基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）的新員工電力培訓(xùn)應(yīng)用研究
——以深圳供電局為例

余 航，張 蘭，羅 毅，王 靜

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

電力行業(yè)的新員工培訓(xùn)是電力行業(yè)的難點和“痛點”，主要原因在于電力行業(yè)特有的高危險性和培訓(xùn)場地的有限性[1]。

高危險性。由于停電會影響大面積區(qū)域的正常工作，因此電力工作者工作過程中有很多操作需要帶電進行，于是電力工作者的安全問題成為首要問題，亦是電力行業(yè)新員工培訓(xùn)的重點。在傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式下，為保證學(xué)員安全，新員工的大量培訓(xùn)是在不帶電培訓(xùn)場地進行的。然而，有些設(shè)備運行和不運行是兩種狀態(tài)，區(qū)別較大，學(xué)員不能直觀感受實際操作中的注意事項，導(dǎo)致傳統(tǒng)的電力培訓(xùn)的培訓(xùn)效果不理想。

場地的有限性。傳統(tǒng)的電力行業(yè)培訓(xùn)需要耗費大量的物力、財力和人力，培訓(xùn)場地建設(shè)是培訓(xùn)資費的大頭，能為培訓(xùn)提供的專業(yè)場地有限。但是，電力行業(yè)由于本身的特殊性，若將學(xué)員局限在教室中學(xué)習(xí)，培訓(xùn)常常達不到預(yù)期效果。

1 國內(nèi)VR實踐成果綜述

2016年工信部下屬中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布了《2016年虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》（2006—2020）的內(nèi)容已明確歸屬于前沿技術(shù)中信息技術(shù)部分3大技術(shù)之一。艾媒咨詢數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計2020年國內(nèi)市場規(guī)模預(yù)計將超過550億元，可見我國虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)正在高速發(fā)展。

2016年9月19日，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會聯(lián)合制定《智能硬件產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展專項行動（2016—2018年）》[2]，強調(diào)在加強智能硬件核心關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新中，虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實技術(shù)方面發(fā)展應(yīng)面向虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品的新型人機交互、新型顯示器件、GPU、超高速數(shù)字接口和多軸低功耗傳感器，面向增強現(xiàn)實的動態(tài)環(huán)境建模、實時3D圖像生成、立體顯示及傳感技術(shù)創(chuàng)新，打造虛擬/增強現(xiàn)實應(yīng)用系統(tǒng)平臺與開發(fā)工具研發(fā)環(huán)境。

2017年1月10日，國務(wù)院印發(fā)國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃[3]，對于發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+教育”部分尤為重視，強調(diào)要使信息技術(shù)與教育教學(xué)深入融合，使教學(xué)手段多樣化、科技化與現(xiàn)代化。對于各級各類學(xué)校建設(shè)智慧校園給予支持，并提出要綜合利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)探索未來教育教學(xué)的新模式。不難看出，在教育作用于公眾的遷移中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電力工業(yè)仿真領(lǐng)域中對職業(yè)工人或者特殊工種的培育與訓(xùn)練有著極大的轉(zhuǎn)化效率和低成本、高安全、公平便捷等優(yōu)勢亟待開發(fā)[4]。

2 國外VR理論與實踐成果綜述

2.1 美 國

美國在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域研究中的感知、用戶界面、后臺軟件和硬件4個方面的基礎(chǔ)研究較為集中[5]。美國宇航局的Ames實驗室早已提出，若要使數(shù)據(jù)手套成為可用性較高的產(chǎn)品，必須將其工程化。而在VR教育系統(tǒng)領(lǐng)域，NASA己經(jīng)建立了空間站VR訓(xùn)練系統(tǒng)，并建立航空、衛(wèi)星系統(tǒng)用以維護VR訓(xùn)練系統(tǒng)，使得該教育系統(tǒng)可供全國使用。

