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数字化双胞胎技术如何缩小工程师技能差距?

来源:控制工程网2021.12.02阅读 4688

  在当今要求严苛的工业环境中,迫切需要通过培训来帮助工人获取知识并开发技能,使其能够胜任工作。如果没有适当的技术指导,技术人员很容易犯错误,从而影响整体运营和业务绩效。
  行业数据显示,在所有工厂事故中,超过四分之一是由于工人不胜任而造成的。在很多情况下,需要基于对某种情境下设备的准确了解来实现快速响应。压缩机的喘振、FCC中的逆流或锅炉汽包的液位不稳定,都需要采取及时有效的措施,以避免不良后果。
  不幸的是,在当前的业务环境中,大多数工业场所都没有条件进行课堂教学,使得经验丰富的员工和新员工之间的知识转移变得更加困难。随着技术日益复杂,经验丰富的劳动力即将退休,工厂需要能够准确描述真实环境的有效的培训解决方案。传统的培训方法往往无法帮助控制盘台和现场操作人员以及维护技术人员更好地完成工作,这可能会造成运行不可靠以及计划外停机。

数字化双胞胎可以帮助保留宝贵的专业知识,并将其转移给新的控制室和现场运行人员。图片来源:Honeywell

  现代培训仿真系统的进步
  在大规模工业应用中,制造商长期以来一直使用操作员培训仿真系统(OTS)培训过程操作人员。这些模拟器用于指导广泛的操作程序,传授基本的过程理解、维护和提高职业技能。
  现代操作员培训仿真系统解决方案,结合了动态过程仿真、仿真控制系统和复制界面,以重现工厂实际的外观、感觉和行为。这是优化过程和获得运营经验的有效手段。仿真为指导新的工作场景提供了一个受保护的区域,而且可以随时重新学习。
  操作员培训仿真系统还采用数字化双胞胎技术,在虚拟环境中复制物理过程和资产。这种方法提供了最接近真实控制系统的虚拟图像,该模型具有所有组件、特性、功能和参数的真实仿真模型。
  过程专家开发的数字化双胞胎模型,有助于保存宝贵的专业知识,并将其传授给控制室和现场运行人员。数字化双胞胎模型可以是静态或动态的高保真过程模型;动态控制系统模型;或者从CAD图纸、光探测和测距(LIDAR)扫描,甚至使用数字算法拍摄的照片创建的三维空间模型。
  数字化双胞胎助力工业培训
  使用数字化双胞胎模型,制造企业可以通过培训课程实现:
  ● 熟悉布局,包括主要设备的位置和应急设备识别;
  ● 仪表、控制和安全阀以及启动/停止电机的线路跟踪和位置;
  ● 启动、关闭、故障和正常操作;
  ● 巡查和取样程序;
  ● 上锁挂牌(LOTO)和设备隔离。
  作为持续努力的结果,一种新型数字化双胞胎将工厂的3D物理孪生与过程的数学孪生相结合,以在典型工业设施内增强对多个角色的培训。该技术在高效、可控和安全的学习环境中,将实际工厂体验带给受训人员。
  基于VR和MR的沉浸式培训 
  多年来,控制室人员接受了全面的培训,而现场工作人员则只能依靠实际操作来熟悉工作职能。随着新的沉浸式模拟技术的出现,这种情况也在发生变化,现场运行和技术人员团队能够通过虚拟对讲机进行交互,并获得与在控制室工作站同行类似的培训体验。
  沉浸式现场模拟器(IFS),一种可提供基于虚拟现实(VR)/混合(MR)的培训解决方案,有助于更好地培训现场的工作人员。沉浸式现场模拟器可以将控制盘台运行人员的仿真培训,扩展到现场操作人员,以获得可靠、真实和沉浸式的协作培训体验。这使运营公司能够在提高安全性的同时提高工人的技能,从而最大限度地提高工厂的整体绩效。
  根据普华永道最近的一项研究,VR学习的速度是传统课堂教学的4倍,专注度是电子化学习方式的4倍。它还使受训者在现实世界中工作的信心提高了300%。与现有的电子化学习技术相比,视觉和听觉培训使VR学习更接近于真实的“实践”。
  沉浸式现场模拟器的设计是数字化双胞胎技术多年发展以及过程制造领域数十年经验的结晶。该模拟机通过数字化双胞胎和经验驱动的洞察力嵌入行业技能,以推动信息的应用,超越传统大数据库的解决方案。
