基于虛擬現實技術（VR）的新員工電力培訓應用研究
——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

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

高危險性。由于停電會影響大面積區域的正常工作，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，亦是電力行業新員工培訓的重點。在傳統的培訓模式下，為保證學員安全，新員工的大量培訓是在不帶電培訓場地進行的。然而，有些設備運行和不運行是兩種狀態，區別較大，學員不能直觀感受實際操作中的注意事項，導致傳統的電力培訓的培訓效果不理想。

場地的有限性。傳統的電力行業培訓需要耗費大量的物力、財力和人力，培訓場地建設是培訓資費的大頭，能為培訓提供的專業場地有限。但是，電力行業由于本身的特殊性，若將學員局限在教室中學習，培訓常常達不到預期效果。

1 國內VR實踐成果綜述

2016年工信部下屬中國電子技術標準化研究院發布了《2016年虛擬現實產業發展白皮書》。虛擬現實技術在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》（2006—2020）的內容已明確歸屬于前沿技術中信息技術部分3大技術之一。艾媒咨詢數據顯示，預計2020年國內市場規模預計將超過550億元，可見我國虛擬現實產業正在高速發展。

2016年9月19日，工業和信息化部、國家發展和改革委員會聯合制定《智能硬件產業創新發展專項行動（2016—2018年）》[2]，強調在加強智能硬件核心關鍵技術創新中，虛擬現實/增強現實技術方面發展應面向虛擬現實產品的新型人機交互、新型顯示器件、GPU、超高速數字接口和多軸低功耗傳感器，面向增強現實的動態環境建模、實時3D圖像生成、立體顯示及傳感技術創新，打造虛擬/增強現實應用系統平臺與開發工具研發環境。

2017年1月10日，國務院印發國家教育事業發展“十三五”規劃[3]，對于發展“互聯網+教育”部分尤為重視，強調要使信息技術與教育教學深入融合，使教學手段多樣化、科技化與現代化。對于各級各類學校建設智慧校園給予支持，并提出要綜合利用互聯網技術、大數據技術、人工智能技術和虛擬現實技術探索未來教育教學的新模式。不難看出，在教育作用于公眾的遷移中，虛擬現實技術在電力工業仿真領域中對職業工人或者特殊工種的培育與訓練有著極大的轉化效率和低成本、高安全、公平便捷等優勢亟待開發[4]。

2 國外VR理論與實踐成果綜述

2.1 美 國

美國在虛擬現實領域研究中的感知、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，若要使數據手套成為可用性較高的產品，必須將其工程化。而在VR教育系統領域，NASA己經建立了空間站VR訓練系統，并建立航空、衛星系統用以維護VR訓練系統，使得該教育系統可供全國使用。

2.2 日 本

日本對于虛擬現實技術應用的研究和開發處于全球領先地位，對于建立大規模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實系統由NEC公司開發，而用圖像處理來識別手勢和面部表情輸入的虛擬現實系統則是由京都先進電子通信研究所（ATR）開發的，遠程控制主從系統由東京大學高級科學研究中心重點研究，虛擬現實的可視化問題則由東京大學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、虛擬生物與VR環境的相互作用等知識與應用成果。筑波大學不僅研究開發VR虛擬現實體系，也開發了一套神經網絡姿勢識別系統等。

3 VR技術應用于電力行業教育的現狀

虛擬現實技術與電力培訓的結合顛覆了傳統的培訓方式，通過沉浸式方式了解電力系統、漫游電力工作場景、交互式技能操作的訓練以及典型事故案例還原等，不但能增加電力行業新員工學習的趣味性，還能進行實操訓練，增加臨場經驗，顯著提升培訓效果，同時為企業降低培訓危險性，大幅減少培訓固定成本支出等。在國內電力行業，國網全球能源互聯網研究院等科研單位已經搭建了VR、AR技術實驗室環境，其中在VR電力應用方面開展了初步研究和探索。

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

以上是VR技術較早應用于電力行業教育中的案例，具有一定的典型性。可以看出，VR技術應用于電力教育培訓行業的時間短，而對電力新員工的系統化培訓目前國內外都還沒實施過虛擬現實系統開發案例。近年來，南方電網深圳供電局有限公司在新員工培訓工作中投入了大量資源建設，包括線上線下課程開發及內訓師培養。但是，現下的新員工培訓依然過多依賴于課堂講授，無法直觀認知各種電力設備，也無法進行高效的實地訓練，培訓效果嚴重受限。然而，現場工作需要新員工快速掌握專業知識。因此，如何高效、低風險地對新員工進行培訓，是現階段需考慮和解決的問題。

4 VR技術在電力行業新員工培訓上的應用成果

2018年，南方電網相繼開發了多個基于虛擬現實技術（VR）的研究與應用項目。南方電網深圳供電局有限公司深入研究開發了“基于虛擬現實技術（VR）的新員工培訓研究與應用”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虛擬現實技術應用在幾個典型的電力知識學習場景中，包括電力系統、電力設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系統的主場景，模擬太空艙的操作室。學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實物理教學環境的新環境中，激發學員更多的學習興趣和積極探索的動力。

