利用MR和數字孿生技術提升工程師培訓效率，確保高速公路安全

    自上世紀60年代以來，日本的高速公路網絡一直在不斷擴展，目前總路程超過10,000公里。其中，超過一半的高速公路網絡已使用超過30年，道路表面、橋梁和隧道等結構的老化已成為一個社會問題。隨著出生人口減少，高速公路的維護和管理工程師數量日益減少，這成為一個重大挑戰。

    日本境內高速公路中約有4,000公里路段由Nexco-East Engineering公司運營。考慮到上述情況，他們使用混合現實（MR）和數字孿生技術開發了一個針對ETC設備和隧道緊急設施的培訓應用程序，部署于位于群馬縣高崎市的“技術培訓中心（TTC）”。作為一個高效的教育培訓工具，該應用為每個工程師提供必需的知識和技能，以培養出優秀的工程師。

    創新MR工具開發，提高并標準化學員理解水平

    大約從10年前開始，NEXCO EAST集團就預見了高速公路的老化問題和維護管理的勞動力短缺問題，因此啟動了Smart Maintenance Highway (SMH) 項目以將當時集團已掌握的高速公路維護和管理技術與ICT技術相結合。該項目積極地將數字化能力應用到現場操作，推進了運營的數字化轉型（DX）進程，例如將基于紙張的繪圖工作轉為基于平板電腦的任務，并通過Microsoft PowerBI分析和利用積累的數據。Nexco-East Engineering負責該項目的Hideshima Tetsuo先生（Nexco-East Engineering總經理兼總體規劃經理）對于該項目的策略表示道，”

    “通過全年無休的檢查和故障排查，Nexco-East Engineering確保司機能夠安全地使用高速公路。為了持續地維護和管理高速公路，對設施和結構中的一切細微變化進行徹底地檢查和診斷是至關重要的。為此，針對ICT進行工作簡化和節省人力是必不可少的。”

    該公司在2012年啟用了一個培訓設施TTC，以提高高速公路檢查工程師的工作表現。針對實踐培訓，TTC提供的培訓環境配備有真實的電力接收和分配設備、ETC（自動收費系統）設備，以及與用高速公路的組件完全相同的組件樣品。

    關于該TTC的定位，TTC的總經理Masayuki Namiki表示：“每年有超過1,000名工程師在TTC參與培訓項目。經過培訓并通過內部技能檢查系統考核后，他們能成為高速公路的檢查和維護專家，稱為‘高速公路醫生’。”

    與此同時，隨著技術進步，高速公路的結構和設施也變得越來越復雜。盡管通過這些培訓材料可以獲得實操學習體驗，但學員對機制和內部結構的理解水平也各不相同。這成為TTC面臨的阻礙學員技術水平標準化的一大難題。

    在ETC設備的教育方面，這個問題尤為明顯。“ETC設備由多個設備組成，其操作方式通過各種材料進行講解，例如通過紙張展示的無線通信和控制信號流程圖、PowerPoint幻燈片、由講師通過粉筆講解，然后再使用實際的ETC設備進行測驗，”Nexco-East Engineering的設施建設工作事業部設施建設工作部門經理Yoshitaka Nakamura說道。

    “然而，理解培訓材料之間的關聯需要相當多的時間。此外，無線通信和控制信號流并非肉眼可見，因此，完全取決于學員的想象力，這造成了學員理解上的參差不齊。”

    鑒于此，公司專注于利用MR（混合現實）和數字孿生技術，啟動了“ETC設備培訓的MR”項目，其想法是將ETC設備的3D模型以及紅外傳感器、（在現實中是看不見的）無線通信和數據通信路由與ETC實踐車道相結合，從而讓學員可以更好、更直觀的理解。

    致力于打造易于使用、適用于任何學員的培訓材料，即使沒有可供參考的實例

    得益于豐富廣泛的數字孿生和XR領域的成就和經驗，DataMesh與Nexco-East Engineering簽約合作該項目。DataMesh Japan Co., Ltd.市場與銷售總監Kensho Kashimada回顧道：“當時，至少在日本還沒有類似的嘗試。重點在于，我們如何打造能給讓任何學員都輕松理解的MR材料，盡管關于結果應該是什么樣，在當時并沒有一個確切答案。”

    他們為此采取的第一步是，采用一種基于快速PDCA循環的敏捷開發方法，而不是從一開始就依賴詳細規格的瀑布模型開發。“通過與項目主導部門，以及將來會實際使用該工具的TTC講師們進行反復聽證會議，我們有條不紊地推進了開發工作。”Kashimada先生說。

    他們還接受了TTC實際用于學員培訓的相同課程，進一步獲得對ETC設備機制的知識，并將其應用到該系統中。

    Kashimada先生表示：“通過學習這些口述和基于2D材料的課程，我們親身經歷了要去理解ETC的機制有多困難。我們也認識到我們努力著手開發的工具的潛在價值。因此這對我來說實在是一個非常有價值的過程。”

    隨后，經過約六個月的開發期，精確的ETC設備3D模型得以完成制作，與此同時，通過平板設備或Microsoft MR設備“HoloLens 2”可見的、使用3D動畫疊加到ETC設備的“ETC設備培訓的MR”也完成了。

    “通常，MR疊加的定位中的SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，同時定位和映射）的準確性取決于硬件性能。然而，對于“ETC設備培訓的MR”，我們使用了DataMesh自研發的數字孿生平臺（FactVerse）的SLAM功能，讓多設備的SLAM準確性達到統一水平，”Kashimada先生解釋道。通過使用一種只加載必要數據部分的技術，DataMesh巧妙地實現了在不依賴設備性能的情況下疊加大量的3D數據。