  一些自动化供应商已经提供了操作员培训模拟器,以复制工业控制室环境的功能和活动。然而,这种基于培训的控制室并不与实际生产操作相联系,而是与过程和资产的数字双胞胎模型相连接。
  有了沉浸式现场模拟器,同样的数字化双胞胎可以与三维世界的数字化双胞胎配对——基本上包括了工厂本身的细节,如扶手、梯子和楼梯,以及泵、压缩机和管道等资产。这些复制物与数学过程模型相连,因此,在虚拟世界中转动阀门等动作也会改变后端数字化双胞胎中的变量。这些功能被连接到控制室的培训模拟器。
  沉浸式现场模拟器软件使用常见的沉浸式游戏技术,来创建工厂的物理、三维数字化双胞胎。这种方法适用于任何具有3D CAD工程图或激光扫描图像的设施。3D工厂数字化双胞胎可以与工厂过程和资产的数字化双胞胎相结合。
  沉浸式现场模拟器的设计,最初侧重于培训与工业运营过程控制方面相关的人员;后来则围绕在工厂中可能发生的维护、可靠性和安全场景上。模拟机的3D沉浸式建模环境与传统操作员培训仿真系统的集成,使现场和盘台运行人员能够在安全的环境中一起培训,学习有效运营所必不可少的协作技能。
  沉浸式培训的实施
  与飞行员使用飞行模拟机练习起飞和着陆的方式相似,沉浸式培训模拟器可提供流畅的虚拟演练,让员工熟悉在日常工作中可能会遇到的操作。与传统培训方法相比,这种方法有助于提高技能保留率,并缩短技术培训的时间。
  作为基于云的解决方案,沉浸式现场模拟器可以应对在炼油厂、石化厂和其它加工工业设施中典型过程和资产的频繁变化。云技术的应用简化了后端数字化双胞胎的更新,以更好的反映工厂和现场的当前配置。因此,培训部门可以在更换设备等方面加强变更管理。这种能力在较旧的、动态性较差的技术中几乎是不可能实现的。
  此外,作为沉浸式现场模拟器一部分的讲师门户界面,允许培训主管和讲师在3D环境和运行人员培训模拟器中构建自定义培训模块,而无需编码。
  沉浸式现场模拟器旨在成为一个与硬件无关的可扩展平台,以适应未来VR和MR技术的发展。在这种情况下,MR介于沉浸式和增强现实(AR)之间。它融合了完全沉浸式且独立于受训者实际物理环境的VR以及将图像叠加在现实世界上的AR。
  借助沉浸式现场模拟技术,工厂可以使用全息计算机和混合现实头盔来模拟各种场景(例如主要故障和切换,以及电缆和电源故障等),来培训和测试人员的技能。
  受训者可以坐在模拟器前,和在现实世界中一样,完成维修或维护活动的各个步骤,然后就可以到现场对物理设备准确地执行相同的程序。例如,通过MR技术可构建全息图,使学员能够在教室中练习对大型压缩机的操作。学生操作手中的控制器,以非常真实的3D方式与设备进行交互。该解决方案还包含声音报警、运行泵等,以增加教学体验的真实感。
  对于数字化时代的新生劳动力来讲,沉浸式现场模拟器是一种首选的培训方法,这些劳动力正在承担工厂车间很多复杂的工作职责。传统的课堂学习和电子化学习技术,对于新一代员工来说通常是低效的。有经验人员的大量退休,年轻员工对关键领域专业知识的缺乏,造成了知识技能的差距。美国国家培训实验室的一项研究表明,VR学习的保留率约为75%,这在一定程度上有助于弥补技能差距。
  在日益严格的监管环境中,制造企业追求更高的效率和更大的安全性,这促使工厂所有者考虑新的方法来加强对其人员的培训。开发数字化双胞胎解决方案以解决资产绩效管理问题,并将关键资产的健康状态和性能与当今存在的3D数字化双胞胎关联起来,将有助于企业提高运维效率。
  与设备资产不同,人员是流动的,是工厂安全和生产力的关键推动因素。他们的技能因人而异,每个人学习和保留知识的方式都不同。新一代沉浸式现场模拟器软件结合了VR和MR,可为工厂运行人员和现场技术人员提供详细、准确的培训环境,并有助于缩短传统课堂学习之外的培训时间,最大限度地减少可能导致运营停机的情况。(作者:Vincent Higgins)  

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