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３次元コンピュータグラフィックス技術を用いた教育訓練支援システムの試作
Development of Training Support System based onThree-dimensional Computer Graphics Technology
九手松岡明純(Akizumi Kude)*

由了(Yoshinori Matsuoka)†
小椋花房

英光 (Hidemitsu Hanafusa)*
知手育夫(Ikuo Shirute)‡(Kazuhide Ogura)§

一秀

要約 近年，バーチャルリアリティ（VR）技術は急速に発展を遂げつつあり，それに伴い各種要素技術や関連する技術の開発研究とともに，様々な分野でその応用に関する研究が進められている．とりわけ，コンピュータグラフィックス（CG）技術の発達については，コンピュータの能力の進展と相まって目覚ましいものがある．
本稿では，VR 技術の開発に伴って発達した３次元（3D）CG 技術の原子力発電分野への応用の一例として，原子力発電所に設置されている電動仕切弁の分解・組立作業を対象にした，パーソナルコンピュータで動作する教育訓練支援システムを試作したので，それについて記述する．
キーワード

３次元コンピュータグラフィックス，バーチャルリアリティ，パーソナルコンピュータ，電動仕切弁，教育訓練支援システム

Abstract
Recently, Virtual Reality (VR) technology has developed quickly, together withresearch conducted on various elemental and related technologies and research in various fields of its
application. In particular, the development of computer graphics (CG) technology at the same pace as
the progress in computer performance is remarkable.
We have developed a new type of training support system using three-dimensional (3D) CG
technology. It is the training support system for disassembling and assembling a motor-operated gatevalve. The training support system proposed is based on a personal computer and can be used easily byanyone. The system configuration is outlined herein.
Keywords

three-dimensional computer graphics, virtual reality, personal computer, motor-operated gate

valve, training support system

1.

はじめにの開発に力が注がれている．しかしながら，実用域に達しているものは数少ないのが実状である．

仮想現実感（Virtual Reality ：以下 VR と略す）

VR 技術に関連する技術の一つであるコンピュータ技術は，近年目覚ましい発展を遂げつつあり，要素グラフィックス（Computer Graphics ：以下 CG と技術や関連する技術の開発研究とともに，様々な分略す）技術については，コンピュータの能力の進展

（１）
（２）

．

とともに非常に現実的で臨場感のある画像を作り出

現在，日本を含めた世界的な VR の要素技術研究でせるようになってきており，３次元（以下 3D と略は，人間の視覚に臨場感を提示する表示装置（ディす）の画像が提示できるソフトウエアが市販されるスプレイ）や力覚を始めとする種々の感覚デバイスようになってきた．

野でその応用についての研究が行われている*（株）
原子力安全システム研究所 技術システム研究所†（株）
原子力安全システム研究所 技術システム研究所
現 原子力発電技術機構‡（株）
原子力安全システム研究所

技術システム研究所
現 関西電力（株）本店 研究開発室§（株）
CRC 総合研究所 関西支社

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また，VR 技術を応用したシステムについては，減）の可能性を確認するものであり，②・③につい建築関係やゲームの分野では実用域のものが開発さては学習者に対して，より理解を深めることができれており，原子力分野への応用についても，いくつる環境の提示ができることを確認するものである．

（３）

かの研究事例が発表されるようになってきている

現在，電力会社や関連工事会社が行っている教育（４）．それらの多くのものは，ワークステーションを訓練は，実機相当設備に触れて行う訓練（実機訓練）プラットホームとして動作させるシステムであり，と机上教育訓練に大別できる．実機訓練，なかでもかつ，特殊な専用の付属装置（例：ヘッドマウンテ

機械設備の分解・組立作業訓練においては，いわゆッドディスプレイ，データグローブ等）を使用する

る力加減の習得も大切な要素であり，コンピュータ必要があり，システムが高価格になること，およびを用いたシステムの場合でも，実機に触れる感覚を必然的に使用場所が限定されることから，多くの人実感できるようにすることが求められる．コンピュが手軽に体験できるシステムではない．