    Kashimada先生表示，這些功能為學員提供了沉浸式的MR體驗，沒有3D動畫錯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是一項巨大的工作。但現在數據和無線電波變得可見了，這極大地提高了理解水平。”

    一旦習慣了HoloLens 2的操作感，學員只需讀取顯示屏上的QR碼就可以調整位置，無需進行任何復雜的操作。據稱，通過DataMesh提供的僅需一日的培訓課程，講師就可以掌握基本的操作方法。

    “ETC設備培訓的MR”也被現場操作員所認可，并根據講師的反饋進一步完成改進。目前，附加功能如重復回放單個工作步驟和動畫速度調整進行深入解釋，讓該工具變得更加有效。

    充分利用HoloLens 2特性的隧道緊急設施MR培訓

    鑒于對“ETC設備培訓的MR”成功的信心，Nexco-East Engineering迅速展開了下一個培訓MR“隧道緊急設施培訓的MR（MR for tunnel emergency facilities training）”的開發。

    “鑒于無法從外部看到針對在隧道緊急情況的自動噴水系統的內部結構從，我們疊加了一個內部水流的CG模擬，并開發了用于可視化內部情況和操作狀態的培訓材料，” Nakamura先生說。

    Namiki先生表示：“過去，我們通過展示來自真實設備的管道樣品和插圖，進行其結構和操作的教授，但我們實際上并不能讓水流過它們來演示這種機制。此外，不同講師的講解也有所不同。與ETC設備一樣，學員之間的理解水平差異是一個重要問題。”

    為了解決這一問題，DataMesh憑借其在開發ETC設備培訓的MR中收獲的專業知識，再現了從車輛起火到澆水的設備運動，可視化了內部結構并增加了一個調整水流3D動畫的透明度的功能，以便學員可以自由地觀察水如何在管內流動和停止。逼真的火的3D效果部署也提供了真實的體驗利于增強學員理解。

    最后，這個用于隧道緊急設施培訓的MR達到了超出預期的高質量和精確度，即便對經驗豐富的工程師包括Hideshima先生而言。“從水流到閥門開啟機制，再到管道背后的活動，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。

    由于“隧道緊急設施培訓的MR”配備了“模擬再現功能（pseudo reproduction feature）”用于學習在任何故障發生時的檢查要點和恢復方法，該MR系統有希望被應用于將來的遠程維護系統。

    此外，與平板電腦和其他設備等的連接實現了遠程培訓，創建了一個能夠支持更多學員參與的培訓環境。

    最重要的是，與ETC設備培訓的MR相比，“隧道緊急設施培訓的MR”充分發揮了HoloLens 2的潛力。事實上，對于使用使用“ETC設備培訓的MR”進行的培訓，由于HoloLens 2的可見度可能會因陽光強度而惡化，因此輸出設備主要采用平板電腦。另一方面，隧道緊急設施是室內設備，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，學員在進行MR培訓時可以觸摸設備。這也使學員能夠獨立地回放、暫停和調整透明度，為根據每位學員的理解水平量身定制的培訓提供了優勢。”

    通過專業合作邁向更高效的信息通信技術（ICT）

    在基于數字孿生和MR技術實現了高質量的培訓工具后，Nexco-East Engineering已計劃進一步推廣借助ICT來解決設施老化和勞動力短缺等問題。這些計劃預計將進一步加快推進。

    在探索各種場景中的ICT用途可能性時，Nakamura先生說：“我們有志于進一步擴大ICT的應用范圍，不僅僅是TTC的實操培訓，還要拓展到在線培訓、OJT培訓，建立基于實踐的安全教育體系來提高現場的安全管理技能，以及遠程維護等方面。”

    為了建立一個用于ICT有效使用的系統，飽受培訓挑戰的Namiki先生表示：“近年來，設備和設施變得越來越復雜，并且故障越來越少。這似乎是一件好事，但另一方面，未來大多數工程師可能在故障響應方面會缺乏經驗。當時機成熟時，我們希望建立一個系統，利用ICT的力量來支持工程師，而不僅依賴經驗豐富的工程師。”

    另一方面，Hideshima先生對專業的合作非常樂觀。他說：“盡管我們在高速公路技術方面擁有出色的專業知識，但我們承認無法完全跟上不斷改進的ICT種子和技術創新。在這方面，我們真的對與ICT專業人士包括DataMesh和Microsoft Japan等ICT專家的持續合作充滿希望。”

    基于理想的合作伙伴關系，高速公路專家和ICT專家共同努力解決問題，并相互提供有價值的技術和知識輸入，Nexco-East Engineering將繼續維護和提升高速公路的安全性，這是我們現代生活的基本要素之一。

    “從水流到閥門開啟機制，再到管道背后的活動，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的董事總經理和計劃總部主任

    “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，學員在進行MR培訓時可以觸摸設備。這也使學員能夠獨立地回放、暫停和調整透明度，為根據每位學員的理解水平量身定制的培訓提供了優勢。”

    Namiki Masayuki先生，Nexco-East Engineering技術培訓中心總經理

    “我們有志于進一步擴大ICT的應用范圍，不僅僅是TTC的實操培訓，還要拓展到在線培訓、OJT培訓，建立基于實踐的安全教育體系來提高現場的安全管理技能，以及遠程維護等方面。”

    Nakamura Yoshitaka先生，Nexco-East Engineering設施建設工作部門經理，設施建設工作事業部

    “當時，至少在日本還沒有類似的嘗試。重點在于，我們如何打造能給讓任何學員都輕松理解的MR材料，盡管關于結果應該是什么樣，在當時并沒有一個確切答案。”

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

    本文原文以英文撰寫并首發于微軟官網此處。