虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在培訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用探討

宋新新，甘言禮，任玉保

（國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

當(dāng)前，電力變電運(yùn)維人員培訓(xùn)采用的方法和技術(shù)手段包括兩類：一是傳統(tǒng)的面對(duì)面授課、圖冊(cè)、多媒體課件等形式，進(jìn)行電力變電運(yùn)維知識(shí)的養(yǎng)成；二是基于實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行電力變電運(yùn)維實(shí)操。第一類培訓(xùn)手段主要側(cè)重于電力變電運(yùn)維知識(shí)的灌輸，無(wú)法滿足電力變電運(yùn)維技能的培訓(xùn)要求，尤其是對(duì)人員的操作正確性和規(guī)范性的培訓(xùn)，實(shí)用性較差。第二類實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)類技術(shù)手段采用與實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境一致的設(shè)備和實(shí)物，其培訓(xùn)的真實(shí)性、一致性高，是理想的電力安全培訓(xùn)手段。但是，由于電力運(yùn)行生產(chǎn)具有高電壓、大電流的特點(diǎn)，采用全實(shí)物仿真將無(wú)法保障培訓(xùn)人員的人身安全，并且建設(shè)一座培訓(xùn)變電站既需要較大的占地，也需要昂貴的變電站設(shè)備且不能帶電運(yùn)行。一次投入資金較大，也無(wú)法滿足為實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)所需要具備的設(shè)備、技術(shù)的更新。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電力變電運(yùn)維人員培訓(xùn)的有效支撐，在培訓(xùn)過程中采用具有真實(shí)性、一致性、安全性和時(shí)效性特征的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的變電設(shè)備集中監(jiān)控與運(yùn)維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)尤為必要。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在培訓(xùn)教學(xué)中的必要性

近年來(lái)，國(guó)網(wǎng)公司對(duì)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行和設(shè)備運(yùn)檢人員的實(shí)訓(xùn)高度重視，主要采用傳統(tǒng)的調(diào)控一體化數(shù)字仿真培訓(xùn)系統(tǒng)、變電站數(shù)字仿真培訓(xùn)系統(tǒng)、基于真實(shí)設(shè)備的實(shí)訓(xùn)環(huán)境、基于多媒體的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)等方式對(duì)相關(guān)人員有效地開展了技能培訓(xùn)、考核及鑒定。

隨著培訓(xùn)業(yè)務(wù)的增加，傳統(tǒng)培訓(xùn)系統(tǒng)的不足之處也日漸凸顯?；谡鎸?shí)設(shè)備的實(shí)訓(xùn)方式存在占地面積大，投資費(fèi)用高，有些設(shè)備難以或無(wú)法拆解，學(xué)員無(wú)法深入了解與學(xué)習(xí)內(nèi)部構(gòu)造、運(yùn)行機(jī)理，無(wú)法疊加培訓(xùn)信息以及異常、故障的現(xiàn)象，設(shè)備容易損壞，無(wú)法同時(shí)支持大量學(xué)員同時(shí)開展實(shí)訓(xùn)，可擴(kuò)展性低、費(fèi)用高等問題。因此，迫切需要利用當(dāng)前最新的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究成果和交互設(shè)備，構(gòu)建具有高度沉浸感的變電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站電氣設(shè)備、輔助設(shè)備、環(huán)境場(chǎng)景以及虛擬人等的建模與仿真，進(jìn)行倒閘操作、事故處理、日常巡視和運(yùn)行維護(hù)工作的真實(shí)演示和互動(dòng)操作。

基于多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的培訓(xùn)方式具備培訓(xùn)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)化，重復(fù)利用性高，最大程度模擬真實(shí)環(huán)境，可單兵訓(xùn)練，也可以集體協(xié)同訓(xùn)練，并能支撐大量學(xué)員同時(shí)開展培訓(xùn)等特點(diǎn)。結(jié)合已建設(shè)智能變電站實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，構(gòu)建真實(shí)場(chǎng)景與虛擬信息“虛實(shí)融合”的培訓(xùn)情境，可以全面提升變電設(shè)備運(yùn)維培訓(xùn)的學(xué)習(xí)、認(rèn)知及培訓(xùn)效果。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)以及各種顯示和控制等接口設(shè)備，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行相互作用、相互影響，可以產(chǎn)生親臨真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。VR技術(shù)實(shí)時(shí)的三維空間表現(xiàn)能力、人機(jī)交互式的操作環(huán)境以及給人帶來(lái)的身臨其境感受，將一改人與計(jì)算機(jī)之間枯燥、生硬和被動(dòng)的現(xiàn)狀，為人機(jī)交互界面開創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域［1-3］。

“十二五”期間，科技部設(shè)置了虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)字媒體主題，科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金從VR顯示、VR內(nèi)容感知、VR內(nèi)容智能處理、VR內(nèi)容生成、VR內(nèi)容呈現(xiàn)、VR交互等方面，部署了多項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目、國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目和重大項(xiàng)目，可作為虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)的官方分類依據(jù)，如圖1所示。

