Виртуальная реальность ускорит обучение
В 2020-2022 гг. в СПбПУ при содействии ПАО «Газпром» созданы три виртуальные обучающие системы на основе VR-технологий. Журнал «Наука.Политех» расспросил разработчиков проекта об истории создания и значении разработки.
Три виртуальные лаборатории с возможностью интерактивного взаимодействия были созданы сотрудниками Лаборатории «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ при активном участии целевых подразделений университета в рамках «Программы повышения качества образования и подготовки кадров на 2020–2021 и 2021-2022 учебный год ПАО «Газпром»/ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого».
Текст: Олег Путин
Использование виртуальной реальности – новый тренд в развитии технологий в обучении. Почему это эффективно? Виртуальная реальность создает эффект присутствия и предусматривает активные осознанные действия. Обучение в виде компьютерной игры очень популярно среди молодежи. Формат edutainment – обучение через развлечение – активно применяется во всем в мире. С точки зрения психологии это вполне обоснованно, так как используется три вида памяти: зрительная, моторная и слуховая. Поэтому полученные знания надежно усваиваются.
Виртуальная реальность упрощает обучение. Студенты в VR изучают работу оборудования, учатся им управлять, видят результаты своих действий. Особенно это актуально при изучении опасного либо дорогостоящего оборудования, чтобы студенты не подвергли себя опасности и не повредили его. При появлении новейшего оборудования программу можно быстро обновить.
Виртуальная компрессорная лаборатория
Александр Олегович Купцов, программист лаборатории «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ:
— Идею создания виртуальных лабораторий, наглядно демонстрирующих работу различных технических систем, высказали представители ПАО «Газпром», которые были заинтересованы в том, чтобы повысить уровень подготовки своих будущих сотрудников. Так как невозможно обучать студентов на действующем производстве, нам поставили задачу – создать программу, с помощью которой студенты смогут проводить лабораторные работы на виртуальных моделях реального оборудования.
В прошлом году мы выполнили первый, пилотный проект по созданию виртуальной модели компрессорных установок. Специалисты лаборатории «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ и Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики СПбПУ в сотрудничестве с Лабораторией «Моделирование технологических процессов и проектирование энергетического оборудования» Центра НТИ СПбПУ создали цифровые двойники компрессорного оборудования винтового, поршневого и центробежного типов в виртуальной среде (детализированная 3D-модель оборудования с интерактивными элементами управления).
Проект состоял из трех этапов. На первом провели оцифровку реального оборудования, также оцифровали учебный диспетчерский пульт. На втором этапе разработали математическую модель оборудования для расчета режимов его работы и генерации измеряемых значений. Математическую модель создали упрощенную, так как невозможно воссоздать абсолютно все варианты физических процессов. Были реализованы различные экстраполяции, которые позволили воссоздать полный цикл работы компрессоров со всеми входными и выходными данными. Цифры можно наблюдать как в самом приложении виртуальной реальности, так и в сформированных по итогам практической работы отчетных документах. Это позволяет проводить во время выполнения лабораторной работы измерения и эксперименты в полном объеме, как и на реальной установке. У преподавателя есть возможность вести интерактивный диалог со студентом. Например:
— Что случится, если покрутить этот регулировочный винт?
— Изменится противодавление.
— На что это повлияет? Насколько изменится давление? В каких точках?
Студент поворачивает регулировочный винт, наблюдает за виртуальными датчиками, установленными на пяти ключевых точках компрессора, и дает ответ. Общение с преподавателем идет не абстрактное, как во время классического зачета, а предметное, основанное на реальных цифрах. Усвоение материала – 100%.
На третьем этапе мы подготовили программу к работе в виртуальной реальности. По сути, создали весь интерактив, который позволяет взаимодействовать с оборудованием в виртуальной среде. Например, можно подходить к пульту и компрессорам, крутить регулировочные винты, изменять положение заслонки и задвижки, нажимать кнопки. Такое погружение в реальную ситуацию дает возможность для практической подготовки студента и понимания принципов работы на конкретном оборудовании.
Виртуальная лаборатория – это программа, которая запускается на компьютере, к которому подключается VR-комплект: очки виртуальной реальности и два контроллера. Все это можно запустить в любой аудитории. Чем больше помещение, где запускается программа, тем «реальней» будет погружение за счет того, что можно реально пройтись пешком, например, от пульта управления к компрессору. Если пользователь ограничен в пространстве, он может использовать специальные инструменты, позволяющие перемещаться внутри цифровой модели, в реальности оставаясь на месте. Очень важно, что система не привязана к определенному оборудованию, к программе можно подключить любые VR-очки.
