虚拟现实技术在培训教学中的应用探讨

宋新新，甘言礼，任玉保

（国网技术学院，山东 济南 250002）

0 引言

当前，电力变电运维人员培训采用的方法和技术手段包括两类：一是传统的面对面授课、图册、多媒体课件等形式，进行电力变电运维知识的养成；二是基于实训系统进行电力变电运维实操。第一类培训手段主要侧重于电力变电运维知识的灌输，无法满足电力变电运维技能的培训要求，尤其是对人员的操作正确性和规范性的培训，实用性较差。第二类实训系统类技术手段采用与实际生产环境一致的设备和实物，其培训的真实性、一致性高，是理想的电力安全培训手段。但是，由于电力运行生产具有高电压、大电流的特点，采用全实物仿真将无法保障培训人员的人身安全，并且建设一座培训变电站既需要较大的占地，也需要昂贵的变电站设备且不能带电运行。一次投入资金较大，也无法满足为实现培训所需要具备的设备、技术的更新。因此，为了实现对电力变电运维人员培训的有效支撑，在培训过程中采用具有真实性、一致性、安全性和时效性特征的基于增强现实及沉浸式虚拟现实的变电设备集中监控与运维仿真培训系统尤为必要。

1 虚拟现实技术在培训教学中的必要性

近年来，国网公司对电网调度运行和设备运检人员的实训高度重视，主要采用传统的调控一体化数字仿真培训系统、变电站数字仿真培训系统、基于真实设备的实训环境、基于多媒体的仿真培训系统等方式对相关人员有效地开展了技能培训、考核及鉴定。

随着培训业务的增加，传统培训系统的不足之处也日渐凸显。基于真实设备的实训方式存在占地面积大，投资费用高，有些设备难以或无法拆解，学员无法深入了解与学习内部构造、运行机理，无法叠加培训信息以及异常、故障的现象，设备容易损坏，无法同时支持大量学员同时开展实训，可扩展性低、费用高等问题。因此，迫切需要利用当前最新的虚拟现实技术研究成果和交互设备，构建具有高度沉浸感的变电仿真培训系统，实现对变电站电气设备、辅助设备、环境场景以及虚拟人等的建模与仿真，进行倒闸操作、事故处理、日常巡视和运行维护工作的真实演示和互动操作。

基于多媒体和虚拟现实仿真技术的培训方式具备培训内容标准化，重复利用性高，最大程度模拟真实环境，可单兵训练，也可以集体协同训练，并能支撑大量学员同时开展培训等特点。结合已建设智能变电站实训系统，构建真实场景与虚拟信息“虚实融合”的培训情境，可以全面提升变电设备运维培训的学习、认知及培训效果。

2 虚拟现实技术的研究现状

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是以计算机技术为核心，综合利用计算机图形系统以及各种显示和控制等接口设备，生成与一定范围真实环境在视听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行相互作用、相互影响，可以产生亲临真实环境的感受和体验。VR技术实时的三维空间表现能力、人机交互式的操作环境以及给人带来的身临其境感受，将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，为人机交互界面开创了新的研究领域［1-3］。

“十二五”期间，科技部设置了虚拟现实与数字媒体主题，科技部和国家自然科学基金从VR显示、VR内容感知、VR内容智能处理、VR内容生成、VR内容呈现、VR交互等方面，部署了多项国家重点基础研究发展计划（973计划）项目、国家高新技术研究发展计划（863计划）项目和重大项目，可作为虚拟现实关键技术的官方分类依据，如图1所示。

