0 引言

    很多企業(yè)正在面臨著昂貴的設(shè)備檢修學(xué)習(xí)，傳統(tǒng)的培訓(xùn)中使用模擬機進行模擬檢修或者使用視頻教學(xué)的方式進行教學(xué)，而模擬機或者真機操作首先會造成設(shè)備磨損，并且每次學(xué)習(xí)后都需要較長的時間進行設(shè)備還原等操作^[1]。而電力行業(yè)中的作業(yè)集環(huán)境不可確定、作業(yè)流程復(fù)雜、作業(yè)內(nèi)容危險等各種問題于一體，對作業(yè)人員的作業(yè)水平要求很高，因此電力行業(yè)中的工作人員需要大量的培訓(xùn)來完善提升其工作技能，解決人員在實際作業(yè)中遇到的一些問題。但是現(xiàn)實中的培訓(xùn)內(nèi)容通過對受訓(xùn)人員來說不生動，無法實際操作，不能加深培訓(xùn)印象成了現(xiàn)在電力行業(yè)培訓(xùn)的一大難點，在新技術(shù)層出不窮的年代，電力行業(yè)急需一套針對于此行業(yè)培訓(xùn)的新體系。本系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一項具有交互性的且沉浸感極強的人機交互系統(tǒng)，體驗者可以通過頭戴顯示器、定位追蹤器等設(shè)備于計算機進行交互。通過計算機技術(shù)創(chuàng)造一個虛擬世界，通過視覺、聽覺等反饋給體驗者，使其沉浸其中，并且是一種可交互式仿真環(huán)境系統(tǒng)^[2-3]。對電力行業(yè)不可確定的環(huán)境、復(fù)雜的作業(yè)流程，危險的作業(yè)內(nèi)容進行模擬，讓受訓(xùn)人員在沉浸感很強的虛擬世界中的快速提升電力作業(yè)技能。使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以把所有設(shè)備進行1：1還原模擬，體驗者可以直接在虛擬環(huán)境中對相應(yīng)的設(shè)備進行學(xué)習(xí)，并且程序可復(fù)用，可以在很短的時間內(nèi)進行反復(fù)操作。

    基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的培訓(xùn)系統(tǒng)具有沉浸性、交互性、感知性和安全性等特征，而且傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式是無法比擬的。目前在現(xiàn)有的行業(yè)中很多企業(yè)已經(jīng)使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行員工培訓(xùn)了，而且虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)成為未來培訓(xùn)的一種趨勢。

    很多安全事故在傳統(tǒng)的培訓(xùn)中普遍采用視頻教學(xué)的方式進行灌輸培訓(xùn)，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以把歷史事故進行完美還原，讓員工在安全的環(huán)境下進入事故現(xiàn)場進行學(xué)習(xí)，從而加深對事故的認知和應(yīng)變能力^[4]。

    在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以在一個有限的空間中制造一個無限空間的人造環(huán)境，并且通過三維建模的方式1：1還原真實環(huán)境并呈現(xiàn)給體驗者，而且多種硬件設(shè)備相結(jié)合使用可以使體驗者完美地沉浸到虛擬世界中進行人機交互^[5]。在很多企業(yè)中，很多員工可能需要面對不同危險程度的工作，所以熟練的操作技巧、靈敏的反應(yīng)能力和嚴謹?shù)陌踩庾R是必不可少的。

1 虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

    虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)由使用人員、硬件終端、軟件平臺、培訓(xùn)環(huán)境組成。

1.1 虛擬現(xiàn)實體驗終端

    虛擬現(xiàn)實體驗終端目前在國內(nèi)外推出的比較成熟的產(chǎn)品已經(jīng)有很多了，其中包括移動端設(shè)備、PC端設(shè)備以及體感類設(shè)備等，如圖2所示。具體介紹如下：

