虛擬現實環境下體驗式電力實訓交互模型研究及其應用

邵劍 劉偉 戴威 趙新冬 唐錦 盧茜

摘 要 電力培訓開展迫切需要借助沉浸式虛擬現實仿真技術手段，實訓交互模型設計是決定虛擬現實仿真實訓系統實效性的關鍵環節。本文將以用戶體驗為核心的技術理念融入系統實訓交互流程建模設計，基于沉浸理論開展用戶學習體驗設計，開展電力實訓系統交互流程的總體邏輯設計，并以任務流程設計、模型數據管理和交互流程控制為重點，完成系統交互流程設計建模，分別提出具體技術實現方法。提出的實訓交互流程設計建模方法已實際應用于某省級電網公司的特高壓虛擬實訓系統，并取得良好應用實效，驗證了提出方法的合理有效性。

關鍵詞 沉浸理論；用戶體驗；虛擬現實；電力實訓；交互流程

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）210-0137-04

受安全風險約束限制，電力培訓難以貼近現場實際開展，基于計算機仿真培訓技術[1]研究應用電力實訓系統能起到重要作用。近年來，虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術[2]發展勢頭迅猛，能為用戶提供身臨其境的沉浸感和更加貼近現實的交互體驗，對電力培訓具有良好適用性，研究基于虛擬現實的電力實訓系統具有重要理論價值和廣闊應用前景。

仿真培訓需要實現系統與用戶之間的良好準確交互，才能保證培訓演練流程有效開展，交互流程設計始終是計算機仿真技術研究中面臨的關鍵問題。隨著移動互聯網信息時代到來，交互流程建模設計側重于以用戶體驗為中心[3-4]。然而，電力仿真培訓作為電氣工程領域的一個重要分支，以用戶為核心的實訓交互建模存在滯后不足，大多研究應用側重于仿真技術支持，卻無法實現與用戶體驗和學習認知規律的有機融合。以用戶體驗為根本出發點，開展電力仿真培訓系統交互建模設計，有助于提升實訓仿真系統的培訓效果，尤其適用于虛擬現實技術應用。

基于以上背景現狀，本文在沉浸式虛擬現實技術背景下，借鑒教育學和心理學的沉浸理論成果，從用戶體驗設計為基本出發點，對特高壓變電站虛擬實訓系統交互流程進行優化設計建模，使之反映生產系統運行規律、工作環境和流程，實現對系統交互流程的有效控制，保證特高壓虛擬實訓系統的真實性和有效性。本文提出模型技術方法已應用于某省級電網公司的特高壓虛擬實訓系統，并發揮了良好實際效果，驗證了本文方法的可行性和有效性。

1 基于沉浸理論的學習體驗模型

沉浸理論（Flow Theory）用于解釋當人們完全投入情境中，集中注意力，并且過濾掉所有不相關的知覺，進入一種沉浸的狀態。本文構建的電力虛擬實訓系統需要讓學習者在虛擬環境中更好保持沉浸學習狀態，重點在于實現學習者在挑戰任務與自身能力之間的匹配。

本文以用戶學習體驗為出發點分析設計實訓系統交互流程，設計構建沉浸式虛擬現實環境下的學習體驗模型如圖1所示，具體要素分為感官體驗、交互體驗、行為體驗和情感體驗4類。除了情感體驗與用戶主觀情感有關，感官體驗是指用戶對虛擬現實環境的直接體驗，行為體驗是指用戶利用系統開展某項具體功能任務的評價反應，交互體驗是指用戶與系統交互流程中的操作體會，三者與實訓系統的三維數據信息、任務邏輯流程和感知反饋控制等關鍵環節直接相關，系統交互流程設計需要重點處理這些關鍵環節，以提供給用戶良好的學習交互體驗。

2 體驗式實訓交互流程總體模型設計

沉浸式虛擬實訓系統本質是一個三維數據信息環境，本文從用戶體驗出發將實訓交互流程可以概括為：用戶學習者作為核心角色，對虛擬環境進行感知判斷，獲得逼近真實的感官體驗；能夠開展實際活動交互，并從虛擬系統獲取準確反饋，獲得良好的行為體驗和交互體驗；同時，系統應該能根據交互流程情況動態調整實訓，讓用戶學習者實現挑戰任務與自身能力之間匹配，最終進入沉浸狀態，獲得最佳學習效果。

基于以上過程分析，本文將虛擬現實環境下的特高壓實訓過程為數據支撐層、任務驅動層和過程控制層3個層級：數據支撐層需要實現對大量虛擬現實電力設備模型實現有效組織理，為用戶快速準確加載場景，提供更具有真實性和完整性的虛擬現實環境；任務驅動層提供系統交互流程的邏輯流程，把各項電力實訓作業步驟和相應電氣設備狀態變化，通過一系列操作邏輯函數進行描述；過程控制層實現系統交互流程的友好控制，要對用戶學習信息進行捕獲及分析，并進行任務動態調整和信息輔助指引。因此，本文以任務驅動管理模塊、模型數據管理模塊和交互流程控制模塊為核心，建立電力實訓系統交互流程模型如圖2所示。

