1. 虚拟现实技术概述

虚拟现实技术（Virtual reality）兴起于上世纪九十年代，是多种高科技的综合。主要包括立体显示技术、三维计算机图像技术、网络传输技术、立体声、触控反馈技术等，形成计算机三维空间虚拟环境，并通过立体声、可视化设备及触控觉传感设备，使用户感受到三维虚拟世界中的画面、声音等，从而产生身临其境的感觉。

虚拟现实包括交互性、沉浸性、逼真性和构想性四个特征。

交互性：虚拟现实技术构建起的三维虚拟环境中的图像、声音及感知觉可以通过人机接口系统传递给用户。使用者可利用计算机设备进行操作，虚拟环境会随着操作不断发生变化，并相应地使用户感知产生变化。

沉浸性：使用虚拟现实技术，用户可以获取三维虚拟环境中的听觉、听觉等，从而置身于虚拟环境之中，真正做到了从虚拟空间之内向外观察，因而使得化工教学更加地具体化、现实化。

逼真性：虚拟现实技术中的逼真性主要表现在，一是，虚拟现实技术构建起的三维立体幻境与现实环境具有很强的相似性，十分的逼真；二是，用户操作虚拟现实世界做出的反应，并不是任意的、无规律的，而是与现实世界反应十分符合。

构想性：虚拟现实技术可以将使用者的想象虚拟化，从而完成一些过去无法操作的化工实验，提高了化工教学的效果，促进了化工研究的发展。

2. 化工培训的痛点

化工生产具有工艺复杂、设备大型、管道密集、连续运行等特点，相关介质具有高温高压、易燃易爆、腐蚀性强、危险性大等特点。因此，一般不允许在实际生产装置和生产过程中进行各种实验和培训操作。

2.1 化工企业内部培训存在的问题

随着化工工艺技术的成熟，生产设备的自动化程度越来越高，化工生产设备的规模也越来越大；计算机和 DCS 系统的应用减少了现场的人工操作，增加了系统运行的稳定性，降低了事故率。同时，企业对操作人员的技术要求也在不断提高。由于化工厂生产特点的局限性，对操作人员的培训基本停留在理论研究上，特别是对化工厂的启停、常见事故的应急处理、安全培训方面的 HSE 等方面，实践和操作难度较大，而企业阶段性组织的培训成本偏高，效率较低，尤其不利于新员工的快速工作。

2.2 化工高校教学实践中存在的问题

目前，企业希望应届毕业生不仅具备扎实的专业理论基础，而且具备一定的专业操作技能和创新能力。但由于安全生产和技术保密等问题，多数化工企业不方便安排大学生到生产企业学习。即便学生有幸去生产企业学习，但由于高温高压、高风险、高噪声等各种外在不利因素，导致对生产知识的获取有限，更难以有机会进行实际操作。另外，训练时间相对较短，效果也不理想。

3. 化工虚拟现实实训解决方案

虚拟现实技术用于高校化工教育实训中，主要聚焦在化工工艺、化工机械等内容上。相应的，化工虚拟现实实训教学使用的虚拟环境也分为虚拟设备和虚拟装置两个部分，前者在化工虚拟现实实训教学活动中主要涉及设备的功能、结构、形状；后者在化工虚拟现实实训教学活动中主要涉及多个设备组成的化工生产过程。

化工虚拟现实实训解决方案利用三维设计软件 PDS、PDMS 等，创建的等比例模型，将模型在 unity 中转换并开发，实现实地漫游的同时，并能根据装置设备特点，工艺要求等量身定制培训内容。不仅能够提供实验设备、实验效果的观测，包括化学反应过程和设备内部构造等；还能够模拟实际的实验操作过程，学生可以通过虚拟现实实验室系统控制实验中的各种参数，并实时地得知操作效果。这样就让学生对整个实验过程有了掌握，并且打破传统实验中按部就班的实验模式，在实验控制参数的不断调整中，使得学生获得更多的可能结果，使学生学会自我思考、自我探索。

