一种基于数字孪生的小型电机装配线员工培训方法

1.本发明涉及数字孪生技术领域，特别是一种基于数字孪生的小型电机装配线员工培训方法。


背景技术：

2.数字孪生是一种集成多物理、多尺度、多科学属性，具有实时同步、虚实映射，高保真度等特性，是实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段。它是利用数字化的方式创建与物理实体相对应的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力。
3.20世纪以来，我国的制造业得到了迅猛的发展，已经成为继英国、日本之后的“世界工厂”。国家数据局统计显示，我国到2019年底制造业工人的人数近3800万人，但我国制造业，尤其是中小型企业的人均劳动生产率远远落后于发达国家。因此，越来越多的企业意识到人力资源培训的重要性，在员工培训上投入了大量的人力财力，以此来提高企业整体竞争优势。由于小型电机的结构复杂、零部件种类多，通过培训装配工艺的员工，可以大大提升小型电机的合格率，避免员工技术不熟练造成的操作失误。
4.(1)传统的员工培训通常有固定的培训时间和培训场所，员工在时间和空间上受限；(2)由于传统培训是以知识输入为主，员工被动地接受，缺乏主动性，且没有机会练习；(3)传统的员工培训大多对员工进行统一培训，学习进度不一样的员工很少有机会进行个性化的培训，很多情况下员工不能系统的学习整个课程；(4)同时，传统的培训不能沉淀出组织智慧，投入培训预算过高，培训的成效也不明显；(5)针对中小型企业人手常常不够，需要员工具备多种技能的现象，传统的员工培训过程中无法实现多技能工的培训；(6)传统员工技能培训效果的考核评估主要依据主观评价为主，无法考虑多方面的因素，难以有效评价员工技能的真实水平。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明利用数字孪生在虚拟空间能建立与物理实体高度一致的仿真虚拟模型，设计了一种基于数字孪生的小型电机装配线员工培训系统及方法，对员工进行技能培训，并有效评估技能培训效果。
6.本发明提供的技术方案如下：
7.一种基于数字孪生的小型电机装配线员工培训方法，包括以下步骤：
8.步骤一：创建与物理实体相对应的小型电机装配线员工培训系统。
9.步骤二：采集小型电机装配过程中所需零部件及机器的形状尺寸，装配过程的逻辑关系，标准操作的参数，以及工人每道工序的时间数据，对物理世界的装配线进行三维可视化建模。
10.步骤三：构建小型电机装配线员工培训系统的功能模块，包括注册登录、小型电机装配教学演示、小型电机装配操作练习、培训效果考核评估模块和帮助这五个内容的功能
模块。
11.步骤四：根据所述的小型电机装配线员工培训系统搭建小型电机装配线孪生场景，并设计其操作界面，用于接收用户输入的功能选项，包括步骤三中的注册登录、小型电机装配教学演示、小型电机装配操作练习、培训结果考核评估和帮助中的至少一种功能，并通过vr头部显示器对进行模块展示。
12.步骤五：员工先在虚拟培训场景中注册登录后，选择不同的模块，通过操作手柄进行装配步骤的练习，以及培训结果的考核评估。接着在物理真实世界的装配线上进行练习和考核，并在虚拟场景中实时显示操作过程，若出现操作错误，将在虚拟场景中显示详细的错误信息。
13.步骤六：利用hopfield神经网络算法结合相关数据，对员工进行综合培训考核认定。
14.步骤七：针对考核评估的结果，综合考虑员工是直接上岗作业，还是根据培训过程中出现的问题进行差异性培训后再次考核评估。
15.本发明的技术效果为：本发明针对传统的员工培训在培训过程中受到时间和空间上的限制，设计的一种基于数字孪生技术的员工培训系统及方法，可以跳出传统培训在时间和空间上所受的限制。