    (1)移動端設(shè)備

    大多數(shù)移動端虛擬現(xiàn)實設(shè)備都只有方向追蹤，通過嵌入式陀螺儀來跟蹤方向，并且交互外設(shè)相對較少，所以比較適合進行展示類課件體驗。

    (2)PC端設(shè)備

    PC端虛擬現(xiàn)實設(shè)備中比較成熟的采用的都是使用方向追蹤+位置追蹤，通過位置追蹤設(shè)備捕獲到體驗者的實際位置，并且同步到虛擬場景中，依托強大的計算機系統(tǒng)和交互類配件來進行人機交互。

    (3)體感設(shè)備

    在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中可以通過程序來完美的模擬出一些失重、移動、旋轉(zhuǎn)等效果，而體驗者通過顯示設(shè)備可以在視覺上感知出相應(yīng)的效果，但是人的大腦往往會因思想和肢體不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致一些效果無法深刻地感受，此時結(jié)合一些可以使人肢體上也得到相應(yīng)感受的動感設(shè)備可以大幅度增加體驗者的體驗效果，從而使得培訓(xùn)效果更佳。

1.2 虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)課件技術(shù)

    虛擬現(xiàn)實課件的底層技術(shù)包括了虛擬現(xiàn)實建模技術(shù)與虛擬現(xiàn)實場景開發(fā)技術(shù)兩模塊，兩者缺一不可。通過構(gòu)建的虛擬模型搭建出虛擬的場景，而在場景終的拿、走、放等一系列的動作則是需要有場景開發(fā)技術(shù)的參與，二者相輔相成，才能完成虛擬與現(xiàn)實的結(jié)合。

1.2.1 虛擬現(xiàn)實建模技術(shù)

    虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一個由計算機在數(shù)字空間中模擬真是世界的展示形式，為了突出其真實的沉浸感，建模技術(shù)起到了非常重要的作用。

    首先是幾何建模：在形狀上虛擬現(xiàn)實建模采用的是真實環(huán)境資源采集，或者直接使用工業(yè)制作圖紙設(shè)計出來的1：1還原的模型，在外觀上采用的是真實設(shè)備的外觀色澤進行材質(zhì)收集，并且附加在模型上，使得體驗者在虛擬世界中可以直觀地看到一個被還原的真實世界。

    其次是動作模型：幾何模型可以給人一個靜態(tài)的虛擬環(huán)境，而附加上動作特征之后才會使得環(huán)境更為真實，移動、旋轉(zhuǎn)、縮放、改變外形以及一些類人動作是必不可缺的，使用真實動作還原給虛擬世界添加真實性。

    最后是物理建模：在幾何模型和動作模型相結(jié)合的狀態(tài)下，虛擬的環(huán)境已經(jīng)可以給人一種真實的身臨其境的感覺了，但是為了模擬出真實環(huán)境中由于一些誤操作等原因造成的嚴重后果，此時需要使用一些物理特性(包括慣性、重力、硬度、變形等)和粒子系統(tǒng)(包括火焰、冰雪、風(fēng)雨、山河、湖泊等)現(xiàn)象，使得虛擬世界可以更真實地還原一個生態(tài)系統(tǒng)。

1.2.2 虛擬現(xiàn)實課件開發(fā)平臺

    為實現(xiàn)需要的功能，通過計算機技術(shù)將這些資源整合成一個三維、可視化、可交互的虛擬現(xiàn)實軟件，首先需要根據(jù)業(yè)務(wù)進行資源整合。

    首先進行場景設(shè)計、交互流程設(shè)計、原型設(shè)計、視覺設(shè)計、建模設(shè)計、聲音、角色等。

    然后選擇開發(fā)設(shè)計需要的工具：Photoshop、3dsMax、MAYA、C4D、Unity3D等。制作過程中遵循交互、視覺、聲音、反饋等設(shè)計原則并建立對應(yīng)軟件的設(shè)計規(guī)范，根據(jù)需要制作的軟件選擇適合每個環(huán)節(jié)的人員進行指責(zé)劃分進行實施制作。