系統啟動后首先對各類數據信息進行初始化，并根據用戶輸入信息進行角色定義和實訓任務選擇。利用任務驅動管理模塊，系統對實訓任務進行流程分解，形成相互獨立的實訓流程單元；流程單元加載后，通過模型數據管理模塊，動態加載電力場景模型資源；數據信息輸出給用戶后，用戶完成各個實訓流程單元；同時系統通過交互流程數據分析，判斷用戶能力水平是否匹配當前任務難度，若不匹配，則動態調整流程單元，避免降低用戶學習體驗；按此流程，系統啟動后續流程單元，直到實訓任務全部完成。

3 電力虛擬實訓的體驗式交互流程實現

3.1 任務驅動管理模塊實現方法

電力實際作業具有嚴格的流程規范要求，因此可以將各特高壓實訓任務分解為若干個獨立且不可中斷的流程單元，每個流程單元代表針對某一電力設備完成的一項實訓步驟，是實訓操作流程描述的最小單元。流程單元F需要定義實訓操作的信息描述，包括所有設備狀態信息和操作響應關系，它的數據模型用有限狀態機表示，如下式：

2）狀態數據處理。首先，針對數據序列的最大值、平均值、方差值等特征數據進行計算。同時，由于影響實訓交互流程的因素眾多，每個特征參數對實訓交互狀態的表征存在不確定性，為此采用模糊隸屬度函數，處理用戶交互流程中不確定的、模糊的狀態數據。

3）專家系統規則。基于第i個流程單元采集處理后的狀態數據進行推理判斷，當狀態數據超過規定閾值范圍，表示實訓交互流程偏大或偏小，則調整第i+1個流程單元流程單元的難度層級標識變量η，用來根據動態調整實訓流程單元。同時，閾值根據在專家經驗設定基礎上，根據動態數據庫的歷史交互數據平均值調整，提升閾值設定的準確性。

4 特高壓電力虛擬實訓系統應用

本文針對某省級電網公司的特高壓變電站工程實際，應用前文提出的系統交互模型設計方法和關鍵實現技術，基于Htc vive虛擬現實硬件系統和Untiy3D三維引擎，開發設計特高壓變電站虛擬實訓系統，系統主界面如圖3所示。

系統采用層次化數據模型動態數據處理技術進行場景建模開發，圖3所示模型是由關鍵特征數據層模型構成的場景圖，圖4（a）是典型全面信息數據層模型，對特高壓主變設備的設備結構進行了完整信息建模，圖4（b）則是典型精細完善數據層模型，對GIS開關設備的內部結構進行了精細化建模。

用戶利用本系統可開展特高壓變電站相關實訓演練操作，獲得360°沉浸式學習體驗，并開展各類實際交互操作，包括設備運行巡視、關鍵設備檢修、帶電檢測等功能，如圖5所示。

為進一步應用系統效果，本文將提出虛擬實訓系統與傳統桌面式變電仿真系統進行了對比，針對100名用戶的體驗反饋情況進行統計分析，其中每位用戶體驗反饋結果基于本文提出的用戶體驗模型，采用調查問卷的方式得到，最終統計得到雷達分析圖，如圖6所示。

相比于傳統桌面式仿真系統，基于本文方法開發的特高壓虛擬實訓系統，可以為用戶提供更好的學習體驗，尤其在虛擬環境的感官體驗和用戶情感體驗上有了明顯提升，這也驗證本文提出交互流程建模設計方法的有效合理性。

5 結論

本文在沉浸式虛擬現實技術背景下，提出了以用戶學習體驗為基礎的交互流程設計建模方法，并實現了實際系統應用。

本文重點完成了體驗式交互流程的邏輯流程設計，并以任務流程設計、模型數據管理和交互流程控制為重點，提出系統交互流程控制的技術實現方法，為用戶學員提供體驗式學習交互。某省級電網公司的特高壓虛擬實訓系統投入應用后，應用效果良好，為特高壓人員專業技能水平提升提供有利條件。

參考文獻

[1]劉瑞葉.計算機仿真技術基礎（第二版）[M].北京：電子工業出版社，2011.

[2]中國電子技術標準化研究院：虛擬現實產業發展白皮書[R]，2016.

[3]陳媛嫄.基于活動的情境感知模型與情境感知交互設計[D].大連：大連海事大學，2013.

[4]侯文君，呂菲，高歌.三維虛擬環境中用戶交互行為及用戶體驗研究[J].機電產品開發與創新，2007，20（3）：86-88.

[5]李鵬，范三龍.基于分層推理架構的牽引變電站智能報警專家系統設計[J].電力工程技術，2015，34（5）：1-3.