基于生產班組一體化工作手冊的輔助三維仿真培訓系統(tǒng)研究

李峰云 梁東明 黃國雄

(1.佛山供電局人力資源部 528000；2.佛山供電局人力資源部 528000；3.佛山順德供電局綜合部 528300)

基于生產班組一體化工作手冊的輔助三維仿真培訓系統(tǒng)是佛山供電局進一步推進一體化管理落地，打造生產班組一體化示范基地，以“生產班組一體化工作手冊”為基礎，全面規(guī)劃一體化管理培訓體系，構造立體式、仿真式培訓體系, 確保一體化管理切實落地。系統(tǒng)主要通過研究、應用三維仿真技術，建立虛擬的、具有三維可視效果的作業(yè)環(huán)境，對安全生產作業(yè)進行仿真操作培訓，使受訓人員安全、規(guī)范、高效地熟悉生產班組一體化工作手冊的業(yè)務指引和標準化作業(yè)要求，切實提高生產班組一體化工作手冊實用化水平和受訓人員的業(yè)務技能。

1 系統(tǒng)功能特點

1.1 體驗式模擬仿真培訓

（1）全軟件模擬。系統(tǒng)以全軟件模式實現，基于局域網運行，由客戶端應用程序和服務器應用程序組成。相較于以硬件為主的實訓模式，軟件模式利于系統(tǒng)實施遠程培訓，解決了集中培訓組織和實施中的存在的難題，而且培訓功能易擴充升級、培訓場地占用空間小、培訓過程安全及日常維護簡便等優(yōu)點。

（2）全過程仿真。該功能使培訓過程生動、培訓內容標準，對安全生產人員掌握安全規(guī)程、操作規(guī)范及一體化工作手冊的具體內容和要求，提高其生產操作技能水平和安全規(guī)范作業(yè)意識，具有明顯的培訓效果。

1.2 智能輔導

智能輔導功能主要分為以下幾部分：

（1）系統(tǒng)所具有的智能輔助培訓功能會以對話框或語音的形式對受訓人員的操作過程和學習過程進行評判和控制，使受訓人員有序地學習相關規(guī)程并引導學員按照工作手冊完成作業(yè)。

（2） 設定培訓互動溝通機制，包括實時的互動、非實時的答疑、案例分析等

（3）設定教學質量評價方法，如課程質量、學員互動、學員評價等

（4） 建立培訓效果評估體系，根據不同培訓項目對培訓效果進行效果評價，并生成培訓報告

1.3 技能考核

考核模式下，系統(tǒng)可以計算機網絡化考試的形式，對受訓人員的仿真作業(yè)過程進行考核。系統(tǒng)能夠記錄或評判受訓人員的操作步驟，有助于培訓管理或人力資源管理部門對受訓人員的培訓效果和操作技能進行評測。系統(tǒng)支持考試管理、試卷管理、成績管理、任務管理等功能，支持在線考試、閱卷及考試成績歸檔。

2 系統(tǒng)技術架構

基于生產班組一體化工作手冊的輔助三維仿真培訓系統(tǒng)從總體上劃分為服務器應用層、公共服務層、客戶端應用層、仿真引擎Power X和擴展組件層。系統(tǒng)總體結構圖：

2.1 服務器應用層

電力企業(yè)的各項工作的完成往往需要涉及多個部門、多個工種、多個工作人員的相互配合，才能順利安全完成。因此，在三維仿真培訓系統(tǒng)的設計中，必然要允許多個客戶端同時在共同的網絡下以協(xié)同工作的方式完成仿真培訓的過程。在服務器應用層能夠為各個客戶端提供多種服務，其中包括了客戶端登錄系統(tǒng)管理、本地對象屬性管理、進程與事件管理、坐標轉換、遠程操作屬性管理和網絡通信。這些服務主要是用于在培訓過程中每個客戶可以共享一致的虛擬環(huán)境，即時間一致、空間一致、對象特征一致、行為一致。

2.2 公共服務層

公共服務層的功能在于為仿真培訓系統(tǒng)的運行提供必要的外圍程序，其中包括培訓中數據的的提取、分析、管理，以及結果的顯示與保存等。公共服務層的各項內容都可以經服務耦合器由應用層的用戶調取。在這一過程中，應用層與公共服務層不會發(fā)生直接聯系。比如，在數據服務模塊由于采用了數據庫的通用方法，應用層的用戶不會因數據庫類型的差異發(fā)生使用上的限制。另一方面，數據庫的改變也不會造成服務層上的應用系統(tǒng)發(fā)生運行方面的問題。