2.2 日 本

日本對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的研究和開發(fā)處于全球領(lǐng)先地位，對于建立大規(guī)模VR知識庫研究尤為重視。同時，日本作為動漫強國，在VR+游戲領(lǐng)域的研究花費了不少精力。例如，使用“代用手”處理三維CAD中的形體模型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由NEC公司開發(fā)，而用圖像處理來識別手勢和面部表情輸入的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)則是由京都先進電子通信研究所（ATR）開發(fā)的，遠(yuǎn)程控制主從系統(tǒng)由東京大學(xué)高級科學(xué)研究中心重點研究，虛擬現(xiàn)實的可視化問題則由東京大學(xué)廣瀨研究室重點研究，更有九自由度的觸覺輸入器、虛擬行走原型系統(tǒng)、虛擬生物與VR環(huán)境的相互作用等知識與應(yīng)用成果。筑波大學(xué)不僅研究開發(fā)VR虛擬現(xiàn)實體系，也開發(fā)了一套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)姿勢識別系統(tǒng)等。

3 VR技術(shù)應(yīng)用于電力行業(yè)教育的現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與電力培訓(xùn)的結(jié)合顛覆了傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式，通過沉浸式方式了解電力系統(tǒng)、漫游電力工作場景、交互式技能操作的訓(xùn)練以及典型事故案例還原等，不但能增加電力行業(yè)新員工學(xué)習(xí)的趣味性，還能進行實操訓(xùn)練，增加臨場經(jīng)驗，顯著提升培訓(xùn)效果，同時為企業(yè)降低培訓(xùn)危險性，大幅減少培訓(xùn)固定成本支出等。在國內(nèi)電力行業(yè)，國網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院等科研單位已經(jīng)搭建了VR、AR技術(shù)實驗室環(huán)境，其中在VR電力應(yīng)用方面開展了初步研究和探索。

在培訓(xùn)方面，國內(nèi)電力單位也實施了一些案例。比如，2017年玉溪供電局創(chuàng)新性地把虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于電力安全生產(chǎn)警示教育，將安全生產(chǎn)警示教育虛擬和具體化；2018年國網(wǎng)北京市電力公司開展的善用電、更安全專項公益行動，參與活動的昌平區(qū)前鋒小學(xué)電力愛心教室首次采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，應(yīng)用VR版電力愛心教室課件進行教學(xué)。

以上是VR技術(shù)較早應(yīng)用于電力行業(yè)教育中的案例，具有一定的典型性。可以看出，VR技術(shù)應(yīng)用于電力教育培訓(xùn)行業(yè)的時間短，而對電力新員工的系統(tǒng)化培訓(xùn)目前國內(nèi)外都還沒實施過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)案例。近年來，南方電網(wǎng)深圳供電局有限公司在新員工培訓(xùn)工作中投入了大量資源建設(shè)，包括線上線下課程開發(fā)及內(nèi)訓(xùn)師培養(yǎng)。但是，現(xiàn)下的新員工培訓(xùn)依然過多依賴于課堂講授，無法直觀認(rèn)知各種電力設(shè)備，也無法進行高效的實地訓(xùn)練，培訓(xùn)效果嚴(yán)重受限。然而，現(xiàn)場工作需要新員工快速掌握專業(yè)知識。因此，如何高效、低風(fēng)險地對新員工進行培訓(xùn)，是現(xiàn)階段需考慮和解決的問題。

4 VR技術(shù)在電力行業(yè)新員工培訓(xùn)上的應(yīng)用成果

2018年，南方電網(wǎng)相繼開發(fā)了多個基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）的研究與應(yīng)用項目。南方電網(wǎng)深圳供電局有限公司深入研究開發(fā)了“基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）的新員工培訓(xùn)研究與應(yīng)用”科技項目。

4.1 搭建“真實”的工作場景

該成果中，深圳供電局將VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在幾個典型的電力知識學(xué)習(xí)場景中，包括電力系統(tǒng)、電力設(shè)備以及安全教育等方面。

4.1.1 太空艙虛擬主場景

該場景為新員工培訓(xùn)系統(tǒng)的主場景，模擬太空艙的操作室。學(xué)員在這里被定義為電力能源宇宙的探索者，主要目的是將員工帶入不同于現(xiàn)實物理教學(xué)環(huán)境的新環(huán)境中，激發(fā)學(xué)員更多的學(xué)習(xí)興趣和積極探索的動力。

