基于虛擬現(xiàn)實(shí)和協(xié)同工作的UPS巡檢技能培訓(xùn)系統(tǒng)

馬小琴

摘? 要：為了解決員工UPS巡檢培訓(xùn)的不足，研究了基于虛擬現(xiàn)實(shí)和協(xié)同工作的UPS巡檢技能培訓(xùn)系統(tǒng)。文章研究了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作技術(shù)，提出了UPS培訓(xùn)的系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)架構(gòu)和功能框架。建造了UPS技能虛擬培訓(xùn)場(chǎng)景，并在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行了應(yīng)用和部署。該系統(tǒng)沉浸感強(qiáng)有吸引力，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)員的積極性，能夠?qū)崿F(xiàn)多人協(xié)同訓(xùn)練，提高培訓(xùn)效果。

關(guān)鍵詞：電力;培訓(xùn)系統(tǒng);虛擬現(xiàn)實(shí);協(xié)同工作;UPS

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）10-0075-03

Abstract： In order to solve the shortcomings of UPS inspection training for employees， a UPS inspection skills training system based on Virtual Reality （VC） and cooperative work is studied. In this paper， virtual reality technology and computer-supported cooperative work technology are studied， the system scheme of UPS training is put forward， and the system architecture and functional framework are designed. The virtual training scenario of UPS skills is constructed and applied and deployed in the network environment. The system has a strong sense of immersion and attractiveness， can mobilize the enthusiasm of students， and can achieve multi-person collaborative training， thus improving the training effect.

Keywords： electric power; training system; Virtual Reality （VC）; cooperative work; UPS

1 概述

目前，專業(yè)技能升級(jí)和培訓(xùn)主要通過(guò)師傅的集中講座培訓(xùn)學(xué)徒來(lái)實(shí)現(xiàn)。信息中心UPS機(jī)房業(yè)務(wù)人員不僅需要掌握豐富的業(yè)務(wù)知識(shí)，還需精通實(shí)際操作，以及現(xiàn)場(chǎng)故障處理能力，以確保效率和質(zhì)量。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)過(guò)程操作和控制培訓(xùn)的仿真概念已應(yīng)用于商業(yè)運(yùn)營(yíng)和管理培訓(xùn)。銀行、電信等行業(yè)公司建立了一系列仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，如仿真業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，客戶服務(wù)場(chǎng)景等。在電力行業(yè)也建立起一系列仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，如仿真電網(wǎng)調(diào)度，電網(wǎng)故障應(yīng)急維修，變電站維護(hù)等。

2 研究對(duì)現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展的作用

為了適應(yīng)信息中心UPS機(jī)房業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，有必要建立一套信息中心UPS機(jī)房巡檢培訓(xùn)系統(tǒng)。信息中心UPS機(jī)房業(yè)務(wù)人員可以透過(guò)業(yè)務(wù)仿真系統(tǒng)，對(duì)巡檢、大充大放等情況進(jìn)行仿真，完整模擬信息中心UPS機(jī)房業(yè)務(wù)人員仿真培訓(xùn)的環(huán)境，提高從業(yè)技術(shù)人員的專業(yè)能力，以適應(yīng)電力系統(tǒng)的業(yè)務(wù)發(fā)展需求。并且在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，工作通常由多人協(xié)作完成，現(xiàn)有的培訓(xùn)不能滿足要求。針對(duì)UPS培訓(xùn)工作中存在的問(wèn)題，本文將多人合作技術(shù)、VR硬件與資源的聯(lián)動(dòng)結(jié)合起來(lái)?；谔摂M現(xiàn)實(shí)和共同協(xié)作，開(kāi)發(fā)UPS巡檢技能培訓(xùn)系統(tǒng)，以進(jìn)一步改進(jìn)UPS培訓(xùn)及UPS的安全操作。

3 協(xié)同工作與虛擬現(xiàn)實(shí)

