虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下體驗(yàn)式電力實(shí)訓(xùn)交互模型研究及其應(yīng)用

邵劍 劉偉 戴威 趙新冬 唐錦 盧茜

摘 要 電力培訓(xùn)開(kāi)展迫切需要借助沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)手段，實(shí)訓(xùn)交互模型設(shè)計(jì)是決定虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)效性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文將以用戶體驗(yàn)為核心的技術(shù)理念融入系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)交互流程建模設(shè)計(jì)，基于沉浸理論開(kāi)展用戶學(xué)習(xí)體驗(yàn)設(shè)計(jì)，開(kāi)展電力實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)交互流程的總體邏輯設(shè)計(jì)，并以任務(wù)流程設(shè)計(jì)、模型數(shù)據(jù)管理和交互流程控制為重點(diǎn)，完成系統(tǒng)交互流程設(shè)計(jì)建模，分別提出具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。提出的實(shí)訓(xùn)交互流程設(shè)計(jì)建模方法已實(shí)際應(yīng)用于某省級(jí)電網(wǎng)公司的特高壓虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，并取得良好應(yīng)用實(shí)效，驗(yàn)證了提出方法的合理有效性。

關(guān)鍵詞 沉浸理論；用戶體驗(yàn)；虛擬現(xiàn)實(shí)；電力實(shí)訓(xùn)；交互流程

中圖分類(lèi)號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）210-0137-04

受安全風(fēng)險(xiǎn)約束限制，電力培訓(xùn)難以貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)展，基于計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)技術(shù)[1]研究應(yīng)用電力實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能起到重要作用。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)[2]發(fā)展勢(shì)頭迅猛，能為用戶提供身臨其境的沉浸感和更加貼近現(xiàn)實(shí)的交互體驗(yàn)，對(duì)電力培訓(xùn)具有良好適用性，研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)的電力實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有重要理論價(jià)值和廣闊應(yīng)用前景。

仿真培訓(xùn)需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的良好準(zhǔn)確交互，才能保證培訓(xùn)演練流程有效開(kāi)展，交互流程設(shè)計(jì)始終是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究中面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)信息時(shí)代到來(lái)，交互流程建模設(shè)計(jì)側(cè)重于以用戶體驗(yàn)為中心[3-4]。然而，電力仿真培訓(xùn)作為電氣工程領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，以用戶為核心的實(shí)訓(xùn)交互建模存在滯后不足，大多研究應(yīng)用側(cè)重于仿真技術(shù)支持，卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)與用戶體驗(yàn)和學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律的有機(jī)融合。以用戶體驗(yàn)為根本出發(fā)點(diǎn)，開(kāi)展電力仿真培訓(xùn)系統(tǒng)交互建模設(shè)計(jì)，有助于提升實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)的培訓(xùn)效果，尤其適用于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用。

基于以上背景現(xiàn)狀，本文在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)背景下，借鑒教育學(xué)和心理學(xué)的沉浸理論成果，從用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)為基本出發(fā)點(diǎn)，對(duì)特高壓變電站虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)交互流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)建模，使之反映生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律、工作環(huán)境和流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)交互流程的有效控制，保證特高壓虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的真實(shí)性和有效性。本文提出模型技術(shù)方法已應(yīng)用于某省級(jí)電網(wǎng)公司的特高壓虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，并發(fā)揮了良好實(shí)際效果，驗(yàn)證了本文方法的可行性和有效性。

1 基于沉浸理論的學(xué)習(xí)體驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

沉浸理論（Flow Theory）用于解釋當(dāng)人們完全投入情境中，集中注意力，并且過(guò)濾掉所有不相關(guān)的知覺(jué)，進(jìn)入一種沉浸的狀態(tài)。本文構(gòu)建的電力虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)需要讓學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境中更好保持沉浸學(xué)習(xí)狀態(tài)，重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者在挑戰(zhàn)任務(wù)與自身能力之間的匹配。

