先进的数字孪生技术如何缩小产业技能差距

在当今苛刻的工业环境中，迫切需要培训，帮助工人获得知识和发展新的技能，他们可以在工作中执行。如果没有适当的技术指导，工厂人员很容易犯错误，从而阻碍运营和业务绩效。

根据行业数据，超过四分之一的工厂事故是因为工人缺乏能力而发生的。许多情况需要基于对设备在适当环境中的准确理解的快速响应。压缩机喘振、催化裂化装置倒流或锅炉汽包液位不稳定都是需要及时有效采取措施以避免不良后果的情况。

不幸的是，目前的商业环境限制了在大多数工业场所进行课堂教学的能力。经验丰富的员工和新员工之间的知识转移变得更加困难，如果不是不可能的话。

面对日益复杂的技术和即将退休的经验丰富的劳动力，工厂需要强大的培训解决方案，以准确地描述现实世界的环境。传统的培训往往不能帮助面板和现场操作员以及维修技术人员更好地完成他们的工作。其结果可能是可靠性问题和计划外停机

训练模拟器的发展

长期以来，制造商一直使用操作员培训模拟器(OTS)系统来培训大规模工业应用中的过程操作员。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和维护，并提高职业技能。

现代OTS解决方案结合了动态过程模拟、仿真控制系统和复制界面，以重现实际工厂的外观、感觉和行为。它们为优化流程和获得操作经验提供了有效的手段。模拟为新工作场景的指导提供了一个受保护的区域，可以随时重新学习。

OTS系统还采用数字孪生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，作为现实的仿真模型，具有所有组件，其特征，功能和参数。

由过程专家开发的数字孪生可以帮助保留和转移有价值的专业知识给新的控制室和现场操作员。数字孪生模型可以是静态或动态高保真过程模型;动态控制系统模型;或由CAD图纸、光探测和测距(激光雷达)扫描、甚至使用数字算法拍摄的照片创建的3D空间模型。

数字孪生帮助行业培训

使用数字孪生，培训课程可以设计为:

• 熟悉布局，包括主要设备的位置和应急设备的标识
• 仪表、控制阀和安全阀以及启停电机的线路跟踪和定位
• 开机、关机、故障和正常运行
• 轮询和抽样程序
• 锁定和标记(LOTO)，以及设备隔离。

由于持续的开发努力，一种新型的数字孪生结合了工厂的3D物理孪生和过程的数学孪生，以增强典型工业设施内多个人物的培训。这项技术在一个高效、可控和安全的学习环境中为生活带来了真实的植物体验。

沉浸式培训:虚拟现实、混合现实

多年来，控制室人员接受了全面的培训计划，而现场工作人员则依靠实践指导来学习他们的工作职能。随着新的沉浸式模拟技术的发展，现场操作人员和技术人员团队可以通过虚拟对讲机进行互动，并获得类似于在控制室控制台工作的同行的培训体验。

沉浸式现场模拟器(IFS)提供基于虚拟现实(VR)/混合(MR)的培训解决方案，有助于更好地培训当今的工业劳动力。IFS可用于将控制台操作员模拟器培训扩展到现场操作员，以获得可信、逼真和身临其境的协作培训体验。这使运营公司能够在提高安全性的同时提高工人的能力，从而最大限度地提高工厂的性能。

根据普华永道最近的一份报告研究例如，虚拟现实学习比传统课堂教学快四倍，比电子学习更专注四倍。它还激发了学员在现实世界中工作的300%的信心。与现有的电子学习技术相比，视觉和声音训练的规范化使VR学习更接近于动手“边做边练”。

IFS的设计是数字孪生技术多年发展和数十年实际过程领域经验的结晶。该模拟器通过数字孪生和经验驱动的洞察力嵌入行业专业知识，推动智能超越传统的基于大数据的解决方案。