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1998年“虛擬現(xiàn)實(shí)術(shù)語(yǔ)工作組”在IEEE標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的解釋：“用于創(chuàng)建人造世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在這個(gè)世界里，使用者有沉浸于其中的感覺(jué)，能在其中漫游并能操縱其內(nèi)的物體”。[1]虛擬現(xiàn)實(shí)淺白的講就是虛擬出一個(gè)仿佛真實(shí)的世界，透過(guò)頭戴式VR裝置，看見(jiàn)360度的無(wú)死角畫(huà)面，達(dá)到“身歷其境”的感受。

在對(duì)UPS虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，全面的對(duì)UPS真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行建模，使UPS三維模型成為實(shí)時(shí)交互式模型顯示和實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)，然后進(jìn)入虛擬場(chǎng)景通過(guò)人機(jī)交互界面，讓學(xué)員感覺(jué)到實(shí)際上處于一個(gè)完全可信的虛擬世界。它是雙向交互式的：當(dāng)操作所看到的設(shè)備時(shí)，操作的設(shè)備將獲得反饋。它可以有效降低培訓(xùn)過(guò)程中的危險(xiǎn)，對(duì)推動(dòng)相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)方法的轉(zhuǎn)變起到重要作用。

3.2 計(jì)算機(jī)支持的共同協(xié)作工作技術(shù)

單人工作方式已經(jīng)無(wú)法滿足在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代工作的需求，多人合作可以有效提高效率。計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作（CSCW：Computer Supported Cooperative Work）。它的提出和實(shí)現(xiàn)從根本上改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的工作方式和生活方式。CSCW是在1984年由MIT的Irene Greif和DEC的 Paul Cashman首先提出的[2]。CSCW經(jīng)過(guò)多年的研究使用，已成為了一門(mén)新的學(xué)科。并在各個(gè)領(lǐng)域都有所應(yīng)用。CSCW的基本解釋是：團(tuán)隊(duì)在計(jì)算機(jī)環(huán)境（CS）下的合作，特別是對(duì)于完成一項(xiàng)任務(wù)在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下（CW）。包括協(xié)調(diào)系統(tǒng)的建設(shè)、團(tuán)隊(duì)合作研究、支持團(tuán)隊(duì)研究和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。它可以包括四種形式的工作：同時(shí)異地、同時(shí)同地、異時(shí)同地和異時(shí)異地。主要取決于工作的時(shí)間和地點(diǎn)。協(xié)同計(jì)算機(jī)工作也可以從時(shí)間和空間分為：異步模式、分布式同步模式、分布式異步模式和同步模式等4種模式。

3.3 共同協(xié)作工作技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的整合

隨著計(jì)算機(jī)CPU、顯卡等方面的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率加快。已有相關(guān)學(xué)者[3，4]研究了共同協(xié)作工作技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的整合。但是尚未對(duì)UPS巡檢技能共同協(xié)作工作技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的整合使用進(jìn)行過(guò)研究。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和協(xié)同工作技術(shù)的優(yōu)勢(shì)可以改善UPS巡檢技能培訓(xùn)的不足。因此，本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)和協(xié)同工作技術(shù)，設(shè)計(jì)和研究了一種新的UPS巡檢技能訓(xùn)練系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)與協(xié)同工作技術(shù)相結(jié)合的架構(gòu)如圖1所示。

利用虛擬三維引擎構(gòu)建UPS設(shè)備環(huán)境，可以生動(dòng)地反映設(shè)備的正常，異常，事故狀態(tài)和動(dòng)作過(guò)程，形成培訓(xùn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)。三維引擎為系統(tǒng)提供了許多基本功能，如模型管理，場(chǎng)景構(gòu)建，碰撞檢測(cè)等。軟件環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)施的結(jié)合可以幫助學(xué)員更輕松地進(jìn)行培訓(xùn)。