本文以用戶學(xué)習(xí)體驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn)分析設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)交互流程，設(shè)計(jì)構(gòu)建沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的學(xué)習(xí)體驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，具體要素分為感官體驗(yàn)、交互體驗(yàn)、行為體驗(yàn)和情感體驗(yàn)4類(lèi)。除了情感體驗(yàn)與用戶主觀情感有關(guān)，感官體驗(yàn)是指用戶對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的直接體驗(yàn)，行為體驗(yàn)是指用戶利用系統(tǒng)開(kāi)展某項(xiàng)具體功能任務(wù)的評(píng)價(jià)反應(yīng)，交互體驗(yàn)是指用戶與系統(tǒng)交互流程中的操作體會(huì)，三者與實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)信息、任務(wù)邏輯流程和感知反饋控制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)直接相關(guān)，系統(tǒng)交互流程設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)處理這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以提供給用戶良好的學(xué)習(xí)交互體驗(yàn)。

2 體驗(yàn)式實(shí)訓(xùn)交互流程總體模型設(shè)計(jì)

沉浸式虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)本質(zhì)是一個(gè)三維數(shù)據(jù)信息環(huán)境，本文從用戶體驗(yàn)出發(fā)將實(shí)訓(xùn)交互流程可以概括為：用戶學(xué)習(xí)者作為核心角色，對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行感知判斷，獲得逼近真實(shí)的感官體驗(yàn)；能夠開(kāi)展實(shí)際活動(dòng)交互，并從虛擬系統(tǒng)獲取準(zhǔn)確反饋，獲得良好的行為體驗(yàn)和交互體驗(yàn)；同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該能根據(jù)交互流程情況動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)訓(xùn)，讓用戶學(xué)習(xí)者實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)任務(wù)與自身能力之間匹配，最終進(jìn)入沉浸狀態(tài)，獲得最佳學(xué)習(xí)效果。

基于以上過(guò)程分析，本文將虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的特高壓實(shí)訓(xùn)過(guò)程為數(shù)據(jù)支撐層、任務(wù)驅(qū)動(dòng)層和過(guò)程控制層3個(gè)層級(jí)：數(shù)據(jù)支撐層需要實(shí)現(xiàn)對(duì)大量虛擬現(xiàn)實(shí)電力設(shè)備模型實(shí)現(xiàn)有效組織理，為用戶快速準(zhǔn)確加載場(chǎng)景，提供更具有真實(shí)性和完整性的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境；任務(wù)驅(qū)動(dòng)層提供系統(tǒng)交互流程的邏輯流程，把各項(xiàng)電力實(shí)訓(xùn)作業(yè)步驟和相應(yīng)電氣設(shè)備狀態(tài)變化，通過(guò)一系列操作邏輯函數(shù)進(jìn)行描述；過(guò)程控制層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)交互流程的友好控制，要對(duì)用戶學(xué)習(xí)信息進(jìn)行捕獲及分析，并進(jìn)行任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)整和信息輔助指引。因此，本文以任務(wù)驅(qū)動(dòng)管理模塊、模型數(shù)據(jù)管理模塊和交互流程控制模塊為核心，建立電力實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)交互流程模型如圖2所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)后首先對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行初始化，并根據(jù)用戶輸入信息進(jìn)行角色定義和實(shí)訓(xùn)任務(wù)選擇。利用任務(wù)驅(qū)動(dòng)管理模塊，系統(tǒng)對(duì)實(shí)訓(xùn)任務(wù)進(jìn)行流程分解，形成相互獨(dú)立的實(shí)訓(xùn)流程單元；流程單元加載后，通過(guò)模型數(shù)據(jù)管理模塊，動(dòng)態(tài)加載電力場(chǎng)景模型資源；數(shù)據(jù)信息輸出給用戶后，用戶完成各個(gè)實(shí)訓(xùn)流程單元；同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)交互流程數(shù)據(jù)分析，判斷用戶能力水平是否匹配當(dāng)前任務(wù)難度，若不匹配，則動(dòng)態(tài)調(diào)整流程單元，避免降低用戶學(xué)習(xí)體驗(yàn)；按此流程，系統(tǒng)啟動(dòng)后續(xù)流程單元，直到實(shí)訓(xùn)任務(wù)全部完成。

3 電力虛擬實(shí)訓(xùn)的體驗(yàn)式交互流程實(shí)現(xiàn)

3.1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)管理模塊實(shí)現(xiàn)方法

電力實(shí)際作業(yè)具有嚴(yán)格的流程規(guī)范要求，因此可以將各特高壓實(shí)訓(xùn)任務(wù)分解為若干個(gè)獨(dú)立且不可中斷的流程單元，每個(gè)流程單元代表針對(duì)某一電力設(shè)備完成的一項(xiàng)實(shí)訓(xùn)步驟，是實(shí)訓(xùn)操作流程描述的最小單元。流程單元F需要定義實(shí)訓(xùn)操作的信息描述，包括所有設(shè)備狀態(tài)信息和操作響應(yīng)關(guān)系，它的數(shù)據(jù)模型用有限狀態(tài)機(jī)表示，如下式：

