虛擬現實在運維技能實訓中的應用研究

吳義純+曾憲文+黃潔+李淼

摘 要 隨著產業升級，對高技能應用型人才需求持續增長，虛擬實訓系統已在企業高技能運維人才培養中發揮重要作用。在以信息化引領教育理念和教育模式創新的熱潮中，對虛擬實訓系統的技能培訓效果提出更高要求。介紹虛擬實訓系統的組成結構和應用現狀，重點展望其發展趨勢，充分發揮信息化引領教育理念和教育模式的創新。

關鍵詞 虛擬實訓系統；運維技能實訓；教育信息化；高技能應用型人才

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）18-0016-04

Application Research on Virtual Reality in Operation and Main-

tenance Skill Training//WU Yichun， ZENG Xianwen， HUANG Jie，

LI Miao

Abstract With industrial upgrade， the demand for highly-skilled and

practical talent is increasing， virtual training system plays an impor-

tant part in enterprise highly-skilled and practical talent training and

provides human source security for industry development. In the

trend of information industry which leads education concept and

innovation of education mode， higher requests are put forward to

virtual training system. This article emphasizes the importance of

virtual training system to operation and maintenance staffs， analyzes

its structure and application status. Then， considering the education

information that leads education concept and innovation of educa-

tion mode， the outlook of virtual training system is provided.

Key words virtual training system； operation and maintenance skill

training； education information； highly-skilled and practical talent

1 引言

隨著“中國制造2025”戰略的實施，企業對高技能應用型人才的需求持續增長，高技能人才短缺問題日益顯著。在高技能應用型人才培養過程中，實操技能培訓尤為重要，由于受到經費、場地等因素的限制，傳統實訓室大規模建設遇到困難，基于虛擬技術的實訓系統則因其經濟性好、安全性高、真實感強的顯著優點得以推廣應用，實操技能培訓質量和效率都顯著提高。

在教育信息化發展規劃中，提出以信息化引領教育理念和教育模式的創新，充分發揮教育信息化在教育改革和發展中的支撐與引領作用，因此對虛擬現實技術在技能實訓中發揮的作用提出更高的要求。本文討論虛擬實訓系統的特點，分析其在行業運維技能實訓中的應用，展望其發展趨勢，充分發揮其重要性和優勢，引領教育培訓創新。

2 虛擬實訓系統特點

企業運維人員技能水平直接關系到企業安全穩定、經濟高效地運轉，高效的技能實訓是職業教育必不可少的環節。然而，在運維人員的崗位技能實訓中，雖然可以在現場的運行設備上跟班實習，但為了保障安全生產，不能按照實訓教學需要在正在運行的系統或設備上進行實際操作、故障排查與處理，從而限制了學生實際操作及事故處理能力的培養。為此，建立一個與實際工作環境相似的仿真實訓系統是十分必要的，虛擬實訓于是應運而生，讓學生在虛擬環境中完成真實項目的實訓教學，發揮信息化技術在培養高端技能型人才中的重要作用。

虛擬實訓是依托虛擬現實技術而產生和發展的一種實訓模式，是利用虛擬現實技術來模擬實訓的環境及生產過程，讓學生在虛擬環境中通過計算機操作完成實訓，以替代或部分替代傳統的真實實訓[1]。與傳統實訓相比，虛擬實訓具有以下一些優點。

1）借助三維動畫、音響特效等刺激學生的視覺、聽覺，甚至運動、觸覺等實時感知，通過與虛擬環境交互操作，調動學生的好奇心和學習主動性[2]。

2）傳統實訓受到設備、場地、經費等的影響，限制了它的規模；而利用虛擬現實系統，學生在計算機上便可以做各種實訓操作，而且能獲得與真實操作一樣的體驗，較大地節省成本。

3）真實實訓操作往往會遇到各種危險，如電力生產設備、帶電運行機器等，存在危險性和不確定性；而在虛擬環境下實訓，可以保證學生人身安全，尤其是對尚未充分認識到危險性的高職學生。

