Симулятор тракториста-машиниста: проведение технического обслуживания и работы в VR-среде
Наш проект - это VR-приложение, позволяющее симулировать прохождение технического обслуживания; оно имеет внутренний модуль проверки и оценки, который отслеживает правильность порядка проведения техобслуживания, проверяет финальное состояние системы, и по завершении работы составляет полный и подробный отчет о совершенных ошибках при осмотре каждой из систем трактора. Сценарий прохождения, включающий погодный и температурный режим, особенности почвы, сезон, может быть настроен перед использованием тренажера, что позволяет проверить навыки работы в различных условиях. Также в планах возможность ручной настройки изначального набора неполадок для предоставления пользователям полного контроля над сценарием.
При разработке проекта мы опираемся в первую очередь на документ, регулирующий проведение техобслуживания сельскохозяйственной техники - "ГОСТ 20793-2023, Тракторы и машины сельскохозяйственные. Техническое обслуживание", а также на руководства по эксплуатации и техническому обслуживанию заводов-производителей моделей техники, представленных в тренажере, руководства по эксплуатации их двигателей, официальные каталоги деталей.
Одна из проблем, присущих практико-ориентированному обучению, заключается в высоких рисках травматизма при работе с настоящей техникой. Эта проблема, к сожалению, достаточно актуальна: по данным Единой общероссийской справочно-информационной системы по охране труда (ЕИСОТ), уровень производственного травматизма в России демонстрирует тенденцию к росту. Именно поэтому VR-тренажёры занимают особое место в практико-ориентированном обучении. Они позволяют студентам, будущим машинистам, механикам и операторам техники, отрабатывать навыки работы с оборудованием в среде, приближенной к реальной, но лишённой присущих реальной практике рисков.
Работа с реальной сельскохозяйственной техникой на этапе обучения сопряжена не только с рисками получения травм обучающимися, но и с рисками поломок дорогостоящих узлов и агрегатов, а также с постоянными расходами на горюче-смазочные материалы и содержание парка тренировочной техники. Эти факторы создают объективную потребность в новых методах подготовки, и наш VR-симулятор способен занять нишу промежуточного этапа между теоретическим курсом и выходом на практику с реальной технику.
В нем студент работает с 3D-моделью техники. Полностью исключается риск поломки, а с учетом соблюдения всех рекомендаций, также и риски, связанные с травмами. Также, в ситуации, приближенной к настоящему ТО, студент получает целостное пространственное представление о компоновке узлов и агрегатов, приобретает необходимые моторные навыки. VR-станция, в свою очередь, не требует обслуживания, не тратит ГСМ, стоит намного меньше реальной техники и альтернатив.
Кроме того, симуляция в VR позволяет создать условия, сложные в реализации на практике: высокие/низкие температуры, осадки, особенности почвы, поломки.
Проект включает два основных модуля, реализующих разделение ответственности.
1. Модуль взаимодействия:
- Реализует полное погружение пользователя в виртуальную среду с использованием шлема Oculus Quest 3 и контроллеров.
- Содержит детализированную 3D-модель трактора «Кировец 530Т» с интерактивными узлами и агрегатами, доступными для осмотра и обслуживания.
- Обеспечивает физическую симуляцию взаимодействия (поднятие деталей, подключение шлангов, использование инструментов) через систему событий и коллизий Unity, предоставляет пользовательский интерфейс (UI) для отображения подсказок и навигации по сценарию.
2. Модуль проверки и оценки "Экзаменатор":
- Считывает параметры сценария (сезон, температура, время) и устанавливает начальные значения для всех контролируемых систем трактора (двигатель, топливная система, гидравлика и т.д.) на основе встроенного реестра неисправностей.
- В реальном времени перехватывает действия пользователя, сверяя их с эталонным алгоритмом проведения ТО. Ошибки «в моменте» отслеживаются в реальном времени. При совершении действия, нарушающего последовательность операций или правила безопасности (например, попытка запуска двигателя без предварительной проверки уровня масла), система немедленно фиксирует нарушение. Ошибки «по факту» проверяются на финальном этапе после завершения прохождения (параметры системы сверяются с эталонными значениями). Модуль анализирует итоговое состояние всех контролируемых систем (уровни жидкостей, факт проверки, целостность компонентов).
- По окончании сценария проводит полную проверку состояния всех систем, на основе зафиксированных кодов ошибок формирует отчет с подробным описанием допущенных нарушений, рекомендациями и итоговой оценкой, сохраняя его локально.
Основой проекта является связка Unity Engine + VR. Использование движка Unity обусловлено встроенной системой для разработки иммерсивных приложений, поддержкой многих современных VR-шлемов и встроенными инструментами работы в VR, XR Interaction Toolkit + стандарт OpenXR для обеспечения универсальности продукта и совместимости с разными моделями шлемов.
Инструменты тестирования: XR Device Simulator для отладки логики и взаимодействие с объектами на обычном ПК без подключения шлема, что ускоряет процесс разработки. Unity Test Framework используется для автоматизированного unit-тестирования модулей, проверки корректности расчета ошибок и формирования отчетов.
Промежуточное тестирование проводится на устройстве Oculus Quest 3.
Что касается расширения функционала, в перспективах добавление более глубокой настройки сценария, вплоть до выбора областей начальных неисправностей/самих неисправностей, а также реализация прохождения ТО-1 и ТО-2.
