自上世紀(jì)60年代以來(lái),日本的高速公路網(wǎng)絡(luò)一直在不斷擴(kuò)展,目前總路程超過(guò)10,000公里。其中,超過(guò)一半的高速公路網(wǎng)絡(luò)已使用超過(guò)30年,道路表面、橋梁和隧道等結(jié)構(gòu)的老化已成為一個(gè)社會(huì)問(wèn)題。隨著出生人口減少,高速公路的維護(hù)和管理工程師數(shù)量日益減少,這成為一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
日本境內(nèi)高速公路中約有4,000公里路段由Nexco-East Engineering公司運(yùn)營(yíng)?紤]到上述情況,他們使用混合現(xiàn)實(shí)(MR)和數(shù)字孿生技術(shù)開(kāi)發(fā)了一個(gè)針對(duì)ETC設(shè)備和隧道緊急設(shè)施的培訓(xùn)應(yīng)用程序,部署于位于群馬縣高崎市的“技術(shù)培訓(xùn)中心(TTC)”。作為一個(gè)高效的教育培訓(xùn)工具,該應(yīng)用為每個(gè)工程師提供必需的知識(shí)和技能,以培養(yǎng)出優(yōu)秀的工程師。
創(chuàng)新MR工具開(kāi)發(fā),提高并標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)員理解水平
大約從10年前開(kāi)始,NEXCO EAST集團(tuán)就預(yù)見(jiàn)了高速公路的老化問(wèn)題和維護(hù)管理的勞動(dòng)力短缺問(wèn)題,因此啟動(dòng)了Smart Maintenance Highway (SMH) 項(xiàng)目以將當(dāng)時(shí)集團(tuán)已掌握的高速公路維護(hù)和管理技術(shù)與ICT技術(shù)相結(jié)合。該項(xiàng)目積極地將數(shù)字化能力應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)操作,推進(jìn)了運(yùn)營(yíng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型(DX)進(jìn)程,例如將基于紙張的繪圖工作轉(zhuǎn)為基于平板電腦的任務(wù),并通過(guò)Microsoft PowerBI分析和利用積累的數(shù)據(jù)。Nexco-East Engineering負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的Hideshima Tetsuo先生(Nexco-East Engineering總經(jīng)理兼總體規(guī)劃經(jīng)理)對(duì)于該項(xiàng)目的策略表示道,”
“通過(guò)全年無(wú)休的檢查和故障排查,Nexco-East Engineering確保司機(jī)能夠安全地使用高速公路。為了持續(xù)地維護(hù)和管理高速公路,對(duì)設(shè)施和結(jié)構(gòu)中的一切細(xì)微變化進(jìn)行徹底地檢查和診斷是至關(guān)重要的。為此,針對(duì)ICT進(jìn)行工作簡(jiǎn)化和節(jié)省人力是必不可少的。”
該公司在2012年啟用了一個(gè)培訓(xùn)設(shè)施TTC,以提高高速公路檢查工程師的工作表現(xiàn)。針對(duì)實(shí)踐培訓(xùn),TTC提供的培訓(xùn)環(huán)境配備有真實(shí)的電力接收和分配設(shè)備、ETC(自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng))設(shè)備,以及與用高速公路的組件完全相同的組件樣品。
關(guān)于該TTC的定位,TTC的總經(jīng)理Masayuki Namiki表示:“每年有超過(guò)1,000名工程師在TTC參與培訓(xùn)項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)培訓(xùn)并通過(guò)內(nèi)部技能檢查系統(tǒng)考核后,他們能成為高速公路的檢查和維護(hù)專(zhuān)家,稱為‘高速公路醫(yī)生’。”
與此同時(shí),隨著技術(shù)進(jìn)步,高速公路的結(jié)構(gòu)和設(shè)施也變得越來(lái)越復(fù)雜。盡管通過(guò)這些培訓(xùn)材料可以獲得實(shí)操學(xué)習(xí)體驗(yàn),但學(xué)員對(duì)機(jī)制和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理解水平也各不相同。這成為T(mén)TC面臨的阻礙學(xué)員技術(shù)水平標(biāo)準(zhǔn)化的一大難題。