ータを用いたシステムでその感覚を体感するために当研究所においても，VR 技術およびそれに関連は，VR 技術の要素技術である力覚デバイスを組みする技術の原子力発電分野への応用研究に取り組ん合わせたシステムの構築が必要となる．しかしながでいるが，多くの人が時間や場所の制約を受けずにら，１章で述べたように実用的な力覚デバイスは開自由に体験でき，また，安価で容易に構築できるシ発されていないのが実状であり，実機訓練を支援でステムを目指し，現在の主流であるワークステーシきるような VR 技術を応用したシステムの試作は，ョンをプラットホームとして動作させるものではな

現時点では困難であると判断した．

く，パーソナルコンピュータで動作でき，特殊な付机上教育訓練は，機器の構造，分解・組立の作業属装置を必要としないシステムの構築について研究

手順，不具合事例等について，テキストを主体に講を行ってきた．

義形式で行われている．講義では学習者の理解を深このほど（株）CRC 総合研究所の協力を得て，めるために，図面・写真等を引用しているが，何をVR 技術そのものではなく，VR 技術の開発研究とどのように操作するのか，といった教育内容の具体ともに発達してきた 3D − CG 技術の原子力発電分野的なイメージが欠けている．また，断面図を用いてへの応用の一例として，パーソナルコンピュータで説明が行われるため，実際の機器を前にしたときに動作する，電動仕切弁の分解・組立作業を対象としとまどう可能性がある．3D − CG 技術を用いて訓練た教育訓練を支援するシステムを試作した．

設備を構築し，自由に動かしたり，見えない所の可視化ができれば，イメージを視覚で直感的に理解で

2.

3D − CG 技術を教育訓練に応用するねらいきるようにすることが可能であり，理解を深められることが期待できる．このことから，本教育訓練支援システムは，机上教育訓練を支援あるいは補完す3D − CG 技術を教育訓練に応用するねらいは，従ることをねらいとしている．

来のテキストベースでは得られない視覚からの知識取得等に 3D − CG 技術が有効であることを確認する

3.

教育訓練支援システムことである．
これは，3D − CG 技術の特徴である，

3.1

教育訓練支援システムの設計思想① 何もない所に，多様な訓練設備を構築できる② 見えない所の可視化ができるシステムの試作費用を低減するため，ハードウエ③ 実際には行ってはいけないことが体験できる

ア・ソフトウエアとも市販品を活用することとしことを活用し，教育訓練が有効に支援できることをた．また，専用のマシンや特殊な付属装置を必要と確認することである．①については学習者の支援ですることによって，システムの利用環境を限定するはなく，教育訓練を実施する側について，訓練設備ことがないよう，汎用のパーソナルコンピュータを設置に関する費用の低減（設備本体・設置場所の削プラットホームとして動作するものを構築すること

137とした．さらに，多くの人が自由に体験できること（2）作業手順書に基づく弁の分解・組立作業が学を目指し，インターネットを利用しての活用が可能習できることなシステムを構築することを設計思想とした．

実際に教育訓練および定期検査で実施している，電動仕切弁の分解・組立作業が行える機能を有する

3.2

教育訓練支援システムの開発環境・利用環境

システムの開発環境を以下に示す．
ハードウエアことは必須条件である．この分解・組立の作業手順の意味・重要性が理解しやすいように，作業手順書と 3D − CG 技術を用いて構築した電動仕切弁を同一画面に表示し，両者がリンクして動く機能を有することとした．これは，従来のテキストベースの教育･富 士 通 F M - V 5 2 0 0 T 4 （ W i n d o w s 9 5 搭 載 ,では，実際にどのように作業を進めていくのかとい

CPU ： Pentium200MHz, メモリ： 64MB）

う具体的なイメージが不足していたが，3D − CG 技

･CRT-21inch術を用いた場合には，実際に対象物を動かすことが･HDD（2GB+2.1GB）可能であり，目で確かめながら作業を進めることにソフトウエア･Superscape VRT（Ver4.0）： Superscape Inc.
･Delphi（Ver3.1）： Borland International Inc.