利用CSCW技術(shù)，實(shí)現(xiàn)同一場(chǎng)景的多人同時(shí)操作、場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)多種協(xié)同、視角監(jiān)控、位置跟隨;局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)多人協(xié)同功能，實(shí)現(xiàn)同一虛擬場(chǎng)景內(nèi)，回采UPS巡檢多人員動(dòng)作交互數(shù)據(jù)。共同協(xié)作完成巡檢UPS、電池大充大放試驗(yàn)等一系列操作流程的培訓(xùn)。

4 系統(tǒng)框架及功能

4.1 系統(tǒng)框架

基于虛擬現(xiàn)實(shí)和協(xié)同工作的UPS巡檢技能培訓(xùn)系統(tǒng)框架，如圖2所示。

服務(wù)端包含學(xué)員信息、UPS場(chǎng)景狀態(tài)、巡檢操作信息、UPS狀態(tài)信息、電池狀態(tài)信息等，實(shí)現(xiàn)學(xué)員端間的數(shù)據(jù)空間交換、信息互聯(lián)互通、聯(lián)合管理和在線系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新。學(xué)員端利用模擬房間三維空間信息數(shù)據(jù)，UPS三維場(chǎng)景信息數(shù)據(jù)，蓄電池模型數(shù)據(jù)，工器具三維場(chǎng)景信息數(shù)據(jù)等創(chuàng)建基本的UPS巡檢技能培訓(xùn)。

4.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

功能主要分為兩部分：服務(wù)端和學(xué)員端。

（1）服務(wù)端配合CSCW的技術(shù)原理來(lái)交換和控制服務(wù)器中的信息，位置信息和其他數(shù)據(jù)。資源更新服務(wù)為受訓(xùn)人員提供系統(tǒng)服務(wù)，以確保所有受訓(xùn)人員系統(tǒng)版本完全相同。場(chǎng)景服務(wù)主要為當(dāng)前的UPS巡檢技能培訓(xùn)參與者提供場(chǎng)景信息。如當(dāng)前是UPS巡檢培訓(xùn)還是大充大放培訓(xùn)，并檢測(cè)受訓(xùn)者情景信息的一致性。主要有協(xié)同控制、資源更新服務(wù)、場(chǎng)景服務(wù)等三個(gè)功能。

（2）學(xué)員端功能主要包括虛擬現(xiàn)實(shí)模塊，UPS巡檢技

能培訓(xùn)模塊、UPS培訓(xùn)專家知識(shí)庫(kù)基礎(chǔ)等。虛擬現(xiàn)實(shí)模塊包括工器具三維場(chǎng)景信息、蓄電池三維場(chǎng)景信息、UPS三維場(chǎng)景信息、房間三維空間信息、事件編輯、設(shè)備仿真庫(kù)、角色仿真庫(kù)等功能。虛擬現(xiàn)實(shí)模塊主要內(nèi)容是對(duì)整個(gè)UPS虛擬巡檢系統(tǒng)提供基礎(chǔ)功能。UPS巡檢技能培訓(xùn)模塊主要包含UPS巡檢培訓(xùn)、蓄電池巡檢培訓(xùn)、大充大放培訓(xùn)等，UPS培訓(xùn)專家知識(shí)庫(kù)基礎(chǔ)主要是在某些地點(diǎn)執(zhí)行某些巡檢請(qǐng)求，事件驅(qū)動(dòng)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)包含工作過(guò)程中可能需要的一組任務(wù)，執(zhí)行后續(xù)任務(wù)需要前置任務(wù)的觸發(fā)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

5.1 UPS虛擬場(chǎng)景的建造

在建模之前確定每個(gè)模型的材料，確保模型的準(zhǔn)確性和高質(zhì)量。需要拍攝模型的各個(gè)角度與細(xì)節(jié)圖，建模過(guò)程中進(jìn)行紋理貼圖和實(shí)體對(duì)比。[5]根據(jù)UPS模型數(shù)據(jù)、蓄電池?cái)?shù)據(jù)等三維空間信息及設(shè)備圖像等各類數(shù)據(jù)，建設(shè)UPS場(chǎng)景，模擬包括不同設(shè)備模型的三維圖形，同時(shí)建造內(nèi)部細(xì)節(jié)，使得學(xué)員在操作虛擬設(shè)備的時(shí)候具有真實(shí)感。一般模型分為靜止模型和動(dòng)態(tài)模型。

