0 引言

    很多企業正在面臨著昂貴的設備檢修學習，傳統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備磨損，并且每次學習后都需要較長的時間進行設備還原等操作^[1]。而電力行業中的作業集環境不可確定、作業流程復雜、作業內容危險等各種問題于一體，對作業人員的作業水平要求很高，因此電力行業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中遇到的一些問題。但是現實中的培訓內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在電力行業培訓的一大難點，在新技術層出不窮的年代，電力行業急需一套針對于此行業培訓的新體系。本系統中采用虛擬現實技術是一項具有交互性的且沉浸感極強的人機交互系統，體驗者可以通過頭戴顯示器、定位追蹤器等設備于計算機進行交互。通過計算機技術創造一個虛擬世界，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境系統^[2-3]。對電力行業不可確定的環境、復雜的作業流程，危險的作業內容進行模擬，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技能。使用虛擬現實技術可以把所有設備進行1：1還原模擬，體驗者可以直接在虛擬環境中對相應的設備進行學習，并且程序可復用，可以在很短的時間內進行反復操作。

    基于虛擬現實技術的培訓系統具有沉浸性、交互性、感知性和安全性等特征，而且傳統的培訓方式是無法比擬的。目前在現有的行業中很多企業已經使用虛擬現實技術進行員工培訓了，而且虛擬現實技術已經成為未來培訓的一種趨勢。

    很多安全事故在傳統的培訓中普遍采用視頻教學的方式進行灌輸培訓，而虛擬現實技術可以把歷史事故進行完美還原，讓員工在安全的環境下進入事故現場進行學習，從而加深對事故的認知和應變能力^[4]。

    在虛擬現實系統可以在一個有限的空間中制造一個無限空間的人造環境，并且通過三維建模的方式1：1還原真實環境并呈現給體驗者，而且多種硬件設備相結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、靈敏的反應能力和嚴謹的安全意識是必不可少的。

1 虛擬現實培訓系統的結構

    虛擬現實系統的結構如圖1所示，整個系統由使用人員、硬件終端、軟件平臺、培訓環境組成。

1.1 虛擬現實體驗終端

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

    (1)移動端設備

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

    (2)PC端設備

    PC端虛擬現實設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和交互類配件來進行人機交互。

    (3)體感設備

    在虛擬現實環境中可以通過程序來完美的模擬出一些失重、移動、旋轉等效果，而體驗者通過顯示設備可以在視覺上感知出相應的效果，但是人的大腦往往會因思想和肢體不協調而導致一些效果無法深刻地感受，此時結合一些可以使人肢體上也得到相應感受的動感設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 虛擬現實培訓課件技術

    虛擬現實課件的底層技術包括了虛擬現實建模技術與虛擬現實場景開發技術兩模塊，兩者缺一不可。通過構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技術的參與，二者相輔相成，才能完成虛擬與現實的結合。

1.2.1 虛擬現實建模技術

    虛擬現實技術是一個由計算機在數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，建模技術起到了非常重要的作用。

    首先是幾何建模：在形狀上虛擬現實建模采用的是真實環境資源采集，或者直接使用工業制作圖紙設計出來的1：1還原的模型，在外觀上采用的是真實設備的外觀色澤進行材質收集，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的虛擬環境，而附加上動作特征之后才會使得環境更為真實，移動、旋轉、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合的狀態下，虛擬的環境已經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(包括火焰、冰雪、風雨、山河、湖泊等)現象，使得虛擬世界可以更真實地還原一個生態系統。

1.2.2 虛擬現實課件開發平臺

    為實現需要的功能，通過計算機技術將這些資源整合成一個三維、可視化、可交互的虛擬現實軟件，首先需要根據業務進行資源整合。

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

    然后選擇開發設計需要的工具：Photoshop、3dsMax、MAYA、C4D、Unity3D等。制作過程中遵循交互、視覺、聲音、反饋等設計原則并建立對應軟件的設計規范，根據需要制作的軟件選擇適合每個環節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測試，根據初始需求進行功能測試保證每一個環節的合理、符合實際并且可以滿足需求。

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

    (1)首先確定培訓內容，根據內容進行需求收集和分析，根據需求對相應的業務進行了解學習，然后根據業務內容和需求制定詳細的設計方案。

    (2)進行美術資源收集，根據培訓內容收集對應的美術素材，包括模型收集、材質收集以及動作收集等。

    (3)進行美術制作，使用3DMAX進行建模，同時使用PS等工具進行材質貼圖制作，然后再需要動作的模型上添加骨骼動畫，最后導出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，然后根據實際環境進行燈光搭建，根據不同的平臺進行模型類別設計，然后進行場景環境優化以達到最佳效果，最后進行鏡頭效果處理并使用頭盔進行實際效果展示。