VR硬件包括显示设备、力触觉交互设备、专用芯片等，也是目前制约虚拟现实商用化的主要因素。VR交互重点研究符合人类习惯的交互技术，以提高人对复杂信息的认知能力。传统人机交互主要通过鼠标、键盘及操纵杆等设备实现。多通道交互方式是以用户为中心，采用视觉、语音、姿势、表情等多通道，实现高效的人机交互。VR需要处理的数字化内容类型众多，按照不同处理阶段，可以划分为获取、分析、建模、呈现4个方面。VR支撑技术中开发平台主要用于三维图形驱动的建立和应用功能的二次开发，同时也是连接虚拟现实外设、建立数学模型和应用数据库的基础平台，是整个虚拟现实系统的核心，负责整个虚拟现实场景的开发、运算、生成，连接和协调各子系统的工作和运转。高性能计算处理技术主要包括数据转换和数据预处理技术，实时、逼真图形图像生成与显示技术，多种声音的合成与声音空间化技术。多维信息数据的融合、数据压缩以及数据库的生成，包括命令识别、语音识别，以及手势和人的面部表情信息的检测等在内的模式识别。分布式与并行计算，以及高速、大规模的远程网络技术［4-6］。

图1 虚拟现实关键技术

3 虚拟现实技术在培训教学中的应用

基于现有的运维仿真培训环境，培训场景与实际现场差别较大，交互方式与实际操作差别较大，真实感和沉浸感欠缺等问题。针对变电设备运维人员对培训环境交互性、情境性、体验感更高的需求，我们利用南瑞集团在电网调控一体化仿真、虚拟现实仿真、多媒体培训等方面的技术成果及计算机领域中增强现实、沉浸式虚拟现实等最新技术成果，研究提出基于增强现实的变电设备运维仿真培训系统架构，突破面向变电设备的实时追踪、三维注册和人机交互等关键技术，结合已建设智能变电站实训系统，构建真实场景与虚拟信息“虚实融合”的培训情境，全面提升变电设备运维培训的学习、认知及培训效果。

目前，基于沉浸式虚拟现实的变电设备监控仿真培训系统示范系统已经开发完成，并在国网技术学院进行系统试用。为变电设备监控人员和设备运维人员提供了一个真实性好、形象逼真、使用方便的培训工具，可以全面提高变电站设备监控和运维人员掌握新型设备运行特性的能力和处理电网运行的突发事故应变能力，提高技术素养和技能水平。这项成果也可推广到各级电网调控中心、电力培训机构及科研院校进行相关专业的培训、实训、教学、考核及鉴定等。

4 结束语

基于虚拟现实的变电设备监控仿真培训系统架构的提出，加之面向变电站一二次设备场景的优化建模、快速渲染、立体显示和虚拟交互设备人机接口等关键技术，结合已建设变电站三维设备仿真培训系统，构建了具有高度沉浸感和自然交互体验感的变电一二次设备虚拟培训环境，对培训效果的提升起到了关键作用。我们将应用增强现实最新技术，全面提升已有变电设备监控仿真系统和变电站运维实训系统的实用性、交互性、情境性、实时性、可扩展性和灵活性，为电网变电设备集中监控人员及变电设备运维人员建立一套虚实融合、自然交互、形象逼真和专业高效的仿真培训情境，在较短的时间内提高相关受训人员的工作技能，加快高水平“大运行”和“大检修”体系下运行维护人才队伍的建设，保证电网安全、可靠和优质运行，并大幅度提高了电力系统仿真培训研究开发技术水平。

［1］姜学智，李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状［J］.辽宁工程技术大学大学学报（自然科学版），2004（2）：70-73.

［2］苏建明，张续红，胡庆夕.展望虚拟现实技术［J］.计算机仿真，2004（1）：18-22.

［3］张媛.图书馆虚拟现实技术应用研究演进的可视化分析［J］.国家图书馆学刊，2017（4）：33-35.

［4］王党校，焦健，张玉茹，等.计算机触觉：虚拟现实环境的力触觉建模和生成［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2016（6）：43-45.

［5］孔德翰，刘永山.基于路网的三维虚拟现实场景间接可视查询框架［J］.计算机学报，2016（10）：28-30.

［6］林志勇，孟令奎，赵春宇.基于多智能主体的网络虚拟现实系统体系结构［J］.武汉大学学报（信息科学版），2007（4） ：69-76.