利用MR和數(shù)字孿生技術(shù)提升工程師培訓(xùn)效率，確保高速公路安全

    自上世紀(jì)60年代以來，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10,000公里。其中，超過一半的高速公路網(wǎng)絡(luò)已使用超過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�？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工具開發(fā)，提高并標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)員理解水平

    大約從10年前開始，NEXCO EAST集團(tuán)就預(yù)見了高速公路的老化問題和維護(hù)管理的勞動(dòng)力短缺問題，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)場操作，推進(jìn)了運(yùn)營的數(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，”

    “通過全年無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1,000名工程師在TTC參與培訓(xùn)項(xiàng)目。經(jīng)過培訓(xùn)并通過內(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)施也變得越來越復(fù)雜。盡管通過這些培訓(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TTC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)問題尤為明顯�！癊TC設(shè)備由多個(gè)設(shè)備組成，其操作方式通過各種材料進(jìn)行講解，例如通過紙張展示的無線通信和控制信號(hào)流程圖、PowerPoint幻燈片、由講師通過粉筆講解，然后再使用實(shí)際的ETC設(shè)備進(jìn)行測驗(yàn)，”Nexco-East Engineering的設(shè)施建設(shè)工作事業(yè)部設(shè)施建設(shè)工作部門經(jīng)理Yoshitaka Nakamura說道。

    “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，無線通信和控制信號(hào)流并非肉眼可見，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)中是看不見的）無線通信和數(shù)據(jù)通信路由與ETC實(shí)踐車道相結(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.市場與銷售總監(jiān)Kensho Kashimada回顧道：“當(dāng)時(shí)，至少在日本還沒有類似的嘗試。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)并沒有一個(gè)確切答案�！�

    他們?yōu)榇瞬扇〉牡谝徊绞�，采用一種基于快速PDCA循環(huán)的敏捷開發(fā)方法，而不是從一開始就依賴詳細(xì)規(guī)格的瀑布模型開發(fā)�！巴ㄟ^與項(xiàng)目主導(dǎo)部門，以及將來會(huì)實(shí)際使用該工具的TTC講師們進(jìn)行反復(fù)聽證會(huì)議，我們有條不紊地推進(jìn)了開發(fā)工作�！盞ashimada先生說。

    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)到我們努力著手開發(fā)的工具的潛在價(jià)值。因此這對(duì)我來說實(shí)在是一個(gè)非常有價(jià)值的過程�！�

    隨后，經(jīng)過約六個(gè)月的開發(fā)期，精確的ETC設(shè)備3D模型得以完成制作，與此同時(shí)，通過平板設(shè)備或Microsoft MR設(shè)備“HoloLens 2”可見的、使用3D動(dòng)畫疊加到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)，沒有3D動(dòng)畫錯(cuò)位或卡頓等令人頭疼的情況。

    Namiki先生表示：“用言語解釋看不見的東西確實(shí)是一項(xiàng)巨大的工作。但現(xiàn)在數(shù)據(jù)和無線電波變得可見了，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，無需進(jìn)行任何復(fù)雜的操作。據(jù)稱，通過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)畫速度調(diào)整進(jìn)行深入解釋，讓該工具變得更加有效。

    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）”的開發(fā)。

    “鑒于無法從外部看到針對(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。

    Namiki先生表示：“過去，我們通過展示來自真實(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它們來演示這種機(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)重要問題�！�

    為了解決這一問題，DataMesh憑借其在開發(fā)ETC設(shè)備培訓(xùn)的MR中收獲的專業(yè)知識(shí)，再現(xiàn)了從車輛起火到澆水的設(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。“從水流到閥門開啟機(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�！盚ideshima先生說。

    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的可見度可能會(huì)因陽光強(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，不受陽光影響。這便是HoloLens 2的用武之地。

    Namiki先生說：““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。”

    通過專業(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來解決設(shè)施老化和勞動(dòng)力短缺等問題。這些計(jì)劃預(yù)計(jì)將進(jìn)一步加快推進(jìn)。

    在探索各種場景中的ICT用途可能性時(shí)，Nakamura先生說：“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提高現(xiàn)場的安全管理技能，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，設(shè)備和設(shè)施變得越來越復(fù)雜，并且故障越來越少。這似乎是一件好事，但另一方面，未來大多數(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)專業(yè)的合作非常樂觀。他說：“盡管我們在高速公路技術(shù)方面擁有出色的專業(yè)知識(shí)，但我們承認(rèn)無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專業(yè)人士包括DataMesh和Microsoft Japan等ICT專家的持續(xù)合作充滿希望�！�

    基于理想的合作伙伴關(guān)系，高速公路專家和ICT專家共同努力解決問題，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。

    “從水流到閥門開啟機(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�！�

    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提高現(xiàn)場的安全管理技能，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)，至少在日本還沒有類似的嘗試。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)并沒有一個(gè)確切答案。”

    Kashimada Kensho先生，DataMesh Japan Co., Ltd.的市場與銷售總監(jiān)

    本文原文以英文撰寫并首發(fā)于微軟官網(wǎng)此處。