4. 化工虚拟现实实验室系统的构成

通过虚拟现实技术可以对化工实验设备及装置进行三维建模，并利用相关技术对模型进行渲染，使其完美地接近于现实设备与装置。此外，还可将构建好的模型发布到互联网上，建立起网络虚拟资源库，方便学生及其他人员的学习。

高校虚拟现实实验室系统主要由检测与反馈模块、传感器、控制模块、建模模块、3D模型等组成，各模块都有着重要地位和作用：

检测模块：沟通用户，获取用户指令，并通过传感器作用于虚拟环境；

反馈模块：链接用户与传感器，将传感器传递的信息实时反馈给用户；

传感器：既具备传递信息作用，又具备反馈作用。将用户指令传递给控制器作用于虚拟环境，并将作用于虚拟环境产生的结果反馈给用户；

控制模块：虚拟现实系统中的最重要模块，对虚拟世界、现实世界及用户都可以产生作用；

建模模块：建立现实世界物体的三维模型；

3D 模块：将建模模块构建的三维模型，虚拟环境化。

5. 虚拟现实技术在高校化工教育培训中的几点应用

5.1 流程仿真

虚拟现实技术应用于化工流程仿真，在虚拟场景中，按照实际生产工序，直观的展示介质在设备和管线之间的传递过程，明确的标识阀门和控制仪表位置。同时，流程仿真系统接入仿真 DCS 控制系统，可以实时动态地观察介质名称、流量、温度、压力等物化性质信息。流程仿真系统还可以配上文字和语音解说，帮学习者轻松学习单个介质流程、某工段介质流程及全场工艺流程等技能知识。

5.2 操作培训仿真

虚拟现实技术应用于化工操作培训仿真，在虚拟现实场景中，可进行设备工艺操作技能培训，如动设备如泵、压缩机、风机、换热器单元、反应器单元的单体、装置的联动等的开停车；紧急事故处理培训，如常见事故如泵跳车、停水、停电等紧急处理方式等。

5.3 HSE安全培训仿真

HSE安全培训主要包含：安全分析、事故处理、应急预案、预案校验四方面的安全培训，将虚拟现实技术用于HSE安全培训仿真，在高度沉浸式的仿真环境中，不仅可以高效率完成培训内容。同时，还能规避实景培训中可能面临的装置因失火爆炸、人员因着火受伤、因泄露毒物中毒等情况。

在虚拟现实实验室虚拟环境中，操作者可以根据实训效果，对装置进行无限次重复利用，操作者也能真切感受并参与安全生产，如发现着火并报警、听到泄漏报警、发现人员中毒报警；身临其境的感受因为泄漏着火且火苗越来越多；易爆介质泄漏静电引爆瞬间浓烟滚滚、火光四溅；有毒介质泄漏，有人中毒倒在自己身边等，场景逼真、参与感强、体会深刻，为后续安全操作打下坚实的基础。

5.4 设备培训仿真

虚拟现实技术应用于设备培训，在虚拟现实场景中可以 360°旋转和实时渲染，可以从不同角度观察设备的装配情况；同时，设备组件可以在场景中随意拖拽移动；配以文字和声音介绍，清楚直观的了解设备结构和工作原理。

5.5 培训模式

高校虚拟现实实验室具有基本的培训模式，包括教学演示模式 - 自动演示工艺流程、设备构造、常见事故处理等；练习模式 - 在场景中可以选择单人单角色、单人多角色或多人合作的方式完成培训；考核模式 - 老师可以查看和管理学员状态和数据，设置练习模型和考试模式。

高校化工类虚拟现实实验室，利用虚拟现实技术结合三维化工设计、成熟的 DCS 仿真控制系统和生产运行经验，构建成了适用于化工生产装置培训的虚拟场景，不仅具有沉浸性、交互性和多感知性的基本特征，而且还拥有占地少、成本造价低、重复性强等诸多特点，因此，被广泛应用在企业内部员工培训、化工类专业教学实训之中。