0 引言

    很多企業(yè)正在面臨著昂貴的設(shè)備檢修學習，傳統(tǒng)的培訓中使用模擬機進行模擬檢修或者使用視頻教學的方式進行教學，而模擬機或者真機操作首先會造成設(shè)備磨損，并且每次學習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)實中的培訓內(nèi)容通過對受訓人員來說不生動，無法實際操作，不能加深培訓印象成了現(xiàn)在電力行業(yè)培訓的一大難點，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)備進行學習，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)進行員工培訓了，而且虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)成為未來培訓的一種趨勢。

    很多安全事故在傳統(tǒng)的培訓中普遍采用視頻教學的方式進行灌輸培訓，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)場進行學習，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，從而使得培訓效果更佳。

1.2 虛擬現(xiàn)實培訓課件技術(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)進行了解學習，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、培訓管理3個主要功能。培訓管理將培訓計劃、培訓教室、培訓課程、培訓過程及結(jié)果透明化，使培訓管理人員和參與培訓人員都有一個整體的培訓了解和把控，旨在提升培訓質(zhì)量，提高培訓效果；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)對參與培訓人員和培訓管理人員的基礎(chǔ)管理功能，并實現(xiàn)培訓計劃、培訓教室、培訓成績管理以及統(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人員與指導(dǎo)人員。

    根據(jù)參訓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)布可以使得參訓人員更直接地對相應(yīng)的課程進行學習。

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

    (3)培訓管理

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

1.4 培訓環(huán)境

    虛擬現(xiàn)實培訓系統(tǒng)的培訓環(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)實培訓系統(tǒng)教室環(huán)境

    虛擬現(xiàn)實培訓的教室環(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)實培訓系統(tǒng)中的交互式培訓體系經(jīng)過在中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司大理局的應(yīng)用，得到了公司內(nèi)受訓員工的一致好評。本次交互式培訓體系的硬件應(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)中學習培訓是避免事故發(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)進行培訓可以使得許多真實環(huán)境下難以實現(xiàn)的培訓變成可能，并且給培訓帶來了質(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)培訓系統(tǒng)在企業(yè)培訓中相對傳統(tǒng)培訓的一些優(yōu)勢，后期在與培訓切合的課件上進行一系列的內(nèi)容積累，會使該培訓系統(tǒng)更加完善。

參考文獻

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作者信息:

劉  進，張鵬望

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