    最后制作完成后進行系統(tǒng)測試，根據(jù)初始需求進行功能測試保證每一個環(huán)節(jié)的合理、符合實際并且可以滿足需求。

    本文以使用Unity3D引擎進行虛擬現(xiàn)實程序開發(fā)為例進行描述，采用的Unity3D引擎開發(fā)的大致流程如圖3所示。

    (1)首先確定培訓(xùn)內(nèi)容，根據(jù)內(nèi)容進行需求收集和分析，根據(jù)需求對相應(yīng)的業(yè)務(wù)進行了解學(xué)習(xí)，然后根據(jù)業(yè)務(wù)內(nèi)容和需求制定詳細的設(shè)計方案。

    (2)進行美術(shù)資源收集，根據(jù)培訓(xùn)內(nèi)容收集對應(yīng)的美術(shù)素材，包括模型收集、材質(zhì)收集以及動作收集等。

    (3)進行美術(shù)制作，使用3DMAX進行建模，同時使用PS等工具進行材質(zhì)貼圖制作，然后再需要動作的模型上添加骨骼動畫，最后導(dǎo)出Unity所支持的FBX格式或者OBJ格式。

    (4)將建立好的模型進行場景搭建，首先對場景進行搭建，然后根據(jù)實際環(huán)境進行燈光搭建，根據(jù)不同的平臺進行模型類別設(shè)計，然后進行場景環(huán)境優(yōu)化以達到最佳效果，最后進行鏡頭效果處理并使用頭盔進行實際效果展示。

    (5)程序設(shè)計，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進行交互效果設(shè)計，包括主動交互和被動交互，根據(jù)展示平臺進行SDK選擇，涉及到交互的需要根據(jù)實際動作和交互內(nèi)容進行交互設(shè)計，最后和培訓(xùn)系統(tǒng)進行對接。

    制作完成后根據(jù)所需平臺和交互內(nèi)容對整個內(nèi)容進行優(yōu)化配置，然后輸出對應(yīng)的平臺版本，根據(jù)所需平臺進行相應(yīng)的測試工作。

1.3 虛擬現(xiàn)實課件管理平臺

    虛擬現(xiàn)實課件管理平臺架構(gòu)圖如圖4所示。

    由圖4可以看出，虛擬現(xiàn)實課件管理平臺包括系統(tǒng)功能、資源管理、培訓(xùn)管理3個主要功能。培訓(xùn)管理將培訓(xùn)計劃、培訓(xùn)教室、培訓(xùn)課程、培訓(xùn)過程及結(jié)果透明化，使培訓(xùn)管理人員和參與培訓(xùn)人員都有一個整體的培訓(xùn)了解和把控，旨在提升培訓(xùn)質(zhì)量，提高培訓(xùn)效果；資源管理實現(xiàn)對課件內(nèi)容的管理功能以及課件發(fā)布功能，對課件等資源進行統(tǒng)一管理，同時實現(xiàn)對培訓(xùn)過程終端的控制功能，包含課件等資源的下載、播放暫停等功能；系統(tǒng)基礎(chǔ)功能模塊實現(xiàn)對參與培訓(xùn)人員和培訓(xùn)管理人員的基礎(chǔ)管理功能，并實現(xiàn)培訓(xùn)計劃、培訓(xùn)教室、培訓(xùn)成績管理以及統(tǒng)計分析等功能。

    (1)系統(tǒng)功能

    系統(tǒng)功能由用戶管理、角色管理和權(quán)限控制三部分組成。

    相關(guān)企業(yè)可以通過用戶管理來添加刪除參訓(xùn)人員與指導(dǎo)人員。

    根據(jù)參訓(xùn)人員的工作來進行角色管理達到術(shù)業(yè)專攻的目的。

    根據(jù)相關(guān)角色和用戶來進行權(quán)限分配，指導(dǎo)師會有指導(dǎo)權(quán)限，而參訓(xùn)人員也有相應(yīng)的操作權(quán)限。