4.1.2 發(fā)電站場景

該場景的主要作用是給學(xué)員學(xué)習(xí)發(fā)電相關(guān)知識提供一個仿真環(huán)境，以便學(xué)員產(chǎn)生更真實的臨場感和沉浸感。場景主要模擬水利發(fā)電站廠房，主要介紹設(shè)備為渦輪發(fā)電機。

4.1.3 配電場景

由于大多數(shù)配電設(shè)備位于戶外，且周圍分布著不同類型的用電區(qū)域，因此配電主要用沙盤模擬一個完整的配電系統(tǒng)，以便學(xué)員整體認(rèn)知配電。

4.1.4 變電場景

對于電力行業(yè)新員工，變電所涉及的設(shè)備最繁多，操作也最復(fù)雜，因此變電場景包含VR實拍變電站和變電設(shè)備虛擬操作空間。學(xué)員在VR實拍變電站中認(rèn)識現(xiàn)實中的變電工作環(huán)境，變電設(shè)備操作則在虛擬操作空間中進行。

4.1.5 用電政策學(xué)習(xí)場景

用電政策內(nèi)容雖不復(fù)雜，但有些專業(yè)術(shù)語對初入電力行業(yè)的新員工而言晦澀難懂，且用電政策時有變化更新，因此用電政策學(xué)習(xí)場景采用VR視頻拍攝的形式，邀請用電領(lǐng)域的專家進行授課，后續(xù)還將開發(fā)網(wǎng)絡(luò)直播課程，及時向新員工解讀更新更多的政策內(nèi)容，并在線為學(xué)員答疑解惑。

4.2 建設(shè)系統(tǒng)的知識體系

該應(yīng)用成果根據(jù)深圳供電局對新員工的培訓(xùn)要求，開發(fā)了3大板塊的知識應(yīng)用系統(tǒng)模塊——電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備培訓(xùn)和安全作業(yè)體驗。其中，電力系統(tǒng)知識框架包括發(fā)電、輸電、變電、配電和用電5大系統(tǒng)介紹，通過動畫演示電能從產(chǎn)生到運輸再到配送使用的過程，展示系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系；電氣設(shè)備培訓(xùn)主要包括一次設(shè)備和二次設(shè)備的認(rèn)知培訓(xùn)，包括電氣設(shè)備的外觀、常見類型以及功能介紹等內(nèi)容；各電力系統(tǒng)中選擇5～10個主要設(shè)備進行展示設(shè)計；安全作業(yè)體驗系統(tǒng)主要包括安全規(guī)范動作演示、十項規(guī)定動作演示、安全器具檢查訓(xùn)練以及典型安全事故體驗等內(nèi)容。

4.3 克服VR技術(shù)應(yīng)用于電力新員工培訓(xùn)的開發(fā)難點

4.3.1 難點一：設(shè)備建模

由于電力培訓(xùn)系統(tǒng)的特殊性和電氣設(shè)備的復(fù)雜性，需要基于Unity平臺引擎結(jié)合3Dmax、maya和C4D等軟件完成大量各種設(shè)備的三維建模。尤其是制作人員，需清楚了解設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這是最大的難點。

4.3.2 難點二：人機交互開發(fā)

人機交互是指人、計算機以及它們之間相互影響的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于行業(yè)培訓(xùn)如果沒有人機交互的介入，能達到的只是一種“只可遠(yuǎn)觀而不可褻玩焉”的效果，且毫無創(chuàng)新點。因此，人機交互是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于培訓(xùn)領(lǐng)域的關(guān)鍵。

由于新員工培訓(xùn)系統(tǒng)需要模擬大量的實踐操作，因此人機交互的開發(fā)至關(guān)重要。系統(tǒng)中除實踐操作需要進行人機交互外，其他諸如電力安全體驗、設(shè)備基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)和電力政策學(xué)習(xí)等等也需要人機交互，人機交互的覆蓋面達到整個系統(tǒng)的80%以上。但是，由于硬件設(shè)施的限制，該系統(tǒng)的人機交互過分依賴于硬件，大部分操作需要借助手柄。隨著VR硬件技術(shù)的發(fā)展，將更多地依賴于人體自身感受（如體感、手勢）進行人機交互操作的VR應(yīng)用成果會越來越普及。