4）虛擬實訓中其“運維設備”多是虛擬的[3]，經濟性好，設備升級成本不高，可根據行業發展更新新設備、新技術，實訓教學內容也隨之變化。

3 運維技能虛擬實訓系統搭建

虛擬實訓系統首先要搭建逼真的三維虛擬場景，惟妙惟肖地再現實際運維系統和設備的正常、異常、事故狀態及其動作過程。學生可以在虛擬環境中漫游，對實際運維設備進行巡視、檢查，還可以進行虛擬操作。根據學生的操作，虛擬場景能實時動態響應，能再現各種事故狀態的事故場景，如著火、爆炸、聲光等，增強學生的沉浸感。虛擬實訓系統由教員模塊、專業仿真模塊、學員交互模塊等組成，框架如圖1所示。endprint

教員模塊 教員模塊管理虛擬實訓系統的運行，可以設置虛擬場景初始運行狀態，也可以設置故障，控制和管理本地集中學生以及遠程實訓學生，實現集中實訓與分散培訓相結合的實訓模式。

學員交互模塊 學員交互模塊處理與學生操作相關聯的數據，傳輸給虛擬實訓平臺，使三維虛擬場景做出實時響應，從而完成相應模擬操作。交互大多由鼠標實現，必要時可以借助三維交互設備如立體頭盔、數據手套等來實現。

專業仿真模塊 專業仿真模塊是整個虛擬實訓系統的基礎和核心，不同專業實訓系統在該模塊上差異很大，它為虛擬場景提供正確的運行數據和動作信息，又在仿真異常和事故情況時，反映各設備之間相互作用和相互影響，為在三維場景中的再現提供技術數據。

運維系統和設備故障處理是企業日常運行中一項很重要的工作，正確、迅速地處理事故是技能人員的重要職業能力，也是防止事故擴大和減少事故損害的基本措施。利用虛擬實訓系統的事故處理功能，可以將事故真實地模擬出來，學生根據現象分析故障原因，盡快隔離故障，減少故障損失，逐步恢復生產，從而鍛煉正確處理事故的能力和心理素質。

在設備較少行業的虛擬實訓系統中，用邏輯方法就可以將異常和事故模擬得比較逼真。但在復雜行業，用邏輯方法去模擬其異常或各類事故現象往往不能滿足要求，工作量也大；同時在實際運行中，往往一個故障會引發其他的故障，在多重故障下，邏輯方法過于簡單，難以考慮故障后的動態過程等，因此需要利用專業模型來實現異常處理和事故處理模塊。

虛擬實訓系統中專業仿真模型需具有以下特點。

1）從準確性上來說，為了能夠真實地再現運維設備各種操作、異常乃至故障情況下仿真對象的動態變化過程，所選各設備動態模型必須具有足夠的精度[4]。

2）從實時上來說，專業模型需對各種操作或故障實時響應，這就使得在保證不影響仿真過程和結果的逼真性的前提下，系統對元件的動態模型需適當簡化。

3）從基礎數據來說，要以實際典型系統的真實運行情況為藍本，構建系統運行方式和拓撲結構，使虛擬系統專業模型具有與真實系統相似的運行工況，系統參數、運行指標等數據完全符合現場實際，從而保證專業模型仿真的真實性。

下面以變電站仿真實訓系統為例來說明。為了保證整個變電站仿真系統的真實性，需要建立與真實電網相似的虛擬電網，對電網各種元件建立多種不同復雜程度的動態模型，可以根據仿真的具體需要進行選擇。如電網仿真中繼電保護和自動裝置的建模方法有邏輯判斷和定值比較[5]兩種。

①基于電氣量啟動的保護采用定值比較法，在電網仿真的動態模擬過程中，可以對各種不同的簡單故障、復合故障進行模擬，計算出各保護設置點的電氣量，如各相電流、電壓、阻抗等，與繼電保護的定值進行比較。由于定值比較法考慮了暫態電流的動態變化過程，逼真度高，能夠很好地滿足實時性的要求。