より，より理解を深められると考えたからである．
（3）物理的に可能な作業であれば，任意な作業手順で作業を進めることができること

また，開発したシステムの利用環境を以下に示す．

実機においては，当然のことながら作業手順を逸･CPU ： Intel 166 MMX 以上（133MHz でも可）脱した行為はできないが，教育訓練支援システムで･HDD ： 100MB 以上

は，実際に行ってはいけないことも体験でき，それ･OS ： Windows95がもたらす結果についても再現することができるよ･Browser ：Microsoft/Internet EXPLORER

うにすることとし，学習者がある程度インタラクテ（Ver4.x 以上）･CRT ：画面解像度 1024 × 768 以上（800 ×600 でも可）･操作インターフェイス：マウス

ィブに学習できる環境を実現することを目指した．
（4）不具合事例が学習できること
分解・組立作業における作業ミスに起因する不具合の発生をシミュレートし，体験的に学習したり，過去の事例が視覚情報（写真）により学習できる機

3.3

教育訓練支援システムとして具備すべき機能能を設けることとした．

4.

教育訓練支援システムの概要

3D − CG 技術を電動仕切弁の分解・組立作業の教育訓練支援システムに応用するに当たり，具備すべき機能として以下のことを考慮した．
（1）機器の構造，部品の形状，材質等が直感的に今回試作した教育訓練支援システムのメインメニ
ュー画面を図１に示す．
本システムでは，メインメニューから分解シミュ把握できること

レーション，組立シミュレーション，グランドパッ

機器の構造および部品の形状について，多面的なキング締付けシミュレーション，バルブ全体モデル

理解を支援するために，学習者が解りやすい様々な表示，バルブ 1/2 カットモデル表示，部品形状表示，視点で機器および部品の観察ができることや，隠れ運転シミュレーションおよび故障モード（部位別損た部分の可視化ができるようにすることで，視覚的傷例）のいずれかの項目を選択することができる．に直感で理解できる表示方法とすることとした．

なお，分解・組立シミュレーションでは，Beginner，また，部品の材質や不具合事例の情報にリンクでExpert モードのいずれかを選択することができる．

きる機能を設けることで，学習者の知識習得が支援

分解・組立作業手順を学習する分解・組立シミュできることを目指した．

レーションの基本的な画面構成は図２に示すよう

138

1 ：バルブ全体のモデルを表示

7 ：組立シミュレーション Beginner モード

2 ：バルブ 1 / 2 モデルを表示

8 ：組立シミュレーション Expert モード（任意の3 ：バルブの部品を個別に表示作業手順を作ることが出来る）

4 ：グランドパッキングの締付けシミュレーション

9 ：バルブ運転シミュレーション

5 ：分解シミュレーション Beginner モード

10：バルブの故障例を表示

6 ：分解シミュレーション Expert モード （任意の11 ：バルブ全体のモデルを表示
12 ： Virtual Valve の終了作業手順を作ることが出来る）

図1

メインメニューに，Internet EXPLORER（Ver4.x 以上）を Browser（1）電動仕切弁構成部品の構築とし，画面左側には作業手順書の内容を，画面右側電動仕切弁を構成する 16 種類の部品について全には Superscape 社で開発された VRT を用いて作成形モデルを構築した．これらの部品はマウスの操作した電動仕切弁を表示している．また，画面のレイにより，内部を含めてあらゆる視点から可視可能でアウトは HTML（Hyper Text Markup Language）をあり，材質，不具合事例（写真）の付加情報にリン用いて制御している．

クできる（弁箱の例を図３に示す）．

これにより，3.1 で述べたように専用のマシンをこれらの部品を組み合わせて電動仕切弁の全体モ用いることなく，汎用品のパーソナルコンピュータデルを構築した．また，内部の構造が理解しやすいで教育訓練支援システムの体験が可能であり，インように 1/2 カットモデルを構築した．これらのモデターネットを利用しての活用を実現している．

ルについても，マウスの操作によりあらゆる視点か

次に，3.3 で述べた機能について以下に示す．

ら見ることができ，直感的に構造を理解することが139

1 ：分解作業の手順を説明し，各ボタンを押すと

5 ：現在の作業の進行状況を表示

その作業に対応した動きを VRT の中で実行

黒字＝終了していない作業

2 ： VRT 画面

点滅＝実行中の作業

3 ：終了した作業をリセットし，初めの状態に戻す

濃黄＝終了した作業

4 ：始めたい作業を選択するとその作業までジャンプする

図2

分解シミュレーション（Beginner モード）可能である．

用し，当日行う作業の注意事項のみの再確認（2）作業手順書に基づく弁の分解・組立作業の構築等に使用する．これにより，マンマンインタ定められた作業手順に基づく弁の分解・組立作業ーフェイスの改善に寄与できることが予想さは，分解・組立シミュレーションの Beginner モー

