VR技术在污水处理工程中的应用

一、 项目背景

1.1 VR技术简介

VR(Virtual Reality，即虚拟现实)，是综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。其中，计算机生成的、可交互的三维环境成为虚拟环境(Virtual Environment，简称VE)。虚拟现实技术实现的载体是虚拟现实仿真平台 (Virtual Reality Platform，简称VRP)。

VR系统的组成：VR系统主要由计算机软、硬件系统（包括VR软件和VR环境数据库）和VR输入、输出设备等组成。

VR技术具有交互性，指用户对虚拟环境中对象的可操作，并可以从虚拟环境中得到自然反馈。

主要借助于各种设备，如头盔显示器、数据手套等，使用户以自然方式如手势、体势、语言等技能，如同在真实世界中一样操作虚拟环境中的对象。

VR技术的沉浸感，又称临场感，是指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。是VR技术主要的特征。

影响沉浸感的主要因素包括多感知性、自主性、三维图像中的深度信息，画面的视野、实现跟踪的时间或空间响应及交互设备的约束程度等。

1.2 VR技术在教育行业的应用

目前在发达国家，VR在教育领域已得到了广泛的应用。早在1985年，美国国立医学图书馆(NLM)就开始人体解剖图像数字化研究，并利用虚拟人体开展虚拟解剖学、虚拟放射学及虚拟内窥镜学等学科的计算机辅助教学；1992年，马克·英格里伯格和洛宾·比得迪提合作创建了一个虚拟物理实验室，其目标是使它成为具有高度可操作性的实验环境，以便学生们能够在此进行基础物理研究;德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室；西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台；意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室;新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验；1995年，在Internet上出现了“虚拟青蛙解剖”虚拟实验，“实验者”在网络上互相交流、发表自己的见解，甚至可以在屏幕上亲自动手进行解剖，用虚拟手术刀一层层地分离青蛙，观察它的肌肉和骨骼组织，与真正的解剖实验几乎一样，浏览者还能任意调整观察角度、缩放图像。

目前，在我国，虚拟现实技术的开发和研究与发达国家相比还有很大一段距离，但已引起政府有关部门和科学家的高度重视。随着计算机系统工程、计算机图形学等技术的高速发展，虚拟现实技术已经引起我国各界人士的兴趣和重视。九五计划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。国内的一些重点院校,已积极开展了这个领域的研究工作。

1.3 本项目的应用背景

随着VR技术及设备的不断进步，其在影视、GAME等领域的应用已经逐步扩大和普及。在教育领域，目前关于VR+教育的构想已实现，高盛曾作出预测，截至2025年，VR教育产值有望达到7亿美元，并将覆盖K-12（基础教育）和教学软件领域，VR和教育的结合被认为在未来有着巨大的市场。

在环境工程专业的教学领域，教学培养的目标通常包括：胜任污染控制工程的设计及运营管理、以及新工艺和设备的研究和开发等工作。

作为环境工程专业的毕业生，仅仅通过理论学习就进行图纸设计或方案制作，难免有“纸上谈兵”之嫌，而缺乏实际现场感官上的认识，也自然无法具有设计符合实际的工程的底气和信心。

为对实际工程现场有深入的了解，目前大多数院校都是以现场参观的形式，到已经建成并稳定运行的工厂进行参观。但是，在正常运行的工厂中，通常有多重限制，学生往往局限在工程的表象，无法深入构筑物内部，无法从多方位观察设备，也无法深入到危险场景中。

而VR技术本身具备真实、有趣的特性，让枯燥、抽象的图纸转化为丰富、立体的真实环境，成功的打破了空间和时间的限制，并节约了时间和设备成本，提高了教学的品质和效率。

本项目以某真实城市自来水厂为基础，搭建三维虚拟环境，并配套虚拟现实设备(三维眼镜、手套、头盔等)，利用虚拟现实的交互性，为学生再现一个真实、丰富、可交互的自来水厂。

二、       虚拟自来水厂

2.1 虚拟自来水厂的工艺架构

其他可选单元：臭氧消毒，活性炭吸附、电渗析、反渗透等。

2.2 可选功能描述

2.2.1自来水厂基础模型

自来水厂基础模型，是整个水厂的综合体现。也是VR系统的基础配置。其内容为：

根据用户所选择的工艺单元，将每一个工艺单元的外形轮廓按实际工厂项目搭建起来，形成三维空间，可供用户虚拟参观。

每个工艺单元，分别包含：

构筑物/建筑物：内部填料、挡墙、泥斗、出水堰、布水槽；

工艺设备：泵、搅拌机、风机、药剂箱、脱水机、污泥输送机等；

监测仪器：流量计、液位计、压力表、pH计、浊度计等；

附属：爬梯护栏、标示牌、工艺管道（阀门井、阀门、软接头、法兰、管廊）等。

2.2.2自来水厂动态模拟

在1）基础模型中，加入相关联的动作，让学习者借助“手套”，对各个设备进行“操作”，并同时启动相关联的设备，液态及气态的流动模拟等。具体包括：

工艺设备的启停：水泵、风机、搅拌电机、输送机、加氯机等设备的启停；

阀门的启闭：蝶阀、闸阀等的启闭；

流体的控制：与相关的设备启动后，自然呈现水的流动、水位的升高降低、气体的曝气效果、搅拌的漩涡效果等。

2.3 硬件配置方案

2.3.1手机VR方案

设备：主流手机、VR手机眼镜；

优点：硬件费用低，操作简单；

缺点：软件费用高，开发周期长；

操作方式：将手机置于VR手机眼镜内部，通过头部运动来操作眼镜内部视点，视点到达触发点来实现交互。

暴风魔镜

三星Gear

2.3.2大范围定位方案

设备：相应配置电脑、VR头盔、大范围定位系统

优点：空间利用率高

缺点：设备费用高

操作方式：将VR头盔和电脑连接，通过日常肢体动作来完成操作。

2.3.3其他可选硬件配置

1）、设备：高配置电脑、Oculus

优点：空间利用率高，运行稳定

缺点：设备费用高，操作不便

操作方式：将相关设备连接电脑，在规定范围内，通过日常肢体动作来完成操作。

2）、设备：高配置电脑、HTCvive

优点：主流设备，运行稳定

缺点：空间利用率低，设备费用高

操作方式：将相关设备连接电脑，在规定范围内，通过日常肢体动作来完成操作。

实际案例：