Расширение библиотеки предполагает реализацию прохождения ТО на тракторах разных моделей и фирм с учетом их особенностей строения и эксплуатации.
Все перечисленные выше элементы работают без ошибок.
Актуальность проекта продиктована негативной статистикой Единой общероссийской справочно-информационной системы по охране труда (ЕИСОТ), фиксирующей высокий уровень производственного травматизма в сельскохозяйственном секторе. Существующая система подготовки не имеет промежуточного звена между лекцией и практической работой, где студент мог бы совершать ошибки без риска для здоровья и дорогостоящего оборудования.
Социальная полезность заключается в повышении безопасности труда, ведь виртуальная среда позволяет будущим машинистам получить необходимые моторные навыки и выработать алгоритм действий в стрессовых и нестандартных условиях (низкие температуры, осадки, неполадки), что напрямую снижает вероятность аварий на реальном производстве.
Внедрение VR-тренажера позволяет учебным хозяйствам и техникумам значительно сократить операционные расходы. Симулятор не потребляет топливо и смазочные материалы, риск поломки узлов и агрегатов новичками сокращается, продлевается ресурс реальной техники, VR-станция (шлем + ПК) на порядок дешевле аналогов. При этом один тренажер может быть использован для обучения неограниченного числа студентов.
Архитектура проекта построена по модульному принципу с четким разделением на визуальную и логическую часть. Это позволяет легко масштабировать библиотеку техники - добавление новой модели трактора (например, "Беларуса") не требует переписывания кода "Экзаменатора", достаточно интегрировать новую 3D-модель и обновить конфигурационный файл с параметрами для этой модели.
Результатом работы модуля "Экзаменатор" является структурированный отчет. Протокол отчета может быть экспортирован в форматы JSON или XML, что обеспечивает простую интеграцию с корпоративными порталами учебных заведений (например, с Moodle или 1С) для автоматического учета успеваемости студентов.
2. Высокая достоверность симуляции: сочетание детализированных 3D-моделей с физикой взаимодействия создает эффект полного присутствия. Студент работает с моделью реальной техники, приближенной к реальности, что критически важно для формирования профессиональных компетенций.
3. Объективная оценка: архитектура «Экзаменаторов» позволяет фиксировать не только итоговое состояние систем, но и процесс выполнения операций.
4. Гибкость доработки и модификации: модульная архитектура «Экзаменаторов» позволяет легко добавлять новые системы трактора или адаптировать симулятор под другие модели техники без переписывания базового кода.
5. Иммерсивность VR: в отличие от традиционных десктопных 3D-симуляторов, VR-формат обеспечивает полное погружение, формируя у студента не просто теоретическое знание, а устойчивую связку физических действий, приближенную к реальной деятельности.
6. Специфика продукта обеспечивает достаточно низкие операционные расходы: эксплуатируется продукт полностью на оборудовании клиента, и мы можем сосредоточиться на поддержке уже существующих версий, обновлении, создании модификаций и расширении функционала.
На рынке производственных симуляторов на данный момент существует несколько динамично развивающихся компаний, предлагающих различные решения. В контексте исследования ситуации для нашего проекта их можно условно разделить на четыре группы:
1. Ближайшие аналоги
Самым ближайшим аналогом является VR-станция для отработки навыков технического обслуживания тракторов производства МТЗ, произведенная “Игры Разума Софт”. Её устанавливают совместно с физическим симулятором кабины трактора, и это позволяет отрабатывать и навыки управления трактором, и элементы операции технического обслуживания. Однако по имеющимся данным, данная разработка является тренажером для отработки отдельных действий и не имеет возможности получения отчета по совершенным действиям, тогда как наша разработка реализует полный цикл прохождения ЕТО и предоставляет возможность оценки компетенций.
2. Сельскохозяйственные VR-тренажеры
На рынке существуют специализированные сельскохозяйственные VR-тренажеры, например АгросимVR. Однако такие тренажеры не затрагивают работу с оборудованием.
3. Физические симуляторы кабин техники
Физические симуляторы кабин техники от производителей Forward или Zarnitsa представляют собой устройства, которые имитируют кабину управления техникой, и воспроизводит условия, близкие к реальным. Такие симуляторы используются для обучения и тренировки навыков, однако они имеют довольно высокую цену (около 1 млн. руб.). Также такие тренажеры не имеют узлов вне кабины, и не способны служить симулятором для проведения обслуживания.
4. Производственные VR-тренажеры
VR-тренажеры для производственных, строительных предприятий производятся уже достаточно долгое время и пользуются спросом. Области применения, в которых VR-тренажеры представлены чаще всего, это в первую очередь обучающие тренажеры (обучение требованиям охраны труда, обучение безопасной работы при управлении техникой), тренажеры для симуляции аварийных ситуаций, оказание медицинской помощи. Однако компании, занимающиеся разработкой производственных VR-тренажеров, например такие как “Северсталь-инфоком”, специализируются в областях строительства и нефтедобычи. Либо же подобные симуляторы разрабатываются на заказ под нужды предприятия, как в случае с РЖД или “Газпром”.
Таким образом, на рынке отсутствует доступное VR-решение, одновременно сочетающее симуляцию полного цикла ежесменного технического обслуживания сельскохозяйственного трактора и автоматизированную оценку действий обучающегося на основе нормативных критериев. Разработка нашего проекта направлена на решение этой проблемы и заполнения данной ниши.