    (5)程序設計，根據教學內容進行交互效果設計，包括主動交互和被動交互，根據展示平臺進行SDK選擇，涉及到交互的需要根據實際動作和交互內容進行交互設計，最后和培訓系統進行對接。

    制作完成后根據所需平臺和交互內容對整個內容進行優化配置，然后輸出對應的平臺版本，根據所需平臺進行相應的測試工作。

1.3 虛擬現實課件管理平臺

    虛擬現實課件管理平臺架構圖如圖4所示。

    由圖4可以看出，虛擬現實課件管理平臺包括系統功能、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，旨在提升培訓質量，提高培訓效果；資源管理實現對課件內容的管理功能以及課件發布功能，對課件等資源進行統一管理，同時實現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；系統基礎功能模塊實現對參與培訓人員和培訓管理人員的基礎管理功能，并實現培訓計劃、培訓教室、培訓成績管理以及統計分析等功能。

    (1)系統功能

    系統功能由用戶管理、角色管理和權限控制三部分組成。

    相關企業可以通過用戶管理來添加刪除參訓人員與指導人員。

    根據參訓人員的工作來進行角色管理達到術業專攻的目的。

    根據相關角色和用戶來進行權限分配，指導師會有指導權限，而參訓人員也有相應的操作權限。

    (2)資源管理

    需要根據企業發展和規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，課件的管理是不可缺少的。

    為了避免參訓設備的繁瑣操作，在相應權限的終端上進行課件推送發布可以使得參訓人員更直接地對相應的課程進行學習。

    為了更好地對參訓人員進行指導學習，指導人員可以和參訓人同步進行觀看，而指導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，指導人員可以通過相應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 培訓環境

    虛擬現實培訓系統的培訓環境包括基礎環境與教室環境兩大部分，兩個環境確定了培訓的規模、成效等，下面是對兩個環境的詳細描述。

1.4.1 虛擬現實培訓系統基礎環境

    虛擬現實的基礎系統由服務器、網絡設施、數據庫、操作系統、基礎軟件組成。其中服務器的操作系統為Windows Server，部署mySql數據庫，采用兩臺機架式服務器，實現雙機熱備功能。網絡環境采用千兆以太網絡，保證每個VR終端的接入帶寬不低于1 000 Mb/s。

1.4.2 虛擬現實培訓系統教室環境

    虛擬現實培訓的教室環境分為虛擬現實展示類教室與虛擬現實交互類教室兩大類，具體描述如下：

    (1)虛擬現實展示類教室

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

    (2)虛擬現實交互類教室

    交互類教室可根據虛擬現實設備進行場地規劃，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 電力行業應用

    本套虛擬現實培訓系統中的交互式培訓體系經過在中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司大理局的應用，得到了公司內受訓員工的一致好評。本次交互式培訓體系的硬件應用參數與行業內的對比如表1所示。

    通過參數比較可知，該虛擬現實硬件設備領先于行業要求標準，為以后的培訓課件應用打下了扎實的基礎。

3 結束語

    在電力行業中學習培訓是避免事故發生的有效方法之一，也是有效提升工作能力的方法之一，而使用虛擬現實技術進行培訓可以使得許多真實環境下難以實現的培訓變成可能，并且給培訓帶來了質的改革。本文介紹了該款虛擬現實系統的組成結構，并闡述了一款虛擬現實技術培訓系統在企業培訓中相對傳統培訓的一些優勢，后期在與培訓切合的課件上進行一系列的內容積累，會使該培訓系統更加完善。

參考文獻

[1] 剛家林.虛擬現實技術在電力培訓中的應用[J].科技創新導報，2016，13(23)：102-102.

[2] 陳琦麗，李波，蔡建平.虛擬現實技術及其應用[J].鑿巖機械氣動工具，2000(3)：40-42.

[3] 劉璐，李繼鳴，張寧.基于物聯網技術的虛擬現實管理平臺的研究與實現[J].數字通信世界，2016(8)：108.

[4] 徐忠，石磊.虛擬現實技術在教育培訓的應用[J].廣播電視信息，2008(12)：25，34-36.

[5] 姜學智，李忠華.國內外虛擬現實技術的研究現狀[J].遼寧工程技術大學學報，2004，23(2)：238-240.

作者信息:

劉  進，張鵬望

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司大理局，云南 大理671000）