Программу подготовили в двух версиях – для использования с VR-комплектом (очки, контроллеры) и для использования на ноутбуке, поскольку VR-оборудование есть не у всех. Версия для виртуальной реальности более эффектна, но компьютерная предоставляет не меньше возможностей и также отлично подходит для обучения.
Проект позволяет рассмотреть не только принципы работы компрессора, но и его устройство. Есть возможность виртуально «разобрать» модель на составные части и изучать ее компоненты по отдельности благодаря возможности перемещения вокруг разобранной конструкции и всплывающим подсказкам, которыми снабжена каждая деталь.
Самое важное преимущество – лабораторные работы студенты могут вести в удаленном формате, что важно, например, во время эпидемии коронавируса.
Это был пилотный проект. Заказчикам из ПАО «Газпром» он понравился. Поэтому следом появилось еще два проекта: Виртуальная модель гидропривода и Цифровые стенды для лабораторных работ по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности».
Александр Александрович Дроздов, старший научный сотрудник лаборатории «Моделирование технологических процессов и проектирование энергетического оборудования» Центра НТИ СПбПУ, доцент Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики СПбПУ:
«В 2021 году при реализации проекта опорных университетов ПАО «Газпром» — СПбПУ на базе Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики был создан Центр коллективного пользования «Технологии и транспорт газа» ПАО «Газпром». При формировании его концепции возникло желание реализовать такое новое и модное направление методики обучения, как VR-программы. Было интересно, насколько удачно впишутся новые технологии в процесс обучения студентов и как это будет ими воспринято.
За полгода применения разработки мы получили отличный результат, который сподвиг нас в 2022 году вместе с Лабораторией «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ подать заявку на дальнейшее усовершенствование имеющихся лабораторных. Мы планируем создать учебный виртуально-демонстрационный комплекс «Обслуживание, поиск неисправностей и техника безопасности газоперекачивающих агрегатов и технологического оборудования».
С одной стороны, формат виртуального обучения привлекателен для молодежи, которая поступает к нам на обучение, а с другой — позволяет проводить такие обучения в выездном формате, например, для школьников старших классов или студентов других вузов, что было бы невозможно в случае проведения лабораторных работ на «железе».
Лаборатория центробежного компрессора. Общий вид
- Проект виртуальной компрессорной лаборатории реализован с целью совершенствования образовательного процесса по профильным для ПАО «Газпром» направлениям подготовки в Высшей школе энергетического машиностроения в рамках Программы повышения качества образования и подготовки кадров ПАО «Газпром» / ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого».
- Руководитель проекта: заведующий Лабораторией «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ М.В. Болсуновская.
- Руководитель группы разработки: программист Лаборатории «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ А.О. Купцов.
Программа «Виртуальная модель гидропривода», зал для проведения лабораторных работ
«Современное образование должно совмещать изучение реальных и виртуальных машин. Несмотря на кажущиеся, на первый взгляд, недостатки виртуального образования, через виртуальные модели можно реализовать самые современные решения конструкций машин потому, что ни один натурный образец учебного стенда не может угнаться за быстрым развитием промышленности. Но для качественного виртуального образования необходимо создавать профессиональные модели оборудования. Они будут полезны и студентам, и специалистам при повышении квалификации».
Название проекта: Разработка и внедрение в образовательный процесс виртуальных лабораторных работ по гидравлике и гидропневмоприводу механизмов машин. Реализован в рамках Программы повышения качества образования и подготовки кадров на 2021-2022 гг. ПАО «Газпром»/ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого». Мероприятие № 17 «Модернизация лабораторной базы Высшей школы транспорта СПбПУ».
Цифровые модели стендов по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности»
Андрей Алексеевич Кузьмичев, главный инженер проекта Лаборатории «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ:
Виртуальная лаборатория предназначена для дистанционного выполнения студентами лабораторных работ по направлению «Безопасность жизнедеятельности». На каждом этапе в проекте принимали участие преподаватели и студенты Высшей школы техносферной безопасности Инженерно-строительного института СПбПУ.