16.本发明利用虚拟仿真技术，将真实场景复原，增强了沉浸感和真实感，让员工在虚拟培训世界中感受到和真实的世界环境一样，在培训过程中有了“真实的”体验感，有身临其境的感觉。
17.本发明将真实的场景还原，利用三维动画、图形、声音等等刺激被培训者的视觉、听觉神经，调动他们的积极性和主动性，从而改善培训的效果，有效解决了传统的员工培训枯燥无味的弊端。
18.本发明利用了虚拟现实技术和仿真技术解决了中小企业生产过程中设备紧张，无法支持培训练习操作的问题，降低了培训成本；同时可以根据工作的不同需求对员工进行多技能培训，来解决生产过程中偶尔出现人手不够的情况。
19.本发明利用数字孪生虚实结合的特征，设计的基于数字孪生的小型电机装配员工培训系统及方法，实现了在物理世界操作错误时，将会实时地在虚拟操作界面中显示错误详情，并向培训员工作出反馈，区别于普通的虚拟培训仅在虚拟空间进行操作演练的形式。
20.本发明利用hopfield神经网络算法，设计培训效果考核评估方法，该算法具有强大的联想记忆功能和自我学习、训练能力，是一种反馈型神经网络结构模式，可以很好的解决训练效果评估中出现的复杂非线性关系的问题，克服常规评估方法中的人为主观因素影响，客观有效地了解到每个员工培训的最终效果，进而判断其是否符合上岗作业资格，或是针对有误操作进行多次培训。
附图说明
21.为更直观说明本发明实施的技术方案，将对需要的附图进行介绍。
22.图1是基于数字孪生的小型电机装配线员工培训系统结构示意图。
23.图2是基于数字孪生的小型电机装配线员工培训流程图。
24.图3是基于数字孪生的小型电机装配线员工培训方法流程图。
25.图4是基于数字孪生的小型电机装配线员工培训效果评估指标体系图。
26.图5是hopfield神经网络结构图。
具体实施方式
27.为了本发明的优点、技术方案等更加清楚，以下将说明。不认为该说明是对本发明的限制。
28.如图1至图5所示，本实施例提供本发明的具体实施方法如下：
29.1.基于数字孪生技术，通过孪生世界来虚拟映射物理的真实世界，高度诠释了数字孪生的核心思想。创建一个小型电机装配线员工培训系统，系统包括物理空间模块、虚拟空间模块、数据中心模块以及培训服务平台模块，以此增强培训的真实感与沉浸感，能有效的提高培训效果，来应对传统培训过程中出现的问题。所述的物理空间模块，是由人、机、物及环境集成的，一方面提供装配线的静态数据，包括员工数量、机器数量、工作参数等；另一方面采集动态数据，包括员工操作时间、机器作业时间、周围环境的温度与湿度等数据。在物理空间模块采集到的数据将发送至数据中心。所述的虚拟空间模块是由设备模型、零件模型、环境模型、虚拟操作、实时监测、数据显示等子模块构成。所述的设备模型、零件模型和环境模型是指通过三维建模软件构建的装配的机器、小型电机的零件以及装配线的环境的模型，通过这些模型进一步集成一个小型电机装配线的虚拟场景。所述的虚拟操作是指在虚拟场景中通过编程语言、逻辑模型等生成与物理装配线操作体验感一样的虚拟操作，增强了沉浸感。所述的实时监测主要监测培训以及考核过程中员工操作是否有误，以便及时反馈错误信息。所述的数据显示是显示由数据中心传输的信息。所述的数据中心是指将采集得到的数据利用神经网络的算法对其进行数据处理、数据分析等过程，最终将数据存入数据中心中，以便将数据反馈给物理世界和虚拟世界。
30.2.利用测量仪，采集小型电机的内部定子、转子、转轴、电机外壳等零部件以及装配设备的尺寸数据，通过solidworks及3ds max等建模软件进行孪生模型的建立。获取小型电机装配操作过程中的参数，其中包括小型电机装配消耗时间、小型电机装配工具使用、小型电机装配步骤、小型电机装配误差和装配合格率，以及培训效果评估平台所需的各指标数据，并对这些数据进行分析处理归纳，将筛选出的数据存入mysql数据库，形成虚拟培训系统的数据中心。