在ETC設(shè)備的教育方面,這個(gè)問(wèn)題尤為明顯。“ETC設(shè)備由多個(gè)設(shè)備組成,其操作方式通過(guò)各種材料進(jìn)行講解,例如通過(guò)紙張展示的無(wú)線通信和控制信號(hào)流程圖、PowerPoint幻燈片、由講師通過(guò)粉筆講解,然后再使用實(shí)際的ETC設(shè)備進(jìn)行測(cè)驗(yàn),”Nexco-East Engineering的設(shè)施建設(shè)工作事業(yè)部設(shè)施建設(shè)工作部門(mén)經(jīng)理Yoshitaka Nakamura說(shuō)道。
“然而,理解培訓(xùn)材料之間的關(guān)聯(lián)需要相當(dāng)多的時(shí)間。此外,無(wú)線通信和控制信號(hào)流并非肉眼可見(jiàn),因此,完全取決于學(xué)員的想象力,這造成了學(xué)員理解上的參差不齊。”
鑒于此,公司專(zhuān)注于利用MR(混合現(xiàn)實(shí))和數(shù)字孿生技術(shù),啟動(dòng)了“ETC設(shè)備培訓(xùn)的MR”項(xiàng)目,其想法是將ETC設(shè)備的3D模型以及紅外傳感器、(在現(xiàn)實(shí)中是看不見(jiàn)的)無(wú)線通信和數(shù)據(jù)通信路由與ETC實(shí)踐車(chē)道相結(jié)合,從而讓學(xué)員可以更好、更直觀的理解。
致力于打造易于使用、適用于任何學(xué)員的培訓(xùn)材料,即使沒(méi)有可供參考的實(shí)例
得益于豐富廣泛的數(shù)字孿生和XR領(lǐng)域的成就和經(jīng)驗(yàn),DataMesh與Nexco-East Engineering簽約合作該項(xiàng)目。DataMesh Japan Co., Ltd.市場(chǎng)與銷(xiāo)售總監(jiān)Kensho Kashimada回顧道:“當(dāng)時(shí),至少在日本還沒(méi)有類(lèi)似的嘗試。重點(diǎn)在于,我們?nèi)绾未蛟炷芙o讓任何學(xué)員都輕松理解的MR材料,盡管關(guān)于結(jié)果應(yīng)該是什么樣,在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有一個(gè)確切答案。”
他們?yōu)榇瞬扇〉牡谝徊绞牵捎靡环N基于快速PDCA循環(huán)的敏捷開(kāi)發(fā)方法,而不是從一開(kāi)始就依賴詳細(xì)規(guī)格的瀑布模型開(kāi)發(fā)。“通過(guò)與項(xiàng)目主導(dǎo)部門(mén),以及將來(lái)會(huì)實(shí)際使用該工具的TTC講師們進(jìn)行反復(fù)聽(tīng)證會(huì)議,我們有條不紊地推進(jìn)了開(kāi)發(fā)工作。”Kashimada先生說(shuō)。
他們還接受了TTC實(shí)際用于學(xué)員培訓(xùn)的相同課程,進(jìn)一步獲得對(duì)ETC設(shè)備機(jī)制的知識(shí),并將其應(yīng)用到該系統(tǒng)中。
Kashimada先生表示:“通過(guò)學(xué)習(xí)這些口述和基于2D材料的課程,我們親身經(jīng)歷了要去理解ETC的機(jī)制有多困難。我們也認(rèn)識(shí)到我們努力著手開(kāi)發(fā)的工具的潛在價(jià)值。因此這對(duì)我來(lái)說(shuō)實(shí)在是一個(gè)非常有價(jià)值的過(guò)程。”
隨后,經(jīng)過(guò)約六個(gè)月的開(kāi)發(fā)期,精確的ETC設(shè)備3D模型得以完成制作,與此同時(shí),通過(guò)平板設(shè)備或Microsoft MR設(shè)備“HoloLens2”可見(jiàn)的、使用3D動(dòng)畫(huà)疊加到ETC設(shè)備的“ETC設(shè)備培訓(xùn)的MR”也完成了。
“通常,MR疊加的定位中的SLAM(Simultaneous Localization and Mapping,同時(shí)定位和映射)的準(zhǔn)確性取決于硬件性能。然而,對(duì)于“ETC設(shè)備培訓(xùn)的MR”,我們使用了DataMesh自研發(fā)的數(shù)字孿生平臺(tái)(FactVerse)的SLAM功能,讓多設(shè)備的SLAM準(zhǔn)確性達(dá)到統(tǒng)一水平,”Kashimada先生解釋道。通過(guò)使用一種只加載必要數(shù)據(jù)部分的技術(shù),DataMesh巧妙地實(shí)現(xiàn)了在不依賴設(shè)備性能的情況下疊加大量的3D數(shù)據(jù)。
Kashimada先生表示,這些功能為學(xué)員提供了沉浸式的MR體驗(yàn),沒(méi)有3D動(dòng)畫(huà)錯(cuò)位或卡頓等令人頭疼的情況。
Namiki先生表示:“用言語(yǔ)解釋看不見(jiàn)的東西確實(shí)是一項(xiàng)巨大的工作。但現(xiàn)在數(shù)據(jù)和無(wú)線電波變得可見(jiàn)了,這極大地提高了理解水平。”