一些自动化供应商提供操作员培训模拟器，以复制工业控制室设置的功能和活动。然而，这个以培训为基础的控制室并没有连接到实际的生产操作，而是与过程和资产的数字孪生相关联。有了IFS，同样的数字孪生现在已经与3D世界的数字孪生配对-本质上是工厂本身的细节，如扶手，梯子和楼梯，以及个别资产，如泵，压缩机和管道。这些复制与一个数学过程模型相关联，因此一个动作，比如在虚拟世界中转动阀门，也会改变该过程的后端数字双胞胎中的变量。这些功能与控制室训练模拟器相连。

IFS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孪生体。此方法适用于任何具有3D CAD工程图纸或激光扫描图像的设施。3D工厂数字孪生与工厂流程和资产的数字孪生结合在一起。

IFS的设计最初侧重于培训与工业操作过程控制方面有关的人员;进一步的发展集中在工厂可能发生的维护、可靠性和安全性方面。模拟器的3d沉浸式建模环境与传统OTS的集成使现场和面板操作员能够在安全的环境中一起培训，学习有效操作所必需的协作技能。

实施虚拟现实、混合现实培训

就像飞行员用飞行模拟器练习起飞和降落一样，沉浸式训练模拟器提供了一个流畅的虚拟演练，让工人熟悉他们在日常工作中遇到的操作。它包括代表虚拟团队成员的化身。这方法与传统的培训方法相比，有助于提高技能留存率，并缩短技术培训的时间。

作为一种基于云的解决方案，IFS可以响应炼油厂、石化厂和其他过程工业设施中典型的流程和资产的频繁变化。云技术的使用简化了对后端数字孪生的更新，有助于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、动画等方面加强对变更的管理。这种能力对于较老的、不那么动态的技术来说几乎是不可能的。

此外，包括教员门户作为IFS的一部分，允许培训主管和教员在3D环境和操作员培训模拟器中自行构建自定义培训模块，而无需编码。

IFS旨在成为一个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，混合现实存在于沉浸式现实和增强现实(AR)之间。它融合了VR和增强现实(AR)，前者是完全沉浸式的，与受训者的实际物理环境脱节，后者是将图像叠加在现实世界上。

有了IFS技术，工厂可以使用全息计算机和混合现实耳机来模拟各种场景，例如主要故障和切换，电缆和电源故障，从而培训和测试人员的技能。

例如，混合现实可以用来构建全息图，使受训者能够在教室里的大型压缩机上工作。学生在他们的手中操纵一个控制器，以非常真实的3D方式与设备进行交互。该解决方案还结合了警笛声、运行泵等声音，以增加教学体验的现实性。

受训者可以坐在模拟器上，完成维修或维护活动的确切步骤，就像他们在现实世界中一样，然后走出去，在现场的物理设备上精确地执行相同的程序。

对于当今的数字化劳动力来说，IFS是一种更好的培训方法，这些劳动力正在承担工厂车间的许多复杂工作职责。传统的课堂和电子学习技术对新一代员工来说往往是无效的。在一个研究根据国家培训实验室的数据，虚拟现实学习的保留率约为75%，它有助于填补大量退休的经验丰富的员工和必须在广泛的关键操作中获得专业知识的年轻员工之间的技能差距。

将开发数字孪生解决方案，以解决资产绩效管理问题，并将关键资产的健康和绩效与现有的3D数字孪生联系起来。

在日益严格的监管环境中追求更高的效率和更高的安全性，促使工厂业主考虑新的方法来加强对员工的培训。

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者。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IFS软件集成了VR，为工厂操作员和现场技术人员提供了详细、准确的培训环境。该解决方案有助于缩短传统的基于课堂的学习时间，并最大限度地减少可能导致操作停机的情况。

文森特·希金斯霍尼韦尔劳动力能力解决方案全球总监/总经理。编辑克里斯·瓦夫拉，网络内容经理，控制工程、CFE媒体与技术、cvavra@cfemedia.com．

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关键词:数字双胞胎，沉浸式野外模拟器，虚拟现实

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