數字化雙胞胎技術如何縮小工程師技能差距？

數字化雙胞胎可以幫助保留寶貴的專業知識，並將其轉移給新的控制室和現場執行人員。圖片來源：Honeywell

作者 | Vincent Higgins

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沉浸式現場模擬器（IFS）等數字化雙胞胎技術，可以透過虛擬和混合現實工具來提供一個逼真的培訓環境，以幫助製造企業縮小工程師的技能差距。

”

在當今要求嚴苛的工業環境中，迫切需要透過培訓來幫助工人獲取知識並開發技能，使其能夠勝任工作。如果沒有適當的技術指導，技術人員很容易犯錯誤，從而影響整體運營和業務績效。

行業資料顯示，

在所有工廠事故中，超過四分之一是由於工人不勝任而造成的

。在很多情況下，需要基於對某種情境下裝置的準確瞭解來實現快速響應。壓縮機的喘振、FCC 中的逆流或鍋爐汽包的液位不穩定，都需要採取及時有效的措施，以避免不良後果。

不幸的是，在當前的業務環境中，大多數工業場所都沒有條件進行課堂教學，使得經驗豐富的員工和新員工之間的知識轉移變得更加困難。隨著技術日益複雜，經驗豐富的勞動力即將退休，工廠需要能夠準確描述真實環境的有效的培訓解決方案。傳統的培訓方法往往無法幫助控制盤臺和現場操作人員以及維護技術人員更好地完成工作，這可能會造成執行不可靠以及計劃外停機。

“對於數字化時代的新生勞動力來講，沉浸式現場模擬器是一種首選的培訓方法，這些勞動力正在承擔工廠車間很多複雜的工作職責。”

現代培訓模擬系統的進步

在大規模工業應用中，製造商長期以來一直使用操作員培訓模擬系統（OTS）培訓過程操作人員。這些模擬器用於指導廣泛的操作程式，傳授基本的過程理解、維護和提高職業技能。

現代操作員培訓模擬系統解決方案，結合了動態過程模擬、模擬控制系統和複製介面，以重現工廠實際的外觀、感覺和行為。這是最佳化過程和獲得運營經驗的有效手段。模擬為指導新的工作場景提供了一個受保護的區域，而且可以隨時重新學習。

操作員培訓模擬系統還採用數字化雙胞胎技術，在虛擬環境中複製物理過程和資產。這種方法提供了最接近真實控制系統的虛擬影象，該模型具有所有元件、特性、功能和引數的真實模擬模型。

過程專家開發的數字化雙胞胎模型，有助於儲存寶貴的專業知識，並將其傳授給控制室和現場執行人員。

數字化雙胞胎模型可以是靜態或動態的高保真過程模型；動態控制系統模型；或者從 CAD 圖紙、光探測和測距（LIDAR）掃描，甚至使用數字演算法拍攝的照片建立的三維空間模型。

數字化雙胞胎助力工業培訓

使用數字化雙胞胎模型，製造企業可以透過培訓課程實現：

熟悉佈局，包括主要裝置的位置和應急裝置識別；

儀表、控制和安全閥以及啟動 / 停止電機的線路跟蹤和位置；

啟動、關閉、故障和正常操作；

巡查和取樣程式；

上鎖掛牌（LOTO）和裝置隔離。

作為持續努力的結果，一種新型數字化雙胞胎將工廠的 3D 物理孿生與過程的數學孿生相結合，以在典型工業設施內增強對多個角色的培訓。該技術在高效、可控和安全的學習環境中，將實際工廠體驗帶給受訓人員。

基於 VR 和 MR 的沉浸式培訓

多年來，控制室人員接受了全面的培訓，而現場工作人員則只能依靠實際操作來熟悉工作職能。隨著新的沉浸式模擬技術的出現，這種情況也在發生變化，現場執行和技術人員團隊能夠透過虛擬對講機進行互動，並獲得與在控制室工作站同行類似的培訓體驗。沉浸式現場模擬器（IFS），一種可提供基於虛擬現實（VR）/ 混合（MR）的培訓解決方案，有助於更好地培訓現場的工作人員。

沉浸式現場模擬器可以將控制盤臺執行人員的模擬培訓，擴充套件到現場操作人員，以獲得可靠、真實和沉浸式的協作培訓體驗。這使運營公司能夠在提高安全性的同時提高工人的技能，從而最大限度地提高工廠的整體績效。

根據普華永道最近的一項研究，VR 學習的速度是傳統課堂教學的 4 倍，專注度是電子化學習方式的 4 倍。它還使受訓者在現實世界中工作的信心提高了 300%。與現有的電子化學習技術相比，視覺和聽覺培訓使 VR 學習更接近於真實的“實踐”。

沉浸式現場模擬器的設計是數字化雙胞胎技術多年發展以及過程製造領域數十年經驗的結晶。該模擬機透過數字化雙胞胎和經驗驅動的洞察力嵌入行業技能，以推動資訊的應用，超越傳統大資料庫的解決方案。