②對于不適用定值比較法（如非電氣量保護）的保護采用邏輯判斷法。

邏輯判斷法快速、簡單、直接，定值比較法更為準確，可靠性高、適應性強，但耗時較多，有時需要采用定值比較和邏輯判別相結合的方法。另外，虛擬電網的接線方式、運行工況、網絡參數的選取應參照實際運行電網，可根據實訓教學的需要適當進行調整，保證虛擬仿真電網的電流、電壓、功率、頻率等運行指標符合現場電網生產實際。

4 運維技能虛擬實訓系統發展展望

提高實訓系統沉浸度 由于虛擬現實技術水平的限制，學生體會到沉浸感不夠，虛擬實訓在應用時仍有一些問題亟待解決。

1）虛擬環境表示的準確性。為使虛擬環境與企業運維設備設施相一致，需要對其中種類繁多、構形復雜的信息做出準確、完備的描述，同時需要研究高效的建模方法，重建其演化規律以及虛擬對象之間的各種相互關系與相互作用[6-7]。

2）實時顯示問題。盡管理論上能夠建立高度逼真的，實時漫游的VR（虛擬現實），對于工作場景復雜、三維模型精細的實訓系統引入用戶實時交互時需要動態生成新的圖形，需要強有力的硬件條件的支撐，同時考慮到硬件成本，不得不降低圖形的逼真度以減少處理時間[8]。為此需要進行比較，既保證模型精細度，又不削弱系統交互的實時性。

3）人與虛擬場景的協調性。目前虛擬實訓系統大多在三維仿真及動態操作中側重于場景、設備的變化，模擬人與設備的自然交互功能逼真度不夠，場景中學生沉浸感不夠。如在設備巡視模式下，應以正常人視野去看，有的高度是技能人員無法正常去看到的，而在虛擬仿真實訓系統中往往按照360°無死角的模式去查看。所以，仿真環境應該更多地以人為主體，需要更多地使受訓人員能夠在虛擬的學習環境中扮演一個角色，深化虛擬人技術[9]的應用，強調人與虛擬環境之間的協調，以自然方式實現與虛擬環境的交互，將會具有更強的真實感、沉浸感。

與傳統實訓系統的融合 虛擬實訓系統與以真實設備為主的傳統實訓系統存在差異，尤其是對不了解生產現場的高職學生來說，缺少對真實運行設備的認知；同時，高職院校的實訓很注重學生的動手操作，如接線工藝、工器具熟練使用等技能基本功，而這些在虛擬系統中得不到訓練，因此，虛擬實訓系統的應用有一定的局限性。

為此，將虛擬實訓系統與傳統實訓系統融合，形成混合仿真系統，即將全數字虛擬仿真的系統與現場一致、真實的設備創造性地放置于同一個仿真系統中，通過教員臺控制仿真系統服務器、混合仿真軟件輸出控制參數給真實設備，從而實現真實設備按本身動作原理進行動作的功能，實現虛擬與實物的無縫連接與聯合運行，營造出更為逼真的運行環境，使實訓更接近現場實際。混合仿真系統在有些行業實訓中開始運用，是進一步增強技能實訓效果的可選發展方向。

混合仿真系統建設中需要考慮綜合效益。在技能實訓中真實設備載荷有限，往往是輕載，在不影響實訓效果或不便再現現場場景時，可以簡化或技改成模擬裝置，這樣可以降低混合仿真系統中設備容量標準，節省成本，提高經濟性。但混合仿真系統相對而言依然占地較大，成本較高，大規模建設經濟性較差，所以要準確測算其配備數量。在學生實訓時，先在虛擬設備上大量學習、操作并考核合格后，再在混合仿真系統的真實設備上按實際操作規程及規范進行各種操作和事故處理，從而減少配備實物的臺數[10]。endprint