對于交互算法的可維護性、高效性和靈活性的研究必不可少。交互算法直接影響虛擬環(huán)境在軟件與硬件設(shè)備之間的通信效果，同時直接影響受訓(xùn)人員的第一人稱體驗感覺。軟硬件設(shè)備對接無法流暢進行，虛擬環(huán)境體驗將無法達到高逼真的沉浸式效果，必然會對用戶的知識不足點、培訓(xùn)關(guān)注點和期望值產(chǎn)生影響。因此，軟硬件設(shè)備的通信對接也需要運用交互算法。

4.3.3 難點三：場景搭建

電力系統(tǒng)是一個龐大的體系，其中涉及發(fā)電、輸電、配電、變電和用電5大板塊。每個版塊都有多個場景和設(shè)備，因此需要制作各種不同作用、不同外形的模型。虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)系統(tǒng)一般會運用JAVA、C#等語言設(shè)計和UNITY開發(fā)工具開發(fā)基于VR技術(shù)的教學(xué)管理網(wǎng)絡(luò)平臺，并結(jié)合3DMAX、MAYA等三維建模工具進行三維建模，完全還原電力系統(tǒng)培訓(xùn)中涉及的場景和設(shè)備。在計算機硬件有限的條件下，如何將這些場景和模型數(shù)據(jù)結(jié)合并流暢完整展示是一個難點。

三維虛擬培訓(xùn)教學(xué)環(huán)境搭建還要考慮與顯示終端的匹配。虛擬培訓(xùn)教學(xué)環(huán)境搭建是利用各種交互設(shè)計工具、三維建模工具以及其他手段完成的。一般運用當(dāng)下流行的虛擬現(xiàn)實設(shè)備，利用其他手段產(chǎn)生感官刺激使學(xué)員沉浸其中，并利用交互設(shè)備觸發(fā)交互點適應(yīng)虛擬環(huán)境、操作相對應(yīng)的工具和對象，從而達到新員工足不出戶就能提高技能和學(xué)習(xí)知識的目的。

操作者能夠進入一個由計算機系統(tǒng)生成的交互式三維環(huán)境，具有視、聽、觸等多種感知。通過使用各種特殊的交互設(shè)備，與虛擬仿真環(huán)境進行互動，并借助人體本身自由的感官能力和認(rèn)知能力啟發(fā)體驗者的思維，達到在虛擬環(huán)境中獲取信息和知識的目的。虛擬環(huán)境具有的沉浸感和交互感特點也能提高體驗者獲取知識的主動性。

5 結(jié) 論

電力培訓(xùn)是復(fù)雜而龐大的體系，設(shè)備種類、技術(shù)多樣性以及操作難易程度分類豐富。通過基于VR虛擬技術(shù)的新員工培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)成果研究發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于電力行業(yè)培訓(xùn)具有以下幾個優(yōu)點：

（1）可以使新員工在短時間內(nèi)對電網(wǎng)系統(tǒng)有一個全面了解和學(xué)習(xí)。電網(wǎng)系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，新員工尤其是對電力行業(yè)不太熟悉的新員工，對電網(wǎng)系統(tǒng)的理解可能不夠全面，對未來工作可能存在思考不夠全面的問題。通過VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可快速切換電網(wǎng)系統(tǒng)各工作場景，讓學(xué)員足不出戶走遍各工作場景。

（2）對于安全警示類課程或危險場景的展現(xiàn)。通過VR技術(shù)還原場景，結(jié)合認(rèn)知心理學(xué)原理，開發(fā)全方位沉浸式體驗系統(tǒng)，實現(xiàn)新員工體驗者的臨場感和沉浸感，深度體驗真實的作業(yè)環(huán)境和實踐操作結(jié)果，使學(xué)員在心理上建立起對職業(yè)的敬畏感和電力工作需要的謹(jǐn)慎認(rèn)真心理。

（3）易于快速建立學(xué)員的系統(tǒng)知識架構(gòu)、體系和層級意識。通過各場景的UI交互和數(shù)據(jù)展示，能快速、專注、即時地了解某復(fù)雜設(shè)備的結(jié)構(gòu)或工作原理或某作業(yè)流程的實際操作，實現(xiàn)低風(fēng)險、低成本、高效率和強體驗的培訓(xùn)效果。