れ，作業におけるヒューマンエラーの低減がドで行うことができる．Beginner モードでは，次の３種類の方法で操作ができるようにしている．
① 一連の作業手順を自動で実行する：作業手順の流れを理解する．

期待できる．
①〜③のいずれの方法も，作業手順書側のボタンやプルダウンメニューをマウスでクリックすることにより，3D − CG の画面がリンクして動くようにし② 各作業ステップを確認しながら実行する：実ている．これにより，作業手順を確認しながら実際際の定期検査で行う作業手順を習得し，注意の動きも見ることができるので，従来のテキストベ事項の意味等について理解を深める．

ースのみの教育に比べ理解を深められることが期待③ 任意の作業ステップを実行する：作業現場での TBM(Tool Box Meeting)で本システムを活される．
なお，分解作業の実行状況を図４に示す．

140

図3

部品形状表示（弁箱の例）

図4

分解作業の実行状況

141（3）任意な作業手順に対応した弁の分解・組立に係る作業の構築
任意な作業手順での実施は，分解・組立シミュレーションの Expert モードで行うことができる．学るツールとして本システムは有効であるとの評価を得た．
今回作成したシステムはプロトタイプであり，今後，システムの評価，改善を行っていきたい．

習者は，先ず自分で作業手順を作成し，その手順が今回のシステムでは，教育訓練対象設備として電物理的に実施可能であれば作業が実行できるように動仕切弁を選定したが，より 3D − CG 技術の特徴をしている．また，通常の作業手順の変更により発生活かすためには，人間が通常入れない機器，例えばする可能性のある支障について，注意事項という形蒸気発生器２次側や原子炉容器内部の構造理解へので表示し，作業手順が定められた意味が理解できる活用が考えられる．また，教育訓練支援システムとようにしている．

しての有効性を更に高めるためには，3D − CG 技術（4）不具合事例の学習と感覚デバイスを組み合わせた，いわゆる VR 技術

この機能については，作業ミスに起因した不具合を応用したシステムとし，実機訓練を体験できるもを体験学習できるものとして，グランドパッキングのが望まれる．実機に触れる感覚を実感するために締付けシミュレーションを構築した．グランドパッは，VR 技術の要素技術である感覚デバイスの開発

キング締付け作業の不備に起因する，弁のグランドが待たれる．優れたものが開発されれば，本システ部からの漏えい事象について，そのメカニズムを体ムと組み合わせることにより，例えば高放射線環境験的に学習できるようにしている．具体的には，グ下における機器の保修の訓練への活用が期待され

ランドパッキングの種類・組み合わせ，締め付け力，る．

増し締め時期を学習者が選択・決定し，その結果がどうなるかを表示することにより，一方的な知識の謝辞

6.

付与でなく，学習者が興味を持って知識を習得できるようにしている．

本システムの構築に当たり，資料の提供，適切な助言をしていただいた，関西電力（株）高浜発電所および原子力保修訓練センターの方々に深く感謝い

5．あとがきたします．また，実際の分解・組立手順を教示していただいた東亜バルブ（株）の皆様に深く感謝いた

3D − CG 技術を応用した教育訓練支援システムをします．

試作した．このシステムのねらいは，何もない所に訓練設備を構築できる，見えない所の可視化ができる，実際には行ってはいけないことが体験できるこ

文献と等の特徴を教育訓練支援に活用し，3D − CG 技術
1992の有効性を確認することである．また，現在の主流（1）舘であるワークステーションで動作させるのものでは（2）廣瀬通孝

なく，パーソナルコンピュータをプラットホームとして動作するシステムとしたことが特徴である．
システムの有効性に関する詳細な評価は行っていないが，関西電力（株）本店 原子力・火力本部および原子力保修訓練センターでプレゼンテーションを

人工現実感，日刊工業新聞社
1993

バーチャル・リアリティ，

産業図書（3）吉川榮和他

1996

人工現実感（バーチャルリアリティ）の原子力工学への適用，日本原子力学会誌（4）吉川榮和他

Vol.38，No.9，737 − 745．
1997

仮想空間における機器行った結果，パーソナルコンピュータを用いること保修訓練シミュレーション，日本原子力学会による限界もあるが，机上教育訓練を支援・補完す誌

Vol.39，No.12，1078 − 1089．