视频合并器一边将显示器的影像反射到使用者的眼中，一边让周围真实环境中的光线照射进来，从而在使用者视野中呈现虚实结合的生动影像。
3.如权利要求I或2所述的大型化工设备培训管理装置，其特征在于所述图形标记卡放置于真实场景中特定位置上，由摄像机捕获并由识别与匹配系统进行图像识别。
4.一种大型化工设备培训管理装置，其特征在于，包括便携式现实增强设备和图形标记卡； 所述便携式现实增强设备包括移动PC主机、光学透视式头盔显示装置和数据手套； 所述移动PC主机用于对各种数据信息进行快速处理及存储； 所述光学透视式头盔显示装置进一步包括摄像机、显示器和视频合并器，所述视频合并器是反光镜； 所述摄像机用于捕获图形标记卡并将其传输给图形标记卡识别与匹配系统； 所述显示器用于接收由图形绘制系统渲染的虚拟场景并将其投影到视频合并器上； 所述视频合并器一边将显示器的影像反射到使用者的眼中，一边让周围真实环境中的光线照射进来，从而在使用者视野中呈现虚实结合的生动影像； 所述数据手套用于受训人员在虚拟场景中进行交互操作； 所述图形标记卡放置于真实场景中特定位置上，由摄像机捕获并由识别与匹配系统进行图像识别。
5.一种用于权利要求I至4所述的大型化工设备培训管理装置的设备知识库及培训管理系统，其特征在于，包括 设备知识库模块，用于存储大型化工设备的技术数据与管理信息，所述信息按所述设备部位进行详细分类； 培训管理模块，用于对大型化工设备的培训过程进行管理与控制。
6.权利要求5所述的设备知识库及培训管理系统，其特征在于所述设备知识库模块进一步包括试题库子模块、模型库子模块以及数据库子模块，所述试题库子模块用于存储考核试题，所述模型库子模块用于存储设备结构剖析、工作原理、设备部件的三维模型，所述数据库子模块则用于存储设备图纸、技术参数以及操作规程的技术数据。
7.权利要求5或6所述的设备知识库及培训管理系统，其特征在于，所述培训管理模块进一步包括 图形控制子模块，其用于单独或配合数据手套与显示器中的虚拟场景进行交互操作； 试题考核子模块，其用于实现出题、答题、评分、评价等功能；知识库编辑子模块，其用于对所述设备知识库模块中的试题库子模块、模型库子模块、数据库子模块中的相关信息进行查询与编辑； 路线巡检子模块，其用于受训人员在设备现场进行学习，需对全部知识点进行系统化学习，完成全部知识点的学习； 黑板提示子模块，其用于在受训人员遇到困难时为其提供提示与帮助； 系统管理子模块，其用于配置用户信息、浏览模式等与所述大型化工设备知识库及培训管理系统自身相关的功能参数，并提供技术支持与帮助。
8.一种用于权利要求I至4所述的大型化工设备培训管理装置的设备知识库及培训管理系统，其特征在于，包括 设备知识库模块，用于存储大型化工设备的技术数据与管理信息，所述信息按所述设备部位进行详细分类； 培训管理模块，用于对大型化工设备的培训过程进行管理与控制； 所述设备知识库模块进一步包括， 试题库子模块，其用于存储考核试题； 模型库子模块，其用于存储设备结构剖析、工作原理、设备部件的三维模型； 数据库子模块，其用于存储设备图纸、技术参数以及操作规程的技术数据； 所述培训管理模块进一步包括， 图形控制子模块，其用于单独或配合数据手套与显示器中的虚拟场景进行交互操作； 试题考核子模块，其用于实现出题、答题、评分、评价等功能； 知识库编辑子模块，其用于对所述设备知识库模块中的试题库子模块、模型库子模块、数据库子模块中的相关信息进行查询与编辑； 路线巡检子模块，其用于受训人员在设备现场进行学习，需对全部知识点进行系统化学习，完成全部知识点的学习； 黑板提示子模块，其用于在受训人员遇到困难时为其提供提示与帮助； 系统管理子模块，其用于配置用户信息、浏览模式等与所述大型化工设备知识库及培训管理系统自身相关的功能参数，并提供技术支持与帮助。
9.一种用于权利要求I至4所述的大型化工设备培训管理装置的图形绘制系统，其特征在于，包括 渲染层模块、模型层模块和操作层模块； 所述渲染层模块是基于三维图形渲染库OpenGL，用于提供对图形化界面、设备三维模型这些基本几何要素的生成和渲染； 所述模型层模块用于以缓存的方式存储模型数据并按照特定的约束条件对所存储的数据进行管理； 所述操作层模块负责虚拟场景的交互操作和虚拟对象行为的解释。
10.权利要求I至4所述的大型化工设备培训管理装置、权利要求5至8所述的设备知识库及培训管理系统、权利要求9的图形绘制系统在石油化工安全生产中的应用。
全文摘要
本发明公开了一种大型化工设备培训管理装置，其包括便携式现实增强设备和图形标记卡；所述便携式现实增强设备进一步包括移动PC主机、光学透视式头盔显示装置和数据手套。本发明提供的大型化工设备培训管理装置用于解决大型化工设备现有培训方法中存在的脱离生产实践、无法从视觉、听觉、触觉、嗅觉、感觉等多重感官上真实体验现场环境、学习效率低、培训时间长等问题。
文档编号G09B7/02GK102968915SQ20121040766
公开日2013年3月13日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者刘刚, 袁纪武, 翟良云, 李磊, 王春, 孙春媛 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院