4.1.2 發電站場景

該場景的主要作用是給學員學習發電相關知識提供一個仿真環境，以便學員產生更真實的臨場感和沉浸感。場景主要模擬水利發電站廠房，主要介紹設備為渦輪發電機。

4.1.3 配電場景

由于大多數配電設備位于戶外，且周圍分布著不同類型的用電區域，因此配電主要用沙盤模擬一個完整的配電系統，以便學員整體認知配電。

4.1.4 變電場景

對于電力行業新員工，變電所涉及的設備最繁多，操作也最復雜，因此變電場景包含VR實拍變電站和變電設備虛擬操作空間。學員在VR實拍變電站中認識現實中的變電工作環境，變電設備操作則在虛擬操作空間中進行。

4.1.5 用電政策學習場景

用電政策內容雖不復雜，但有些專業術語對初入電力行業的新員工而言晦澀難懂，且用電政策時有變化更新，因此用電政策學習場景采用VR視頻拍攝的形式，邀請用電領域的專家進行授課，后續還將開發網絡直播課程，及時向新員工解讀更新更多的政策內容，并在線為學員答疑解惑。

4.2 建設系統的知識體系

該應用成果根據深圳供電局對新員工的培訓要求，開發了3大板塊的知識應用系統模塊——電力系統、電氣設備培訓和安全作業體驗。其中，電力系統知識框架包括發電、輸電、變電、配電和用電5大系統介紹，通過動畫演示電能從產生到運輸再到配送使用的過程，展示系統之間的邏輯關系；電氣設備培訓主要包括一次設備和二次設備的認知培訓，包括電氣設備的外觀、常見類型以及功能介紹等內容；各電力系統中選擇5～10個主要設備進行展示設計；安全作業體驗系統主要包括安全規范動作演示、十項規定動作演示、安全器具檢查訓練以及典型安全事故體驗等內容。

4.3 克服VR技術應用于電力新員工培訓的開發難點

4.3.1 難點一：設備建模

由于電力培訓系統的特殊性和電氣設備的復雜性，需要基于Unity平臺引擎結合3Dmax、maya和C4D等軟件完成大量各種設備的三維建模。尤其是制作人員，需清楚了解設備的內部結構，這是最大的難點。

4.3.2 難點二：人機交互開發

人機交互是指人、計算機以及它們之間相互影響的技術。虛擬現實技術應用于行業培訓如果沒有人機交互的介入，能達到的只是一種“只可遠觀而不可褻玩焉”的效果，且毫無創新點。因此，人機交互是虛擬現實技術應用于培訓領域的關鍵。

由于新員工培訓系統需要模擬大量的實踐操作，因此人機交互的開發至關重要。系統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、設備基礎知識學習和電力政策學習等等也需要人機交互，人機交互的覆蓋面達到整個系統的80%以上。但是，由于硬件設施的限制，該系統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硬件技術的發展，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境在軟件與硬件設備之間的通信效果，同時直接影響受訓人員的第一人稱體驗感覺。軟硬件設備對接無法流暢進行，虛擬環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、培訓關注點和期望值產生影響。因此，軟硬件設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

電力系統是一個龐大的體系，其中涉及發電、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備，因此需要制作各種不同作用、不同外形的模型。虛擬現實培訓系統一般會運用JAVA、C#等語言設計和UNITY開發工具開發基于VR技術的教學管理網絡平臺，并結合3DMAX、MAYA等三維建模工具進行三維建模，完全還原電力系統培訓中涉及的場景和設備。在計算機硬件有限的條件下，如何將這些場景和模型數據結合并流暢完整展示是一個難點。

三維虛擬培訓教學環境搭建還要考慮與顯示終端的匹配。虛擬培訓教學環境搭建是利用各種交互設計工具、三維建模工具以及其他手段完成的。一般運用當下流行的虛擬現實設備，利用其他手段產生感官刺激使學員沉浸其中，并利用交互設備觸發交互點適應虛擬環境、操作相對應的工具和對象，從而達到新員工足不出戶就能提高技能和學習知識的目的。

操作者能夠進入一個由計算機系統生成的交互式三維環境，具有視、聽、觸等多種感知。通過使用各種特殊的交互設備，與虛擬仿真環境進行互動，并借助人體本身自由的感官能力和認知能力啟發體驗者的思維，達到在虛擬環境中獲取信息和知識的目的。虛擬環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 論

電力培訓是復雜而龐大的體系，設備種類、技術多樣性以及操作難易程度分類豐富。通過基于VR虛擬技術的新員工培訓系統應用開發成果研究發現，虛擬現實技術應用于電力行業培訓具有以下幾個優點：

（1）可以使新員工在短時間內對電網系統有一個全面了解和學習。電網系統龐大而復雜，新員工尤其是對電力行業不太熟悉的新員工，對電網系統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虛擬現實技術，可快速切換電網系統各工作場景，讓學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。通過VR技術還原場景，結合認知心理學原理，開發全方位沉浸式體驗系統，實現新員工體驗者的臨場感和沉浸感，深度體驗真實的作業環境和實踐操作結果，使學員在心理上建立起對職業的敬畏感和電力工作需要的謹慎認真心理。

（3）易于快速建立學員的系統知識架構、體系和層級意識。通過各場景的UI交互和數據展示，能快速、專注、即時地了解某復雜設備的結構或工作原理或某作業流程的實際操作，實現低風險、低成本、高效率和強體驗的培訓效果。