航空复杂构件X射线DR成像检测虚拟仿真实验教学的建设与实践

作者简介:

敖波（1979—）,男,博士,教授,主要从事射线检测的研究工作

提高高等教育质量是目前社会各界共同关注的焦点问题,评价教育质量的核心标准是学生是否具有创新精神和实践能力。因此,提高工科学生工程实践能力是工科院校培养创新型人才的重要途径[1-2]。 

自1895年伦琴发现X射线以来,胶片照相检测一直是工业射线检测领域的主流技术。DR（数字射线成像）技术的发展,为工业射线检测技术从模拟化走向数字化奠定了基础。射线DR成像检测技术以平板探测器代替胶片进行射线照相检测[3],具有可实时成像、检测效率高、可实现自动化、检测结果存储方便等优点,是目前工业领域主流的射线检测技术,广泛应用于特种设备、航空航天、核电等行业。随着无损检测数字化、自动化和智能化需求的快速增长,企业对高素质射线DR成像检测技术人才的需求量非常大,现有生产一线技术人员严重缺乏射线DR检测专业知识及工程实践能力。但受设备条件、学时等限制,大部分开设无损检测方向的高校未开设射线DR成像检测实验相关课程,笔者所在学校本科层次射线检测实验教学中也仅提供了2学时DR检测教学实验,难以满足智能化背景下创新型技术人才的需求。 

因此,建设航空复杂构件X射线DR成像检测虚拟仿真实验教学平台,可以为学生提供一个安全、高效的学习和训练环境[4-7],帮助学生更好地理解和应用X射线DR成像检测技术,使学生得到系统、规范、自主的实践技能训练,提高实验教学水平,提升射线检测技术人才培养质量。 

1.   X射线DR成像检测实验教学现状

X射线DR成像检测技术是一种数字化的射线照相检测手段,但与胶片照相检测技术相比,其检测方式、检测结果、评片方式等都发生了根本性的改变,对专业人才的工程实践能力培养和实验实训教学都提出了更高要求。但是目前X射线DR成像检测实验教学存在以下几方面的问题。 

（1）射线DR成像检测理论涉及数学、物理学、核技术、机械、图像处理、电子学、成像等多学科交叉理论知识,设备操作复杂性更高,需要经过系统培训。 

（2）射线DR成像检测设备昂贵,一次投入动辄上百万,设备台套数少,存在辐射风险,加上学生规模越来越大,学生的实际动手实践机会较少,学生的专业技能训练难以保障,训练效果远不能满足社会需求。 

（3）在工程教育专业认证背景下,面对知识量增大而课时压缩的新情况,需要紧跟科技前沿和工程实际,与时俱进,深化教学改革,开拓课外实践新渠道,弥补课内学时的不足。 

2.   虚拟仿真实验教学平台建设

2.1   虚拟仿真实验教学设计

射线DR成像检测虚拟仿真实验教学设计上分为以下3个层次。 

第一层为基础层,主要掌握射线DR成像基础知识,了解平板探测器结构和成像原理,学习基本操作和掌握设备功能,使学生对射线DR成像检测有清晰的认知和理解。该部分采用习题测验方式进行考核,总分为10分,重点考察知识点的掌握情况。 

第二层为应用层,主要掌握射线DR成像检测的基本操作,包括探测器的初始化、暗场/增益/坏像素图像采集、工艺规范设计、透照布置、工艺参数选择、曝光、DR图像质量评价、DR图像处理、技术标准的使用等知识和能力培养。通过应用层的训练,使学生具备使用技术标准进行工艺操作的能力。该部分采用过程性考核,总分为65分,重点考察实验步骤与操作规范性和熟练程度。由于工艺规范属于技术类文件,因此,考核分数有所弱化。 

第三层次为提高层,主要掌握依据技术标准进行图像评定和编制检测报告等知识和能力,使学生具备应用验收标准的能力。该部分重点考察学生对实验结果的收集总结及改进措施,考核总分为25分,由实验指导教师主观评分。 

射线DR成像检测虚拟仿真实验平台总体设计方案如图1所示,学生评价以过程性评价为主。 

在实验平台总体设计方案的基础上,采用Unity3D、3D Studio Max、Maya、Mysql等多种开发工具,开发了航空复杂构件X射线DR成像检测虚拟仿真实验平台,其界面如图2所示。该平台完全参照实际检测场景模拟了涡轮叶片射线DR成像检测的全过程,包括系统预热与初始化、校正文件采集、透照布置、工艺参数设置、开机检测、DR图像采集与校正、信噪比测量、像质计灵敏度测量、不清晰度测量、窗宽窗位调节、缺陷检测与量化、编制检测报告等,实验内容设计上以综合性实验为主。 