2）狀態(tài)數(shù)據(jù)處理。首先，針對(duì)數(shù)據(jù)序列的最大值、平均值、方差值等特征數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，由于影響實(shí)訓(xùn)交互流程的因素眾多，每個(gè)特征參數(shù)對(duì)實(shí)訓(xùn)交互狀態(tài)的表征存在不確定性，為此采用模糊隸屬度函數(shù)，處理用戶交互流程中不確定的、模糊的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3）專(zhuān)家系統(tǒng)規(guī)則。基于第i個(gè)流程單元采集處理后的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行推理判斷，當(dāng)狀態(tài)數(shù)據(jù)超過(guò)規(guī)定閾值范圍，表示實(shí)訓(xùn)交互流程偏大或偏小，則調(diào)整第i+1個(gè)流程單元流程單元的難度層級(jí)標(biāo)識(shí)變量η，用來(lái)根據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)訓(xùn)流程單元。同時(shí)，閾值根據(jù)在專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)設(shè)定基礎(chǔ)上，根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的歷史交互數(shù)據(jù)平均值調(diào)整，提升閾值設(shè)定的準(zhǔn)確性。

4 特高壓電力虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用

本文針對(duì)某省級(jí)電網(wǎng)公司的特高壓變電站工程實(shí)際，應(yīng)用前文提出的系統(tǒng)交互模型設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)，基于Htc vive虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)和Untiy3D三維引擎，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)特高壓變電站虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，系統(tǒng)主界面如圖3所示。

系統(tǒng)采用層次化數(shù)據(jù)模型動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行場(chǎng)景建模開(kāi)發(fā)，圖3所示模型是由關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)層模型構(gòu)成的場(chǎng)景圖，圖4（a）是典型全面信息數(shù)據(jù)層模型，對(duì)特高壓主變?cè)O(shè)備的設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完整信息建模，圖4（b）則是典型精細(xì)完善數(shù)據(jù)層模型，對(duì)GIS開(kāi)關(guān)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精細(xì)化建模。

用戶利用本系統(tǒng)可開(kāi)展特高壓變電站相關(guān)實(shí)訓(xùn)演練操作，獲得360°沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，并開(kāi)展各類(lèi)實(shí)際交互操作，包括設(shè)備運(yùn)行巡視、關(guān)鍵設(shè)備檢修、帶電檢測(cè)等功能，如圖5所示。

為進(jìn)一步應(yīng)用系統(tǒng)效果，本文將提出虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)桌面式變電仿真系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，針對(duì)100名用戶的體驗(yàn)反饋情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中每位用戶體驗(yàn)反饋結(jié)果基于本文提出的用戶體驗(yàn)?zāi)Ｐ停捎谜{(diào)查問(wèn)卷的方式得到，最終統(tǒng)計(jì)得到雷達(dá)分析圖，如圖6所示。

相比于傳統(tǒng)桌面式仿真系統(tǒng)，基于本文方法開(kāi)發(fā)的特高壓虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，可以為用戶提供更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，尤其在虛擬環(huán)境的感官體驗(yàn)和用戶情感體驗(yàn)上有了明顯提升，這也驗(yàn)證本文提出交互流程建模設(shè)計(jì)方法的有效合理性。

5 結(jié)論

本文在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)背景下，提出了以用戶學(xué)習(xí)體驗(yàn)為基礎(chǔ)的交互流程設(shè)計(jì)建模方法，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用。

本文重點(diǎn)完成了體驗(yàn)式交互流程的邏輯流程設(shè)計(jì)，并以任務(wù)流程設(shè)計(jì)、模型數(shù)據(jù)管理和交互流程控制為重點(diǎn)，提出系統(tǒng)交互流程控制的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，為用戶學(xué)員提供體驗(yàn)式學(xué)習(xí)交互。某省級(jí)電網(wǎng)公司的特高壓虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)投入應(yīng)用后，應(yīng)用效果良好，為特高壓人員專(zhuān)業(yè)技能水平提升提供有利條件。

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