一旦習(xí)慣了HoloLens 2的操作感,學(xué)員只需讀取顯示屏上的QR碼就可以調(diào)整位置,無(wú)需進(jìn)行任何復(fù)雜的操作。據(jù)稱,通過(guò)DataMesh提供的僅需一日的培訓(xùn)課程,講師就可以掌握基本的操作方法。
“ETC設(shè)備培訓(xùn)的MR”也被現(xiàn)場(chǎng)操作員所認(rèn)可,并根據(jù)講師的反饋進(jìn)一步完成改進(jìn)。目前,附加功能如重復(fù)回放單個(gè)工作步驟和動(dòng)畫(huà)速度調(diào)整進(jìn)行深入解釋?zhuān)屧摴ぞ咦兊酶佑行А?/p>
充分利用HoloLens 2特性的隧道緊急設(shè)施MR培訓(xùn)
鑒于對(duì)“ETC設(shè)備培訓(xùn)的MR”成功的信心,Nexco-East Engineering迅速展開(kāi)了下一個(gè)培訓(xùn)MR“隧道緊急設(shè)施培訓(xùn)的MR(MR for tunnel emergency facilities training)”的開(kāi)發(fā)。
“鑒于無(wú)法從外部看到針對(duì)在隧道緊急情況的自動(dòng)噴水系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)從,我們疊加了一個(gè)內(nèi)部水流的CG模擬,并開(kāi)發(fā)了用于可視化內(nèi)部情況和操作狀態(tài)的培訓(xùn)材料,” Nakamura先生說(shuō)。
Namiki先生表示:“過(guò)去,我們通過(guò)展示來(lái)自真實(shí)設(shè)備的管道樣品和插圖,進(jìn)行其結(jié)構(gòu)和操作的教授,但我們實(shí)際上并不能讓水流過(guò)它們來(lái)演示這種機(jī)制。此外,不同講師的講解也有所不同。與ETC設(shè)備一樣,學(xué)員之間的理解水平差異是一個(gè)重要問(wèn)題。”
為了解決這一問(wèn)題,DataMesh憑借其在開(kāi)發(fā)ETC設(shè)備培訓(xùn)的MR中收獲的專(zhuān)業(yè)知識(shí),再現(xiàn)了從車(chē)輛起火到澆水的設(shè)備運(yùn)動(dòng),可視化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)并增加了一個(gè)調(diào)整水流3D動(dòng)畫(huà)的透明度的功能,以便學(xué)員可以自由地觀察水如何在管內(nèi)流動(dòng)和停止。逼真的火的3D效果部署也提供了真實(shí)的體驗(yàn)利于增強(qiáng)學(xué)員理解。
最后,這個(gè)用于隧道緊急設(shè)施培訓(xùn)的MR達(dá)到了超出預(yù)期的高質(zhì)量和精確度,即便對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師包括Hideshima先生而言。“從水流到閥門(mén)開(kāi)啟機(jī)制,再到管道背后的活動(dòng),一切都一目了然,易于理解。我再一次感受到了MR的力量。”Hideshima先生說(shuō)。
由于“隧道緊急設(shè)施培訓(xùn)的MR”配備了“模擬再現(xiàn)功能(pseudo reproduction feature)”用于學(xué)習(xí)在任何故障發(fā)生時(shí)的檢查要點(diǎn)和恢復(fù)方法,該MR系統(tǒng)有希望被應(yīng)用于將來(lái)的遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)。
此外,與平板電腦和其他設(shè)備等的連接實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程培訓(xùn),創(chuàng)建了一個(gè)能夠支持更多學(xué)員參與的培訓(xùn)環(huán)境。
最重要的是,與ETC設(shè)備培訓(xùn)的MR相比,“隧道緊急設(shè)施培訓(xùn)的MR”充分發(fā)揮了HoloLens 2的潛力。事實(shí)上,對(duì)于使用使用“ETC設(shè)備培訓(xùn)的MR”進(jìn)行的培訓(xùn),由于HoloLens 2的可見(jiàn)度可能會(huì)因陽(yáng)光強(qiáng)度而惡化,因此輸出設(shè)備主要采用平板電腦。另一方面,隧道緊急設(shè)施是室內(nèi)設(shè)備,不受陽(yáng)光影響。這便是HoloLens 2的用武之地。
Namiki先生說(shuō):““雖然平板電腦需要用雙手握持,但HoloLens 2作為頭戴顯示器則可以釋放雙手,因此,學(xué)員在進(jìn)行MR培訓(xùn)時(shí)可以觸摸設(shè)備。這也使學(xué)員能夠獨(dú)立地回放、暫停和調(diào)整透明度,為根據(jù)每位學(xué)員的理解水平量身定制的培訓(xùn)提供了優(yōu)勢(shì)。”