VR硬件包括顯示設(shè)備、力觸覺交互設(shè)備、專用芯片等，也是目前制約虛擬現(xiàn)實(shí)商用化的主要因素。VR交互重點(diǎn)研究符合人類習(xí)慣的交互技術(shù)，以提高人對(duì)復(fù)雜信息的認(rèn)知能力。傳統(tǒng)人機(jī)交互主要通過鼠標(biāo)、鍵盤及操縱桿等設(shè)備實(shí)現(xiàn)。多通道交互方式是以用戶為中心，采用視覺、語(yǔ)音、姿勢(shì)、表情等多通道，實(shí)現(xiàn)高效的人機(jī)交互。VR需要處理的數(shù)字化內(nèi)容類型眾多，按照不同處理階段，可以劃分為獲取、分析、建模、呈現(xiàn)4個(gè)方面。VR支撐技術(shù)中開發(fā)平臺(tái)主要用于三維圖形驅(qū)動(dòng)的建立和應(yīng)用功能的二次開發(fā)，同時(shí)也是連接虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)、建立數(shù)學(xué)模型和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)平臺(tái)，是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的開發(fā)、運(yùn)算、生成，連接和協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的工作和運(yùn)轉(zhuǎn)。高性能計(jì)算處理技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)，實(shí)時(shí)、逼真圖形圖像生成與顯示技術(shù)，多種聲音的合成與聲音空間化技術(shù)。多維信息數(shù)據(jù)的融合、數(shù)據(jù)壓縮以及數(shù)據(jù)庫(kù)的生成，包括命令識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別，以及手勢(shì)和人的面部表情信息的檢測(cè)等在內(nèi)的模式識(shí)別。分布式與并行計(jì)算，以及高速、大規(guī)模的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［4-6］。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在培訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

基于現(xiàn)有的運(yùn)維仿真培訓(xùn)環(huán)境，培訓(xùn)場(chǎng)景與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)差別較大，交互方式與實(shí)際操作差別較大，真實(shí)感和沉浸感欠缺等問題。針對(duì)變電設(shè)備運(yùn)維人員對(duì)培訓(xùn)環(huán)境交互性、情境性、體驗(yàn)感更高的需求，我們利用南瑞集團(tuán)在電網(wǎng)調(diào)控一體化仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真、多媒體培訓(xùn)等方面的技術(shù)成果及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)等最新技術(shù)成果，研究提出基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的變電設(shè)備運(yùn)維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)，突破面向變電設(shè)備的實(shí)時(shí)追蹤、三維注冊(cè)和人機(jī)交互等關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合已建設(shè)智能變電站實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，構(gòu)建真實(shí)場(chǎng)景與虛擬信息“虛實(shí)融合”的培訓(xùn)情境，全面提升變電設(shè)備運(yùn)維培訓(xùn)的學(xué)習(xí)、認(rèn)知及培訓(xùn)效果。

目前，基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的變電設(shè)備監(jiān)控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)示范系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成，并在國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院進(jìn)行系統(tǒng)試用。為變電設(shè)備監(jiān)控人員和設(shè)備運(yùn)維人員提供了一個(gè)真實(shí)性好、形象逼真、使用方便的培訓(xùn)工具，可以全面提高變電站設(shè)備監(jiān)控和運(yùn)維人員掌握新型設(shè)備運(yùn)行特性的能力和處理電網(wǎng)運(yùn)行的突發(fā)事故應(yīng)變能力，提高技術(shù)素養(yǎng)和技能水平。這項(xiàng)成果也可推廣到各級(jí)電網(wǎng)調(diào)控中心、電力培訓(xùn)機(jī)構(gòu)及科研院校進(jìn)行相關(guān)專業(yè)的培訓(xùn)、實(shí)訓(xùn)、教學(xué)、考核及鑒定等。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的變電設(shè)備監(jiān)控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)的提出，加之面向變電站一二次設(shè)備場(chǎng)景的優(yōu)化建模、快速渲染、立體顯示和虛擬交互設(shè)備人機(jī)接口等關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合已建設(shè)變電站三維設(shè)備仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，構(gòu)建了具有高度沉浸感和自然交互體驗(yàn)感的變電一二次設(shè)備虛擬培訓(xùn)環(huán)境，對(duì)培訓(xùn)效果的提升起到了關(guān)鍵作用。我們將應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)最新技術(shù)，全面提升已有變電設(shè)備監(jiān)控仿真系統(tǒng)和變電站運(yùn)維實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)用性、交互性、情境性、實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性和靈活性，為電網(wǎng)變電設(shè)備集中監(jiān)控人員及變電設(shè)備運(yùn)維人員建立一套虛實(shí)融合、自然交互、形象逼真和專業(yè)高效的仿真培訓(xùn)情境，在較短的時(shí)間內(nèi)提高相關(guān)受訓(xùn)人員的工作技能，加快高水平“大運(yùn)行”和“大檢修”體系下運(yùn)行維護(hù)人才隊(duì)伍的建設(shè)，保證電網(wǎng)安全、可靠和優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，并大幅度提高了電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)研究開發(fā)技術(shù)水平。

［1］姜學(xué)智，李忠華.國(guó)內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究現(xiàn)狀［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（2）：70-73.

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［3］張媛.圖書館虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用研究演進(jìn)的可視化分析［J］.國(guó)家圖書館學(xué)刊，2017（4）：33-35.

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