在虚拟实验中1∶1复现了探伤室、检测系统、控制台、涡轮叶片检测对象等检测场景,控制台仿真界面如图3所示,为射线DR成像检测提供场景支持。虚拟实验主要分为以下几个主要过程：① 模拟探测器初始化及校正文件采集过程,该过程支持暗场、增益和坏像素校正文件采集,这是获得高质量射线DR图像的重要前提；② 模拟透照布置、工艺参数设置、开机曝光的过程,模拟环境中通过插件方式调用自研的射线DR图像采集与评定软件实现DR图像的采集,允许学生自主制定透照方案,获得不同的检测结果；③ 模拟图像评定过程,该过程以插件方式调用第三方开源软件实现检测图像的打开、图像质量指标的评定等操作,突出像质计灵敏度、归一化信噪比和不清晰度等指标的测量,使学生掌握基本的工艺设计和工艺操作能力,能区分胶片照相检测的异同,并模拟编制检测报告。涡轮叶片射线DR成像检测界面如图4所示,涡轮叶片射线DR图像评定界面如图5所示,编制检测报告界面如图6所示。 

射线DR成像检测虚拟仿真实验平台设计了学习模式和考核模式。学习模式下,系统会根据射线DR成像检测过程,自动提示下一步操作方法,引导学生训练；考核模式下,系统不会提示下一步操作方法,学生需要根据训练方法自主操作,系统会自动评判成绩。学生可以利用计算机先开展模拟训练再参加操作考核,学生可以利用课余时间完成,要求所有学生必须考核通过。 

3.   虚拟仿真实验平台实验教学方法

实验平台主要采用沉浸式、自主体验式、交互式、探索改进式相互融合的实验教学方法,致力于培养学生的问题意识、主动学习和持续创新的能力,实验教学方法架构框图如图7所示。 

（1）沉浸式环境漫游 

实验中,学生以第一视角进入虚拟的射线检测现场,沉浸式体验方式可使学生快速熟悉实验环境,如临其境地开展实验,从而激发学习兴趣。 

（2）自主体验式实验设计 

以项目为导向,按实际操作流程进行DR检测,系统自动记录实验过程,实时显示检测实验结果,学生可及时查看所实施的检测工艺规范是否具有合理性和可行性,以便及时纠错。学生通过自主探索实验,锻炼自主探索能力,拓展创新思维。 

（3）交互式实验操作 

学习模式下,设计了向导式提示引导学生操作,帮助学生在交互式实验操作中深化对核心知识和技术的理解,培养其系统性思维判断与分析能力,提升其解决复杂无损检测工程问题的能力。 

（4）探索改进式评价反馈 

实验操作结束后,要求学生填写检测报告和实验报告,系统提供回看错误操作的功能,学生可以反思自己的操作合理性,及时了解自身的知识能力缺陷。学生还可根据评价结果和兴趣,尝试改进工艺方案反复进行虚拟仿真实验,探索创新检测工艺设计。通过评价反馈及时发现并弥补知识能力的欠缺,提高学习效果,达到仿真实验的教学目标。 

（5）思政育人 

以航空发动机涡轮叶片为检测对象,强化国防军工产品质量对国家安全的重要意义,将航空报国情怀寓教于学中,践行服务航空理念,培养学生献身国防事业的使命担当精神。 

4.   无损检测证书挂靠结语

利用虚拟现实技术,构建了高度仿真的射线DR成像检测虚拟实验环境和实验对象,通过典型航空构件射线DR成像检测的虚拟仿真实验教学,突破了传统教学环境的限制,扩展了射线DR成像检测技术的广度和深度,培养了学生工程实践能力和创新能力。 

近3年来,射线DR成像检测虚拟仿真实验教学一直辅助学校“射线检测”课程教学使用,作为课外实践训练的一部分,已经有连续3届学生参与课外训练,累计超过500名学生受益,有效弥补了学生在射线DR成像检测方面知识和实践能力培养方面的不足,受到学生的一致好评,相关工作获“2023年虚拟现实教学应用创新大赛”技术创新赛道一等奖。