通過(guò)專(zhuān)業(yè)合作邁向更高效的信息通信技術(shù)(ICT)
在基于數(shù)字孿生和MR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的培訓(xùn)工具后,Nexco-East Engineering已計(jì)劃進(jìn)一步推廣借助ICT來(lái)解決設(shè)施老化和勞動(dòng)力短缺等問(wèn)題。這些計(jì)劃預(yù)計(jì)將進(jìn)一步加快推進(jìn)。
在探索各種場(chǎng)景中的ICT用途可能性時(shí),Nakamura先生說(shuō):“我們有志于進(jìn)一步擴(kuò)大ICT的應(yīng)用范圍,不僅僅是TTC的實(shí)操培訓(xùn),還要拓展到在線培訓(xùn)、OJT培訓(xùn),建立基于實(shí)踐的安全教育體系來(lái)提高現(xiàn)場(chǎng)的安全管理技能,以及遠(yuǎn)程維護(hù)等方面。”
為了建立一個(gè)用于ICT有效使用的系統(tǒng),飽受培訓(xùn)挑戰(zhàn)的Namiki先生表示:“近年來(lái),設(shè)備和設(shè)施變得越來(lái)越復(fù)雜,并且故障越來(lái)越少。這似乎是一件好事,但另一方面,未來(lái)大多數(shù)工程師可能在故障響應(yīng)方面會(huì)缺乏經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)機(jī)成熟時(shí),我們希望建立一個(gè)系統(tǒng),利用ICT的力量來(lái)支持工程師,而不僅依賴經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師。”
另一方面,Hideshima先生對(duì)專(zhuān)業(yè)的合作非常樂(lè)觀。他說(shuō):“盡管我們?cè)诟咚俟芳夹g(shù)方面擁有出色的專(zhuān)業(yè)知識(shí),但我們承認(rèn)無(wú)法完全跟上不斷改進(jìn)的ICT種子和技術(shù)創(chuàng)新。在這方面,我們真的對(duì)與ICT專(zhuān)業(yè)人士包括DataMesh和Microsoft Japan等ICT專(zhuān)家的持續(xù)合作充滿希望。”
基于理想的合作伙伴關(guān)系,高速公路專(zhuān)家和ICT專(zhuān)家共同努力解決問(wèn)題,并相互提供有價(jià)值的技術(shù)和知識(shí)輸入,Nexco-East Engineering將繼續(xù)維護(hù)和提升高速公路的安全性,這是我們現(xiàn)代生活的基本要素之一。
“從水流到閥門(mén)開(kāi)啟機(jī)制,再到管道背后的活動(dòng),一切都一目了然,易于理解。我再一次感受到了MR的力量。”
— Hideshima Tetsuo先生,Nexco-East Engineering的董事總經(jīng)理和計(jì)劃總部主任
“雖然平板電腦需要用雙手握持,但HoloLens 2作為頭戴顯示器則可以釋放雙手,因此,學(xué)員在進(jìn)行MR培訓(xùn)時(shí)可以觸摸設(shè)備。這也使學(xué)員能夠獨(dú)立地回放、暫停和調(diào)整透明度,為根據(jù)每位學(xué)員的理解水平量身定制的培訓(xùn)提供了優(yōu)勢(shì)。”
— Namiki Masayuki先生,Nexco-East Engineering技術(shù)培訓(xùn)中心總經(jīng)理
“我們有志于進(jìn)一步擴(kuò)大ICT的應(yīng)用范圍,不僅僅是TTC的實(shí)操培訓(xùn),還要拓展到在線培訓(xùn)、OJT培訓(xùn),建立基于實(shí)踐的安全教育體系來(lái)提高現(xiàn)場(chǎng)的安全管理技能,以及遠(yuǎn)程維護(hù)等方面。”
— Nakamura Yoshitaka先生,Nexco-East Engineering設(shè)施建設(shè)工作部門(mén)經(jīng)理,設(shè)施建設(shè)工作事業(yè)部
“當(dāng)時(shí),至少在日本還沒(méi)有類(lèi)似的嘗試。重點(diǎn)在于,我們?nèi)绾未蛟炷芙o讓任何學(xué)員都輕松理解的MR材料,盡管關(guān)于結(jié)果應(yīng)該是什么樣,在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有一個(gè)確切答案。”
— Kashimada Kensho先生,DataMesh Japan Co., Ltd.的市場(chǎng)與銷(xiāo)售總監(jiān)
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