與傳統實訓系統結合后，可以增強對不了解生產現場的高職學生的認知，提高實訓學生的實際動手操作能力，鍛煉其熟練使用工器具，是虛擬實訓系統的有效補充和拓展。

提升綜合評價系統智能化水平 虛擬實訓系統需要在實訓結束后提供一種評估機制，客觀反映、評價學生實際操作能力和分析判斷能力，學生可通過該系統進行自我評價，同時可以減輕教員評價負擔，甚至可以作為技能資格考核評價依據。完整的操作流程可能包含很多操作步驟，有的次序可以不分先后，導致標準答案有很多，用計算機實現評估系統，有時評價結果可信度不高，需要人工參與進行評價，依據正確答案查看比照學生答案，根據差異度給出最后的評價，工作量可能非常大，虛擬系統計算機評價也是一個普遍的難點問題。現有很多虛擬實訓系統普遍缺乏完整且客觀的評價體系，需要認真研究仿真系統各項功能的特點，充分利用專家系統和智能技術建立一套相對應的評價原則和標準，實現智能評價，使評價方法更加客觀和全面，使實訓更加有效。

正常運行操作智能評價的標準步驟相對統一，變化相對較小。專家系統根據操作任務，調用數據庫中的數據和規則庫中的規則，用智能評價模塊實現相對方便。對于事故處理智能評價的標準步驟難以統一，不同運行人員分析事故的角度各有差異，處理事故的思路、操作步驟也就各有差別，但最終都能正確地處理該事故，因而對事故處理的具體步驟無法統一，主要從操作的安全性、正確性、完整性、時間等角度進行評分。在評價體系中，安全性是檢測學生是否違反事故處理的相關規定；正確性是重點評價事故處理的關鍵目標是否完成，首先檢測學生操作完成后系統的運行狀態，如果事故處理后的運行狀態和所要求的運行狀態一致，則認為學生完成了事故處理的關鍵目標，然后，專家系統根據操作任務，調用數據庫中的數據和規則庫中的規則，推理出在當前設備狀態下應采取的操作，并與學生所做的操作步驟逐一進行比較[11-12]；完整性檢測是否出現操作順序有誤、漏步或錯步等情況，若有則扣除相應的分數。

對虛擬實訓系統的綜合評價系統智能化評價方法進行的研究有不少，需要借助人工智能技術，建立一套相對應的評價原則和標準，提升綜合評價系統智能化水平，及時正確地反饋實訓效果。

教學課件與實訓系統一體化 盡管虛擬實訓系統提供了逼真的虛擬學習環境，但對于運維技能水平低的高職學生來說，因其仍然需要教師指導而使系統應用受到限制。為提高學生學習的主體性和必要的主動性，讓學生逐漸成為學習的主角，翻轉課堂成為新型教育方式，其利用豐富的信息化資源，在虛擬仿真實訓之前，讓學生自主學習，觀看如安全教育、設備結構解析與功能、規范化操作等三維虛擬教學課件。在實際教學中，安全教育是實訓教學最先安排的模塊，安全教育三維動畫課件是必不可少的；設備結構解析課件對運維設備外部構成、內部結構和檢修要點進行剖析和三維展示，并在拆分過程中強調出拆分中設備的主要信息和重要部件，以加強運維人員對設備結構的認知，在運行操作和事故處理的技能學習中更得心應手；規范化操作課件對運行維護的工作技能知識點詳細演示講解，對學生工作技能起到規范化的指導作用，也為學生在虛擬仿真實訓系統上操作提供了扎實的專業技能基礎[13]。

三維虛擬教學課件與虛擬仿真實訓系統在教學內容上密切相關，但二者之間往往是獨立的，有時針對性不夠強。可以考慮教學課件與實訓系統一體化，將三維虛擬教學課件開發成為虛擬仿真實訓系統中的一個模塊；甚至可以調用虛擬實訓系統中的資源，減少課件開發工作量，進一步提高針對性，完善虛擬實訓系統。