31.3.导入建立的虚拟培训模型，根据用户的需求响应构建系统的功能模块，包括注册登录模块、小型电机装配教学演示模块、小型电机装配操作练习模块、培训效果考核评估模块和帮助模块。所述的注册登录模块是指员工在利用虚拟培训系统前，注册一个自己的账号，以便后续在教学演示模块中学时的打卡记录、操作练习模块中的历史错误记录及效果评估模块中的历史分数等等有一个简单快捷的查阅。所述的小型电机装配教学演示模块是指将正确的装配线操步骤以动画的形式，搭配语音和文字讲解呈现出来，根据具体的学习内容设定合理的学时，供员工进行学习打卡。所述的小型电机装配操作练习模块是指员工在完成教学演示中的学时后，借助手柄对零件认识及装配操作步骤加以练习，同时，根据各零部件的加工装配工艺设定适合的学时进行打卡。所述的培训效果考核评估模块是指对完成前两个模块的员工，进行的培训效果考核，员工利用手柄操作，按照之前所学到的理论知识及操作步骤进行考核，系统依据设定的标准操作对员工考核过程中的操作进行评定，
最终将结果和错误详情显示在虚拟界面中。所述的帮助模块是指员工在利用操作界面时，如若对操作模块不熟悉或不明白，做一个简单的帮助。
32.4.将上述的三维模型、功能模块以及操作界面，通过unity 3d进行编程设计，搭配vr设备实现装配线的场景漫游，场景漫游包括定子绕线、定子铁心压装、嵌线、压接端子、转子铁心压装、转子外圆加工、轴承装配、总装配等装配操作流程，以及培训服务平台所包括的注册登录模块、小型电机装配教学演示模块、小型电机装配操作练习模块、培训效果考核评估模块和帮助模块。
33.5.所述的注册登录是指在虚拟操作界面最开始的界面，供员工进行注册账号和登录。所述的装配流程操作学习是指在unity 3d中以动画演示、文字描述、语音讲解等方式呈现，操作人员可以通过vr眼镜进行观看学习。所述的装配操作练习是指通过vr手柄对定子、转子、端子、转子铁心、转子外圆等零部件进行拾取，放置装配操作台，对其进行装配工艺操作练习，若操作过程中有误，手柄将振动提示，同时vr眼镜上将显示错误警告。在完成虚拟操作练习的学时后，员工可以通过物理的装配线再次进行操作练习，利用虚实结合技术，在物理世界操作错误将会在虚拟操作界面中显示错误详情。员工在进行培训结束后，系统会发放一份调查问卷，包含被培训的员工关于培训内容方式的满意度，及其在培训过程中知识与技能的掌握程度，并将得到的结果传至培训效果评估平台。所述的培训效果评估是指员工在完成了虚拟练习的学时且物理练习过程中没有操作错误后，方可进行接下来的培训效果评估。
34.6.所述的hopfield神经网络算法，用来对员工的培训效果进行评估。建立效果评估指标体系，主要从员工反应效果、员工学习效果及员工行为效果三个方面进行效果的评估，根据指标建立状态因素集，设i为包含所有评判因素的因素集，将i中的因素分为3组：i＝{i1，i2，i3}，每个因素组的单因素集分别为：
35.i1＝{i
11
，i
12
，i
13
}
36.i2＝{i
21
，i
22
，i
23
}
37.i3＝{i
31
，i
32
，i
33
，i
34
}
38.设置评判等级，即合格与不合格。完成效果评估检测数据的采集与传输，建立基础数据采集平台，对员工反应效果、员工学习效果及员工行为效果的相关数据进行采集，将采集到的数据通过服务器传至培训效果评估平台，对得到的数据进行归类、分析、统计，得到相关的因素组信息。在培训效果评估平台中，对个因素组的单因素按照合格与不合格评判标准，划分区间，然后进行归一化处理，将其置于(0,1)区间，利用均匀随机数在两个指标变化区间，内插随机产生的50个指标样本值。每个因素组输入训练样本集ii＝[i
