利用MR和数字孪生技术提升工程师培训效率，确保高速公路安全

    自上世纪60年代以来，日本的高速公路网络一直在不断扩展，目前总路程超过10,000公里。其中，超过一半的高速公路网络已使用超过30年，道路表面、桥梁和隧道等结构的老化已成为一个社会问题。随着出生人口减少，高速公路的维护和管理工程师数量日益减少，这成为一个重大挑战。

    日本境内高速公路中约有4,000公里路段由Nexco-East Engineering公司运营。考虑到上述情况，他们使用混合现实（MR）和数字孪生技术开发了一个针对ETC设备和隧道紧急设施的培训应用程序，部署于位于群马县高崎市的“技术培训中心（TTC）”。作为一个高效的教育培训工具，该应用为每个工程师提供必需的知识和技能，以培养出优秀的工程师。

    创新MR工具开发，提高并标准化学员理解水平

    大约从10年前开始，NEXCO EAST集团就预见了高速公路的老化问题和维护管理的劳动力短缺问题，因此启动了Smart Maintenance Highway (SMH) 项目以将当时集团已掌握的高速公路维护和管理技术与ICT技术相结合。该项目积极地将数字化能力应用到现场操作，推进了运营的数字化转型（DX）进程，例如将基于纸张的绘图工作转为基于平板电脑的任务，并通过Microsoft PowerBI分析和利用积累的数据。Nexco-East Engineering负责该项目的Hideshima Tetsuo先生（Nexco-East Engineering总经理兼总体规划经理）对于该项目的策略表示道，”

    “通过全年无休的检查和故障排查，Nexco-East Engineering确保司机能够安全地使用高速公路。为了持续地维护和管理高速公路，对设施和结构中的一切细微变化进行彻底地检查和诊断是至关重要的。为此，针对ICT进行工作简化和节省人力是必不可少的。”

    该公司在2012年启用了一个培训设施TTC，以提高高速公路检查工程师的工作表现。针对实践培训，TTC提供的培训环境配备有真实的电力接收和分配设备、ETC（自动收费系统）设备，以及与用高速公路的组件完全相同的组件样品。

    关于该TTC的定位，TTC的总经理Masayuki Namiki表示：“每年有超过1,000名工程师在TTC参与培训项目。经过培训并通过内部技能检查系统考核后，他们能成为高速公路的检查和维护专家，称为‘高速公路医生’。”

    与此同时，随着技术进步，高速公路的结构和设施也变得越来越复杂。尽管通过这些培训材料可以获得实操学习体验，但学员对机制和内部结构的理解水平也各不相同。这成为TTC面临的阻碍学员技术水平标准化的一大难题。

    在ETC设备的教育方面，这个问题尤为明显。“ETC设备由多个设备组成，其操作方式通过各种材料进行讲解，例如通过纸张展示的无线通信和控制信号流程图、PowerPoint幻灯片、由讲师通过粉笔讲解，然后再使用实际的ETC设备进行测验，”Nexco-East Engineering的设施建设工作事业部设施建设工作部门经理Yoshitaka Nakamura说道。

    “然而，理解培训材料之间的关联需要相当多的时间。此外，无线通信和控制信号流并非肉眼可见，因此，完全取决于学员的想象力，这造成了学员理解上的参差不齐。”

    鉴于此，公司专注于利用MR（混合现实）和数字孪生技术，启动了“ETC设备培训的MR”项目，其想法是将ETC设备的3D模型以及红外传感器、（在现实中是看不见的）无线通信和数据通信路由与ETC实践车道相结合，从而让学员可以更好、更直观的理解。

    致力于打造易于使用、适用于任何学员的培训材料，即使没有可供参考的实例

    得益于丰富广泛的数字孪生和XR领域的成就和经验，DataMesh与Nexco-East Engineering签约合作该项目。DataMesh Japan Co., Ltd.市场与销售总监Kensho Kashimada回顾道：“当时，至少在日本还没有类似的尝试。重点在于，我们如何打造能给让任何学员都轻松理解的MR材料，尽管关于结果应该是什么样，在当时并没有一个确切答案。”

    他们为此采取的第一步是，采用一种基于快速PDCA循环的敏捷开发方法，而不是从一开始就依赖详细规格的瀑布模型开发。“通过与项目主导部门，以及将来会实际使用该工具的TTC讲师们进行反复听证会议，我们有条不紊地推进了开发工作。”Kashimada先生说。

    他们还接受了TTC实际用于学员培训的相同课程，进一步获得对ETC设备机制的知识，并将其应用到该系统中。

    Kashimada先生表示：“通过学习这些口述和基于2D材料的课程，我们亲身经历了要去理解ETC的机制有多困难。我们也认识到我们努力着手开发的工具的潜在价值。因此这对我来说实在是一个非常有价值的过程。”

    随后，经过约六个月的开发期，精确的ETC设备3D模型得以完成制作，与此同时，通过平板设备或Microsoft MR设备“HoloLens 2”可见的、使用3D动画叠加到ETC设备的“ETC设备培训的MR”也完成了。

    “通常，MR叠加的定位中的SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，同时定位和映射）的准确性取决于硬件性能。然而，对于“ETC设备培训的MR”，我们使用了DataMesh自研发的数字孪生平台（FactVerse）的SLAM功能，让多设备的SLAM准确性达到统一水平，”Kashimada先生解释道。通过使用一种只加载必要数据部分的技术，DataMesh巧妙地实现了在不依赖设备性能的情况下叠加大量的3D数据。

    Kashimada先生表示，这些功能为学员提供了沉浸式的MR体验，没有3D动画错位或卡顿等令人头疼的情况。

    Namiki先生表示：“用言语解释看不见的东西确实是一项巨大的工作。但现在数据和无线电波变得可见了，这极大地提高了理解水平。”