提升遠程實訓功能 在翻轉課堂教學模式下，學生需要遠程熟悉虛擬實訓系統，遠程訪問功能尤為重要。網絡虛擬現實技術就可實現這一功能，建立了一個可供異地多用戶同時參與的分布式虛擬環境。在這個環境中，位于不同物理位置的多臺計算機及其用戶，可以不受各自的時空限制，在一個共享虛擬環境中實時交互、協同工作，模擬設備運維的演練[14-15]。教員下達操作任務后，學生即可進行實訓，可根據自己的情況合理安排時間，實訓的地點、內容和深度不受限制，從而減少集中授課時間。

虛擬實訓系統很多設置了遠程實訓功能，但是在復雜系統行業，如電網運維，精確仿真實訓環境時，模型越細致，三維軟件越大；多個遠程客戶端有學生操作時，交互信息量多，通信開銷大，速度減慢，甚至導致網絡系統故障。因此，有時需要在學員端安裝單機版系統，而這可能涉及知識產權保護，同時學員端需使用高性能電腦，增大經濟開銷，從而限制遠程實訓模式在實際中的應用。未來虛擬實訓系統應結合快速發展的信息化新技術，提升遠程實訓功能，實現學員遠程直接訪問模式，擴大遠程教學應用范圍。

5 結語

應用型行業運維高技能人才離不開實訓，虛擬實訓系統因其經濟性好、安全性高、真實感強的顯著優點得以廣泛應用。在教育信息化引領教育模式創新的先進理念下，人工智能、多媒體、網絡、圖庫模一體化等技術的引入，能夠為虛擬仿真實訓系統進一步完善和發展提供技術支撐，充分發揮其重要作用和優勢，以有效增強學員沉浸感，提高應用型高技能人才技能實訓效率，服務于人才強企戰略。

參考文獻

[1]洪洲.虛擬實訓系統的研究現狀及發展趨勢[J].實驗技術與管理，2014（6）：111-113.

[2]張福勇，顏聲遠，李慶芬，等.Division Mockup在虛擬現實中的應用[J].應用科技，2006（11）：19-22.

[3]杜修平，那一沙.基于VMP_Modeller的汽車實訓基地建設方案[J].機械職業教育，2008（12）：40-41.

[4]趙世明.220千伏變電仿真系統的應用[D].北京：華北電力大學，2009.

[5]路軼，肖嵐，雷敏，等.基于DTS的繼電保護和自動裝置定值法模擬的應用[J].繼電器，2006（6）：11-13，17.

[6]鮑虎軍.虛擬現實技術概論[J].中國基礎科學，2003（3）：

26-32.

[7]劉向銅，熊助國，等.虛擬現實技術的若干問題及發展展望[J].水利科技與經濟，2006，12（5）：324-327.

[8]張占龍，羅辭勇，何為.虛擬現實技術概述[J].計算機仿真，2005（3）：1-3.

[9]平紅燕.三維變電站仿真系統中虛擬人行為的研究與實現[D].北京：華北電力大學，2010.

[10]張勤，魏保立.數控網絡教學實訓系統的建設與實踐[J].鄭州鐵路職業技術學院學報，2003（1）：46-48.

[11]張帆，金紅核，袁成，等.基于目標優先的變電站仿真智能評價方法[J].電力系統保護與控制，2010（19）：33-38.

[12]王艷，馬曉飛.變電站仿真培訓智能評價系統的研制[J].湖南電力，2011（5）：12-15.

[13]吳義純，房雪雷，徐正清.變電運行規范化作業仿真系統的設計與開發[J].實驗室科學，2016（1）：149-152.

[14]王勇.多媒體增強的分布式虛擬環境中多媒體同步的研究[D].南京：南京大學，2003.

[15]陳豪.分布式虛擬環境網絡互聯支撐軟件系統研究[D].南京：東南大學，2004.endprint