    (2)資源管理

    需要根據(jù)企業(yè)發(fā)展和規(guī)劃可以隨時進行課件的增刪改查，所以作為一個完整的系統(tǒng)，課件的管理是不可缺少的。

    為了避免參訓(xùn)設(shè)備的繁瑣操作，在相應(yīng)權(quán)限的終端上進行課件推送發(fā)布可以使得參訓(xùn)人員更直接地對相應(yīng)的課程進行學(xué)習(xí)。

    為了更好地對參訓(xùn)人員進行指導(dǎo)學(xué)習(xí)，指導(dǎo)人員可以和參訓(xùn)人同步進行觀看，而指導(dǎo)人可以控制參訓(xùn)人員所操作的終端以達到更好的觀看學(xué)習(xí)效果。

    (3)培訓(xùn)管理

    參訓(xùn)人員在訓(xùn)練過程中，指導(dǎo)人員可以通過相應(yīng)的面板來管理參訓(xùn)人員的實時進度或者掌握情況等信息。

1.4 培訓(xùn)環(huán)境

    虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)系統(tǒng)的培訓(xùn)環(huán)境包括基礎(chǔ)環(huán)境與教室環(huán)境兩大部分，兩個環(huán)境確定了培訓(xùn)的規(guī)模、成效等，下面是對兩個環(huán)境的詳細描述。

1.4.1 虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)系統(tǒng)基礎(chǔ)環(huán)境

    虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)系統(tǒng)由服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)、基礎(chǔ)軟件組成。其中服務(wù)器的操作系統(tǒng)為Windows Server，部署mySql數(shù)據(jù)庫，采用兩臺機架式服務(wù)器，實現(xiàn)雙機熱備功能。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境采用千兆以太網(wǎng)絡(luò)，保證每個VR終端的接入帶寬不低于1 000 Mb/s。

1.4.2 虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)系統(tǒng)教室環(huán)境

    虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)的教室環(huán)境分為虛擬現(xiàn)實展示類教室與虛擬現(xiàn)實交互類教室兩大類，具體描述如下：

    (1)虛擬現(xiàn)實展示類教室

    展示類教室通常不需要預(yù)留交互空間，體驗者只需要帶上設(shè)備進行展示內(nèi)容觀看即可，所以該類型教室單人使用面積只需要1 m²左右。

    (2)虛擬現(xiàn)實交互類教室

    交互類教室可根據(jù)虛擬現(xiàn)實設(shè)備進行場地規(guī)劃，由于涉及到體驗者的自由移動空間以及交互空間，所以建議空間最好不小于2 m×2 m。

2 電力行業(yè)應(yīng)用

    本套虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)系統(tǒng)中的交互式培訓(xùn)體系經(jīng)過在中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司大理局的應(yīng)用，得到了公司內(nèi)受訓(xùn)員工的一致好評。本次交互式培訓(xùn)體系的硬件應(yīng)用參數(shù)與行業(yè)內(nèi)的對比如表1所示。

    通過參數(shù)比較可知，該虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備領(lǐng)先于行業(yè)要求標準，為以后的培訓(xùn)課件應(yīng)用打下了扎實的基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

    在電力行業(yè)中學(xué)習(xí)培訓(xùn)是避免事故發(fā)生的有效方法之一，也是有效提升工作能力的方法之一，而使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行培訓(xùn)可以使得許多真實環(huán)境下難以實現(xiàn)的培訓(xùn)變成可能，并且給培訓(xùn)帶來了質(zhì)的改革。本文介紹了該款虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，并闡述了一款虛擬現(xiàn)實技術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)在企業(yè)培訓(xùn)中相對傳統(tǒng)培訓(xùn)的一些優(yōu)勢，后期在與培訓(xùn)切合的課件上進行一系列的內(nèi)容積累，會使該培訓(xùn)系統(tǒng)更加完善。

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作者信息:

劉  進，張鵬望

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司大理局，云南 大理671000）