Лаборатория представляет собой комплекс виртуального оборудования для замеров уровня шума, микроклимата и освещения в рабочем помещении, а также для замеров концентрации загрязняющих веществ, влияющих на состояние окружающей среды на промышленном объекте на примере компрессорной станции.
На первом этапе было оцифровано оборудование для лабораторных работ: люксметр, шумомер, флотатор, метеоскоп, различные звукоизолирующие кожухи. Также создали пульт управления. Далее для эмуляции работы измерительных приборов в VR-пространстве совместно со специалистами Высшей школы техносферной безопасности была разработана упрощенная математическая модель. К полученным 3D-моделям привязали интерактивные элементы управления.
Затем были разработаны виртуальные сценарии работы с различными видами оборудования. По завершению работы с программой пользователи получают автоматически сгенерированные отчеты и протоколы.
Алексей Игоревич Ульянов, старший преподаватель Высшей школы техносферной безопасности Инженерно-строительного института СПбПУ:
«VR-технологии позволяют перенести студента в реальную обстановку производственного помещения с его опасными и вредными факторами, где он может проверить свои знания на практике самостоятельно, без участия преподавателя. Виртуальное пространство дает возможность детально проанализировать действия студента в процессе лабораторной работы, что значительно повышает эффективность образовательного процесса».
Прототипное помещение для замеров (компрессорная станция)
Название проекта: Разработка и внедрение в образовательный процесс виртуальных лабораторных работ по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности». Реализован в рамках Программы повышения качества образования и подготовки кадров на 2021-2022 учебный год ПАО «Газпром»/ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого». Мероприятие № 13 «Модернизация лабораторной базы Высшей школы техносферной безопасности Инженерно-строительного института СПбПУ»
Руководитель проекта: заведующий Лабораторией «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ М.В. Болсуновская.
Руководитель группы разработки: главный инженер проекта Лаборатории «Промышленные системы потоковой обработки данных» Центра НТИ СПбПУ А.А. Кузьмичев.
Николай Иванович Снегирев, заместитель руководителя Дирекции непрерывного образования и маркетинговых коммуникаций СПбПУ, куратор Программы повышения качества образования и подготовки кадров ПАО «Газпром» / СПбПУ.
Если в 2020 и 2021 году мы предлагали ПАО «Газпром» проекты внедрения VR и цифровых моделей, пробуя их в разных направлениях подготовки, то уже в этом году коллеги попросили отдельно представить в программе разработки в этой части, так как результат их приятно удивил. С другой стороны, мы наблюдаем и интерес со стороны подразделений, основанный на результатах внедрения пилотных проектов. Из перспектив и преимуществ мы, в свою очередь, рассматриваем адаптацию разработок для дополнительного образования школьников и программ повышения квалификации, как очных, так и дистанционных.
Перспективы внедрения VR в промышленности
Александр Олегович Купцов:
— Мы накапливаем опыт и используем его при проектировании в других отраслях на различных видах оборудования. Ближайшая перспектива – создание обучающих VR-программ для подготовки специалистов на Северной электростанции в Санкт-Петербурге.
На VR-тренингах очень хорошо можно отработать разные сценарии, последовательность действий при выполнении различных задач. Если какое-то действие не выполнено или выполнено неправильно, в другой последовательности, то это сразу будет зафиксировано в системе.
Уникальным для VR-тренинга является отработка возможных аварийных ситуаций. Например, смоделировать какие-то внештатные поломки или пожар (ведь на предприятии невозможно поджечь цех и сказать – вот, тренируйтесь). В VR-пространстве можно все смоделировать и обучить сотрудников действиям в любой экстремальной ситуации.
В дальнейшем планируем создание программ управления типовым циклом производства сжиженного природного газа (СПГ), типовым циклом УКПГ (комплексная подготовка газа) и диспетчеризации работы магистральных газопроводов ПАО «Газпром».
На выставке Иннопром-2022 в Екатеринбурге наши коллеги из Казахстана демонстрировали VR-инструкцию по эксплуатации грузовых автомобилей «Белаз». Это специальное VR-пространство. Надев VR-очки, водитель-практикант меняет, например, генератор. Мы предложили им добавить к программе нейросети и историю каждой детали. После этого программа сможет подсказывать водителю, когда нужно поменять ту или иную деталь, сделать плановое техобслуживание, заранее заказать необходимые комплектующие.
Многие компании заинтересовались нашими возможностями в виртуальной реальности. Это современный уровень работы. За этими разработками – будущее!