一些自動化供應商已經提供了操作員培訓模擬器，以複製工業控制室環境的功能和活動。然而，這種基於培訓的控制室並不與實際生產操作相聯絡，而是與過程和資產的數字雙胞胎模型相連線。

有了沉浸式現場模擬器，同樣的數字化雙胞胎可以與三維世界的數字化雙胞胎配對——基本上包括了工廠本身的細節，如扶手、梯子和樓梯，以及泵、壓縮機和管道等資產。這些複製物與數學過程模型相連，因此，在虛擬世界中轉動閥門等動作也會改變後端數字化雙胞胎中的變數。這些功能被連線到控制室的培訓模擬器。

沉浸式現場模擬器軟體使用常見的沉浸式遊戲技術，來建立工廠的物理、三維數字化雙胞胎。這種方法適用於任何具有 3D CAD 工程圖或鐳射掃描影象的設施。3D 工廠數字化雙胞胎可以與工廠過程和資產的數字化雙胞胎相結合。

沉浸式現場模擬器的設計，最初側重於培訓與工業運營過程控制方面相關的人員；後來則圍繞在工廠中可能發生的維護、可靠性和安全場景上。模擬機的 3D 沉浸式建模環境與傳統操作員培訓模擬系統的整合，使現場和盤臺執行人員能夠在安全的環境中一起培訓，學習有效運營所必不可少的協作技能。

沉浸式培訓的實施

與飛行員使用飛行模擬機練習起飛和著陸的方式相似，沉浸式培訓模擬器可提供流暢的虛擬演練，讓員工熟悉在日常工作中可能會遇到的操作。與傳統培訓方法相比，這種方法有助於提高技能保留率，並縮短技術培訓的時間。

作為基於雲的解決方案，沉浸式現場模擬器可以應對在煉油廠、石化廠和其它加工工業設施中典型過程和資產的頻繁變化。雲技術的應用簡化了後端數字化雙胞胎的更新，以更好的反映工廠和現場的當前配置。因此，培訓部門可以在更換裝置等方面加強變更管理。這種能力在較舊的、動態性較差的技術中幾乎是不可能實現的。

此外，作為沉浸式現場模擬器一部分的講師門戶介面，允許培訓主管和講師在 3D 環境和執行人員培訓模擬器中構建自定義培訓模組，而無需編碼。

沉浸式現場模擬器

旨在成為一個與硬體無關的可擴充套件平臺，以適應未來 VR 和 MR 技術的發展。在這種情況下，MR 介於沉浸式和增強現實（AR）之間。它融合了完全沉浸式且獨立於受訓者實際物理環境的 VR 以及將影象疊加在現實世界上的 AR。

藉助沉浸式現場模擬技術，工廠可以使用全息計算機和混合現實頭盔來模擬各種場景（例如主要故障和切換，以及電纜和電源故障等），來培訓和測試人員的技能。

受訓者可以坐在模擬器前，和在現實世界中一樣，完成維修或維護活動的各個步驟，然後就可以到現場對物理裝置準確地執行相同的程式。例如，透過 MR 技術可構建全息圖，使學員能夠在教室中練習對大型壓縮機的操作。學生操作手中的控制器，以非常真實的 3D 方式與裝置進行互動。該解決方案還包含聲音報警、執行泵等，以增加教學體驗的真實感。

對於數字化時代的新生勞動力來講，沉浸式現場模擬器是一種首選的培訓方法，這些勞動力正在承擔工廠車間很多複雜的工作職責。傳統的課堂學習和電子化學習技術，對於新一代員工來說通常是低效的。有經驗人員的大量退休，年輕員工對關鍵領域專業知識的缺乏，造成了知識技能的差距。美國國家培訓實驗室的一項研究表明，VR 學習的保留率約為 75%，這在一定程度上有助於彌補技能差距。

在日益嚴格的監管環境中，製造企業追求更高的效率和更大的安全性，這促使工廠所有者考慮新的方法來加強對其人員的培訓。開發數字化雙胞胎解決方案以解決資產績效管理問題，並將關鍵資產的健康狀態和效能與當今存在的 3D 數字化雙胞胎關聯起來，將有助於企業提高運維效率。

與裝置資產不同，人員是流動的，是工廠安全和生產力的關鍵推動因素。他們的技能因人而異，每個人學習和保留知識的方式都不同。新一代沉浸式現場模擬器軟體結合了 VR 和 MR，可為工廠執行人員和現場技術人員提供詳細、準確的培訓環境，並有助於縮短傳統課堂學習之外的培訓時間，最大限度地減少可能導致運營停機的情況。

關鍵概念：

■ 沉浸式現場模擬器提供基於 VR/MR 的培訓解決方案。

■ 採用 VR 學習的速度是傳統課堂教學的 4 倍。

■ 虛擬現實模擬器可提供詳細準確的培訓環境，複製實際工廠環境的外觀和感覺。

思考一下：

貴工廠可以從哪些方面獲益於數字化雙胞胎和虛擬現實模擬器？

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