2.3 客戶端應用層

客戶端應用層采用層次化體系結構，包括仿真應用、三維仿真框架和應用組件。仿真應用層主要實現運行作業(yè)、實驗、調度、檢修等領域的多個仿真培訓任務的仿真應用功能。

應用組件通過封裝開發(fā)應用接口，使其功能模塊具有可重用性和可擴展性，同時該層提供電網拓撲編輯、仿真?zhèn)€體邏輯編輯和三維場景編輯的應用組件。電網拓撲編輯組件實現配電網拓撲關系的圖形化編輯。通過電氣設備元件庫，三維場景編輯組件支持用戶采取即拖即用的方式構建或修改虛擬電力設備的配置方位和地理連接關系。

2.4 仿真引擎Power X

Power X 是與具體仿真應用邏輯無關的仿真平臺。Power X 具有統(tǒng)一處理三維場景實時渲染及管理、人機交互、仿真過程智能控制和網絡通信等底層公共功能。

仿真過程智能控制主要保證系統(tǒng)仿真模型中事件結構和邏輯結構按照系統(tǒng)仿真過程設計方案執(zhí)行。設備三維模型與動作邏輯分離，系統(tǒng)利用智能邏輯處理方法，利用事件作為三維虛擬環(huán)境中仿真對象間的通信方式，采用消息驅動機制實現三維模型與動作邏輯的自動關聯及對象狀態(tài)更新。

2.5 擴展組件層

在PowerX 的基礎上，封裝仿真應用中的常用功能形成擴展組件。擴展組件可以獨立開發(fā)，只需通過組件耦合器就能被具體仿真應用邏輯使用，能夠實現異構系統(tǒng)的整合，如即時通信組件為受訓人員之間的交流提供了公共平臺，教師使用跟蹤指導組件可對學員提供實時操作輔導。

3 三維仿真培訓系統(tǒng)應用實例

3.1 體驗式模擬仿真培訓

以配電運行為例，系統(tǒng)將三維虛擬電網運行環(huán)境分為兩部分：虛擬配電網和虛擬現場環(huán)境。虛擬配電網依據實際配電網絡的電氣及地理連接關系，利用涵蓋配電系統(tǒng)典型接線和典型設備的簡化原則，將開閉所、配電房及線路所包含配電設備的三維模型放置于相應的虛擬現場環(huán)境，形成反映電氣及地理連接關系的虛擬配電網絡。虛擬現場環(huán)境主要模擬配電設備配置區(qū)域的自然環(huán)境，可以是城市、郊區(qū)或農村環(huán)境，可使受訓人員了解配電設備在現場的配置方式和連接關系，以進行不同工況下的仿真訓練。同時系統(tǒng)能逼真地模擬雨、雪等天氣狀況，使培訓環(huán)境更具真實感和沉浸感。

3.2 智能輔導

任務是表征培訓目標、學習內容的載體。通過設計任務及任務的動態(tài)調整，使之與受訓者的崗位技能水平及知識經驗相匹配，以促進其進入流體驗狀態(tài)，從而實現培訓輔導的智能化。如同樣包含環(huán)網柜停電操作訓練，對于初級工，所給的任務內容只包含對某個編號的環(huán)網柜進行停電操作；對于中級工，任務內容包含工作票的填寫和環(huán)網柜停電操作2 部分；對于高級工，任務內容中環(huán)網柜的停電操作和其他電氣設備操作存在配合關系，受訓人員必須進行正確的電氣分析，確定各設備操作順序，并且全部正確操作完所有設備，任務方可完成。

任務的動態(tài)調整借助于任務的管理器來達到既定的目標。可以通過對整個關鍵節(jié)點所有的狀態(tài)來考察受訓人員的實際情況。尤其是對于完成任務的進展情況可以及時掌握。在既定的任務完成之后。任務管理器就將所有任務的情況做出統(tǒng)計結果。這樣就能評判出受訓人員是否達到了所要求的熟練程度。而且系統(tǒng)會以這些統(tǒng)計結果作為憑據從而可以主動的對以后的任務難度系數進行必要的修正。

3.3 技能考核

考核模式下，系統(tǒng)可以計算機網絡化考試的形式，對受訓人員的仿真作業(yè)過程進行考核。系統(tǒng)能夠記錄或評判受訓人員的操作步驟，有助于培訓管理或人力資源管理部門對受訓人員的培訓效果和操作技能進行評測。系統(tǒng)支持考試管理、試卷管理、成績管理、任務管理等功能，支持在線考試、閱卷及考試成績歸檔。