（1）靜止模型包括地板、墻面、UPS機(jī)柜、蓄電池等構(gòu)建成的三維UPS場(chǎng)景基礎(chǔ)靜止模型。

（2）動(dòng)態(tài)模型包括UPS模型數(shù)據(jù)、UPS數(shù)據(jù)、蓄電池等數(shù)據(jù)模型。使用真實(shí)數(shù)據(jù)和模型構(gòu)建算法，系統(tǒng)自動(dòng)構(gòu)建相應(yīng)的對(duì)象模型。進(jìn)一步更新后，系統(tǒng)會(huì)更新更改后的模型以模擬虛擬環(huán)境。

5.2 UPS培訓(xùn)專家知識(shí)庫(kù)基礎(chǔ)

在UPS培訓(xùn)專家的知識(shí)基礎(chǔ)中，陳述類型知識(shí)內(nèi)容是電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、日常管理手冊(cè)、老師傅經(jīng)驗(yàn)等。在本文中，使用成熟的產(chǎn)生式表示法（也稱產(chǎn)生式規(guī)則表示法）構(gòu)建UPS培訓(xùn)專家知識(shí)庫(kù)。關(guān)于樣式的描述形式是“條件-結(jié)果”，有置信度限制。即如下：

知識(shí)規(guī)則由K代表;C可以是簡(jiǎn)單的條件，或者是在邏輯狀態(tài)的連續(xù)構(gòu)成條件;R是基于發(fā)生的事件的結(jié)果;CF為置信度Certainty Factor，范圍是0到1的。

根據(jù)各種類型的條件分為以下幾個(gè)類型：

（1）基礎(chǔ)UPS知識(shí)庫(kù)

是以明確的知識(shí)規(guī)則為基礎(chǔ)，在法律、規(guī)定、程序、標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行說(shuō)明，一般沒(méi)有必要說(shuō)明CF。在培訓(xùn)過(guò)程中，培訓(xùn)將以問(wèn)答的形式進(jìn)行培訓(xùn)。

例如：“UPS是什么？”知識(shí)基礎(chǔ)規(guī)則的基礎(chǔ)形成為：K=if（UPS是不間斷電源）then（合格），規(guī)則且沒(méi)有必要進(jìn)行說(shuō)明置信度。

（2）場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的UPS知識(shí)庫(kù)

在UPS工作的生產(chǎn)中，有很多規(guī)則的知識(shí)。為建立一個(gè)有規(guī)律關(guān)系的知識(shí)基礎(chǔ)中心，將有強(qiáng)大的關(guān)聯(lián)性。

例如：“巡視過(guò)程中運(yùn)行人員應(yīng)按照巡視表格填寫(xiě)巡視記錄。”基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)規(guī)則的形成是：K=if（巡視）then（提示相關(guān)要求）CF為1（該規(guī)則可信度100%）。

（3）事件驅(qū)動(dòng)的UPS知識(shí)庫(kù)

在培訓(xùn)進(jìn)程中，會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生很多事件，并進(jìn)行了相關(guān)活動(dòng)的排序。因此，在本文中，將建立基于事件驅(qū)動(dòng)的知識(shí)基礎(chǔ)，并以簡(jiǎn)單的活動(dòng)和一連串邏輯活動(dòng)為中心的類型進(jìn)行細(xì)分化。