    一旦习惯了HoloLens 2的操作感，学员只需读取显示屏上的QR码就可以调整位置，无需进行任何复杂的操作。据称，通过DataMesh提供的仅需一日的培训课程，讲师就可以掌握基本的操作方法。

    “ETC设备培训的MR”也被现场操作员所认可，并根据讲师的反馈进一步完成改进。目前，附加功能如重复回放单个工作步骤和动画速度调整进行深入解释，让该工具变得更加有效。

    充分利用HoloLens 2特性的隧道紧急设施MR培训

    鉴于对“ETC设备培训的MR”成功的信心，Nexco-East Engineering迅速展开了下一个培训MR“隧道紧急设施培训的MR（MR for tunnel emergency facilities training）”的开发。

    “鉴于无法从外部看到针对在隧道紧急情况的自动喷水系统的内部结构从，我们叠加了一个内部水流的CG模拟，并开发了用于可视化内部情况和操作状态的培训材料，” Nakamura先生说。

    Namiki先生表示：“过去，我们通过展示来自真实设备的管道样品和插图，进行其结构和操作的教授，但我们实际上并不能让水流过它们来演示这种机制。此外，不同讲师的讲解也有所不同。与ETC设备一样，学员之间的理解水平差异是一个重要问题。”

    为了解决这一问题，DataMesh凭借其在开发ETC设备培训的MR中收获的专业知识，再现了从车辆起火到浇水的设备运动，可视化了内部结构并增加了一个调整水流3D动画的透明度的功能，以便学员可以自由地观察水如何在管内流动和停止。逼真的火的3D效果部署也提供了真实的体验利于增强学员理解。

    最后，这个用于隧道紧急设施培训的MR达到了超出预期的高质量和精确度，即便对经验丰富的工程师包括Hideshima先生而言。“从水流到阀门开启机制，再到管道背后的活动，一切都一目了然，易于理解。我再一次感受到了MR的力量。”Hideshima先生说。

    由于“隧道紧急设施培训的MR”配备了“模拟再现功能（pseudo reproduction feature）”用于学习在任何故障发生时的检查要点和恢复方法，该MR系统有希望被应用于将来的远程维护系统。

    此外，与平板电脑和其他设备等的连接实现了远程培训，创建了一个能够支持更多学员参与的培训环境。

    最重要的是，与ETC设备培训的MR相比，“隧道紧急设施培训的MR”充分发挥了HoloLens 2的潜力。事实上，对于使用使用“ETC设备培训的MR”进行的培训，由于HoloLens 2的可见度可能会因阳光强度而恶化，因此输出设备主要采用平板电脑。另一方面，隧道紧急设施是室内设备，不受阳光影响。这便是HoloLens 2的用武之地。

    Namiki先生说：““虽然平板电脑需要用双手握持，但HoloLens 2作为头戴显示器则可以释放双手，因此，学员在进行MR培训时可以触摸设备。这也使学员能够独立地回放、暂停和调整透明度，为根据每位学员的理解水平量身定制的培训提供了优势。”

    通过专业合作迈向更高效的信息通信技术（ICT）

    在基于数字孪生和MR技术实现了高质量的培训工具后，Nexco-East Engineering已计划进一步推广借助ICT来解决设施老化和劳动力短缺等问题。这些计划预计将进一步加快推进。

    在探索各种场景中的ICT用途可能性时，Nakamura先生说：“我们有志于进一步扩大ICT的应用范围，不仅仅是TTC的实操培训，还要拓展到在线培训、OJT培训，建立基于实践的安全教育体系来提高现场的安全管理技能，以及远程维护等方面。”

    为了建立一个用于ICT有效使用的系统，饱受培训挑战的Namiki先生表示：“近年来，设备和设施变得越来越复杂，并且故障越来越少。这似乎是一件好事，但另一方面，未来大多数工程师可能在故障响应方面会缺乏经验。当时机成熟时，我们希望建立一个系统，利用ICT的力量来支持工程师，而不仅依赖经验丰富的工程师。”

    另一方面，Hideshima先生对专业的合作非常乐观。他说：“尽管我们在高速公路技术方面拥有出色的专业知识，但我们承认无法完全跟上不断改进的ICT种子和技术创新。在这方面，我们真的对与ICT专业人士包括DataMesh和Microsoft Japan等ICT专家的持续合作充满希望。”

    基于理想的合作伙伴关系，高速公路专家和ICT专家共同努力解决问题，并相互提供有价值的技术和知识输入，Nexco-East Engineering将继续维护和提升高速公路的安全性，这是我们现代生活的基本要素之一。

    “从水流到阀门开启机制，再到管道背后的活动，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的董事总经理和计划总部主任

    “虽然平板电脑需要用双手握持，但HoloLens 2作为头戴显示器则可以释放双手，因此，学员在进行MR培训时可以触摸设备。这也使学员能够独立地回放、暂停和调整透明度，为根据每位学员的理解水平量身定制的培训提供了优势。”

    Namiki Masayuki先生，Nexco-East Engineering技术培训中心总经理

    “我们有志于进一步扩大ICT的应用范围，不仅仅是TTC的实操培训，还要拓展到在线培训、OJT培训，建立基于实践的安全教育体系来提高现场的安全管理技能，以及远程维护等方面。”

    Nakamura Yoshitaka先生，Nexco-East Engineering设施建设工作部门经理，设施建设工作事业部

    “当时，至少在日本还没有类似的尝试。重点在于，我们如何打造能给让任何学员都轻松理解的MR材料，尽管关于结果应该是什么样，在当时并没有一个确切答案。”

    Kashimada Kensho先生，DataMesh Japan Co., Ltd.的市场与销售总监

    本文原文以英文撰写并首发于微软官网此处。