i1
,i
i2
,
…
,i
in
]
t
,i
in
表示第i个因素组的第n个单因素，存入hopfield网络中，则在网络中第i,j两个节点间的权重系数按公式一计算：
[0039][0040]
由图5可知，hopfield网络是一种循环神经网络，从输出到输入到反馈连接。反馈神经网络由于其输出端有反馈到其输入端，所以hopfield网络在输入的激励下，会产生不断的状态变化。当有输入之后，可以求得hopfield的输出。这个输出反馈到输入从而产生新
的输出，这个反馈过程一直进行下去。如果hopfield网络是一个能收敛的稳定网络，则这个反馈和迭代的计算过程所产生的变化越来越小。一旦达到了稳定平稳状态，那么hopfield网络会输出一个稳定的恒值。经过此训练，最终输出向量i＝[i1，i2，i3]
t
，建立好hopfield模型。对实测数据进行评估得出培训效果等级。通过对hopfield网络构成的联想存储器进行联想检测过程实现分类；将ii中各个分量的i
i1
,i
i2
,
…
,i
in
分别作为第一层网络n的结点的输入，则结点有相应的初始状态y(t＝0)，即yi(0)＝i
i1
，j＝1,2,
…
,n；对于二值神经元，根据公式二、公式三计算当前hopfield网络输出：
[0041][0042]
yi(t+1)＝f(uj(t+1)),j＝1,2,
…
,n
ꢀꢀꢀ
公式三
[0043]
其中，i
ij
为外部输入；f是非线性函数，可以选择阶跃函数，如公式四所示；θj为阈值函数。
[0044][0045]
神经网络从t＝0开始，有初始状态y(0)，经过有限时间t，有y(t+
△
t)＝y(t)，则网络是稳定的，此时的状态称为稳态。通过网络状态的不断变化，最后状态会稳定下来，最终的状态是与待测样本向量x最接近的训练样本。hopfield网络的最终输出，即实测样本向量联想检索结果；利用最终输出与训练样本进行匹配，找出最相近的训练样本向量，其类别即是实测样本类别，由此得出i1,i2,i3。针对员工反应效果、员工学习效果及员工行为效果三个因素组的信息进行整理判断，得出各因素组的权重系数，设g＝[g1，g2，g3]
t
，结合神经网络得出各因素组的评估值，经公式五
[0046]
i＝[i1,i2,i3][g1,g2,g3]
t
ꢀꢀꢀ
公式五
[0047]
得到最终的效果评估值。
[0048]
7.培训结果考核评估将分为合格与不合格标准，培训员工在虚拟考核评估过程中的每一步操作都按照正确的装配流程进行操作，将判定为合格；若在任何一部操作过程中出现差错，将视为不合格。虚拟考核合格的员工可以进行物理实体的考核，否则将重新进行虚拟操作练习的学习，并接受再次虚拟考核评估，直至合格后再进行物理考核。不合格的操作包括零件拾取错误、装配步骤混乱、零部件损坏等。所有考核结果合格的员工可以进行现场装配，考核结果不合格的员工，针对有误的操作步骤进行再次学习练习，并接受再次考核评估，直至合格。
[0049]
本发明针对传统的员工培训受时间和空间限制，且设备短缺，员工无法操练等的问题，提出了一种基于数字孪生的小型电机装配线员工培训方法和系统，突破了时间和空间对培训的限制，同时利用数字孪生高仿真的特性，构建出与物理世界相一致的装配线供员工学习和练习，给员工在培训中带来了很好的真实感和沉浸感，在降低培训成本的同时，大大提高了培训的效率。同时，本发明的培训考核评估模块较传统培训方法上有很大的提升，确保了上岗的员工对装配线的操作过程有很成熟的实践基础，降低了装配过程的错误率，进而减少了企业工厂等的损失，提高了企业工厂等的经济效益。
[0050]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。