簡(jiǎn)單的事件驅(qū)動(dòng)的UPS知識(shí)庫(kù)規(guī)則的前提條件C是一個(gè)或多個(gè)的獨(dú)立活動(dòng)構(gòu)成，并沒(méi)有復(fù)雜的邏輯聯(lián)系，也可以做出結(jié)論。例如，“按照要求，計(jì)算出放電30%時(shí)的理論放電時(shí)間。”形成事件驅(qū)動(dòng)的UPS知識(shí)庫(kù)規(guī)則為：K=蓄電池：if（充放電）then（計(jì)算出30%的理論放電時(shí)間），CF同樣為1。先行條件邏輯性活動(dòng)中心知識(shí)規(guī)則的C是以一系列的活動(dòng)構(gòu)成，活動(dòng)是直接在邏輯上進(jìn)行的。

5.3 共同協(xié)作工作網(wǎng)絡(luò)及控制模式

（1）工作網(wǎng)絡(luò)。架設(shè)服務(wù)器與學(xué)員端，學(xué)員端和服務(wù)器之間需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信。TCP和UDP是兩種常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。IP環(huán)境中TCP提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流傳輸，可靠性，有效流量控制，全雙工操作和多路復(fù)用。它用于向連接發(fā)送可靠數(shù)據(jù)。UDP是一種非面向連接的協(xié)議。UDP不是與另一方建立連接，而是直接將數(shù)據(jù)包發(fā)送到過(guò)去。UDP適用于一次只傳送少量數(shù)據(jù)、對(duì)可靠性要求不高的應(yīng)用環(huán)境。[6]例如學(xué)員所在場(chǎng)景的位置、UPS的運(yùn)行情況、系統(tǒng)更新等。

（2）控制模式。服務(wù)器確定系統(tǒng)的臨界狀態(tài)，受訓(xùn)者彼此交互并模擬狀態(tài)。服務(wù)器是多個(gè)學(xué)員可以協(xié)作的交換中心，操作評(píng)估使用知識(shí)庫(kù)操作步驟、操作過(guò)程等內(nèi)容。通過(guò)服務(wù)器獲得到的數(shù)據(jù)，學(xué)員可以相互合作巡視。

（3）協(xié)同工作流程。協(xié)同工作流程為：選擇項(xiàng)目、場(chǎng)景確定、選擇角色、開(kāi)始培訓(xùn)、培訓(xùn)評(píng)估。在培訓(xùn)過(guò)程中，需經(jīng)過(guò)相互配合，可以準(zhǔn)確地完成考試。

5.4 系統(tǒng)部署與應(yīng)用

系統(tǒng)將部署在內(nèi)部專用網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)高性能工作站進(jìn)行訓(xùn)練和多人協(xié)作。學(xué)員登陸系統(tǒng)會(huì)顯示是否加入房間，訓(xùn)練系統(tǒng)會(huì)顯示可加入訓(xùn)練的房間。加入后，學(xué)員可以根據(jù)提示自由漫游并培訓(xùn)UPS巡檢技能。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于三維虛擬仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了UPS虛擬場(chǎng)景構(gòu)建，UPS巡檢技能訓(xùn)練，協(xié)同網(wǎng)絡(luò)和控制模式的關(guān)鍵內(nèi)容。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入培訓(xùn)，在保證教學(xué)效果的基礎(chǔ)上，將大大節(jié)省教學(xué)成本。它不僅可以使學(xué)員通過(guò)虛擬場(chǎng)景中的人機(jī)交互和自我控制自由地獲得外部反應(yīng)，還可以使學(xué)員積極主動(dòng)地思考。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與協(xié)同工作技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建新的培訓(xùn)系統(tǒng)，結(jié)合了專業(yè)知識(shí)和先進(jìn)技術(shù)教育資源，達(dá)到了傳統(tǒng)教學(xué)方法難以實(shí)現(xiàn)的效果和動(dòng)態(tài)體驗(yàn)。同時(shí)需要指出的是，虛擬現(xiàn)實(shí)和協(xié)同工作技術(shù)的整合難度導(dǎo)致開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的成本較高，有必要在后續(xù)研究中解決這個(gè)問(wèn)題。

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