基于虛擬現實和協同工作的UPS巡檢技能培訓系統

馬小琴

摘? 要：為了解決員工UPS巡檢培訓的不足，研究了基于虛擬現實和協同工作的UPS巡檢技能培訓系統。文章研究了虛擬現實技術和計算機支持的協同工作技術，提出了UPS培訓的系統方案，設計了系統架構和功能框架。建造了UPS技能虛擬培訓場景，并在網絡環境中進行了應用和部署。該系統沉浸感強有吸引力，能夠調動學員的積極性，能夠實現多人協同訓練，提高培訓效果。

關鍵詞：電力;培訓系統;虛擬現實;協同工作;UPS

中圖分類號：TP391.9? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）10-0075-03

Abstract： In order to solve the shortcomings of UPS inspection training for employees， a UPS inspection skills training system based on Virtual Reality （VC） and cooperative work is studied. In this paper， virtual reality technology and computer-supported cooperative work technology are studied， the system scheme of UPS training is put forward， and the system architecture and functional framework are designed. The virtual training scenario of UPS skills is constructed and applied and deployed in the network environment. The system has a strong sense of immersion and attractiveness， can mobilize the enthusiasm of students， and can achieve multi-person collaborative training， thus improving the training effect.

Keywords： electric power; training system; Virtual Reality （VC）; cooperative work; UPS

1 概述

目前，專業技能升級和培訓主要通過師傅的集中講座培訓學徒來實現。信息中心UPS機房業務人員不僅需要掌握豐富的業務知識，還需精通實際操作，以及現場故障處理能力，以確保效率和質量。近年來，隨著計算機和多媒體技術的快速發展，工業過程操作和控制培訓的仿真概念已應用于商業運營和管理培訓。銀行、電信等行業公司建立了一系列仿真培訓系統，如仿真業務運營場景，客戶服務場景等。在電力行業也建立起一系列仿真培訓系統，如仿真電網調度，電網故障應急維修，變電站維護等。

2 研究對現狀和技術發展的作用

為了適應信息中心UPS機房業務發展的需要，有必要建立一套信息中心UPS機房巡檢培訓系統。信息中心UPS機房業務人員可以透過業務仿真系統，對巡檢、大充大放等情況進行仿真，完整模擬信息中心UPS機房業務人員仿真培訓的環境，提高從業技術人員的專業能力，以適應電力系統的業務發展需求。并且在現實環境中，工作通常由多人協作完成，現有的培訓不能滿足要求。針對UPS培訓工作中存在的問題，本文將多人合作技術、VR硬件與資源的聯動結合起來?；谔摂M現實和共同協作，開發UPS巡檢技能培訓系統，以進一步改進UPS培訓及UPS的安全操作。

3 協同工作與虛擬現實

3.1 虛擬現實技術

1998年“虛擬現實術語工作組”在IEEE標準草案中對虛擬現實的解釋：“用于創建人造世界的計算機系統，在這個世界里，使用者有沉浸于其中的感覺，能在其中漫游并能操縱其內的物體”。[1]虛擬現實淺白的講就是虛擬出一個仿佛真實的世界，透過頭戴式VR裝置，看見360度的無死角畫面，達到“身歷其境”的感受。

在對UPS虛擬現實技術進行研究的基礎上，全面的對UPS真實場景進行建模，使UPS三維模型成為實時交互式模型顯示和實時漫游系統，然后進入虛擬場景通過人機交互界面，讓學員感覺到實際上處于一個完全可信的虛擬世界。它是雙向交互式的：當操作所看到的設備時，操作的設備將獲得反饋。它可以有效降低培訓過程中的危險，對推動相關專業人才培養方法的轉變起到重要作用。

3.2 計算機支持的共同協作工作技術

單人工作方式已經無法滿足在互聯網時代工作的需求，多人合作可以有效提高效率。計算機支持的協同工作（CSCW：Computer Supported Cooperative Work）。它的提出和實現從根本上改變人們傳統的工作方式和生活方式。CSCW是在1984年由MIT的Irene Greif和DEC的 Paul Cashman首先提出的[2]。CSCW經過多年的研究使用，已成為了一門新的學科。并在各個領域都有所應用。CSCW的基本解釋是：團隊在計算機環境（CS）下的合作，特別是對于完成一項任務在互聯網環境下（CW）。包括協調系統的建設、團隊合作研究、支持團隊研究和開發系統。它可以包括四種形式的工作：同時異地、同時同地、異時同地和異時異地。主要取決于工作的時間和地點。協同計算機工作也可以從時間和空間分為：異步模式、分布式同步模式、分布式異步模式和同步模式等4種模式。

3.3 共同協作工作技術與虛擬現實技術的整合

隨著計算機CPU、顯卡等方面的進步，網絡傳輸速率加快。已有相關學者[3，4]研究了共同協作工作技術與虛擬現實技術的整合。但是尚未對UPS巡檢技能共同協作工作技術與虛擬現實技術的整合使用進行過研究。虛擬現實技術和協同工作技術的優勢可以改善UPS巡檢技能培訓的不足。因此，本文結合虛擬現實和協同工作技術，設計和研究了一種新的UPS巡檢技能訓練系統。虛擬現實與協同工作技術相結合的架構如圖1所示。

利用虛擬三維引擎構建UPS設備環境，可以生動地反映設備的正常，異常，事故狀態和動作過程，形成培訓系統的基礎平臺。三維引擎為系統提供了許多基本功能，如模型管理，場景構建，碰撞檢測等。軟件環境和虛擬現實硬件設施的結合可以幫助學員更輕松地進行培訓。

利用CSCW技術，實現同一場景的多人同時操作、場景節點多種協同、視角監控、位置跟隨;局域網和廣域網多人協同功能，實現同一虛擬場景內，回采UPS巡檢多人員動作交互數據。共同協作完成巡檢UPS、電池大充大放試驗等一系列操作流程的培訓。

4 系統框架及功能

4.1 系統框架

基于虛擬現實和協同工作的UPS巡檢技能培訓系統框架，如圖2所示。

服務端包含學員信息、UPS場景狀態、巡檢操作信息、UPS狀態信息、電池狀態信息等，實現學員端間的數據空間交換、信息互聯互通、聯合管理和在線系統數據更新。學員端利用模擬房間三維空間信息數據，UPS三維場景信息數據，蓄電池模型數據，工器具三維場景信息數據等創建基本的UPS巡檢技能培訓。

4.2 系統功能架構

功能主要分為兩部分：服務端和學員端。

（1）服務端配合CSCW的技術原理來交換和控制服務器中的信息，位置信息和其他數據。資源更新服務為受訓人員提供系統服務，以確保所有受訓人員系統版本完全相同。場景服務主要為當前的UPS巡檢技能培訓參與者提供場景信息。如當前是UPS巡檢培訓還是大充大放培訓，并檢測受訓者情景信息的一致性。主要有協同控制、資源更新服務、場景服務等三個功能。

（2）學員端功能主要包括虛擬現實模塊，UPS巡檢技

能培訓模塊、UPS培訓專家知識庫基礎等。虛擬現實模塊包括工器具三維場景信息、蓄電池三維場景信息、UPS三維場景信息、房間三維空間信息、事件編輯、設備仿真庫、角色仿真庫等功能。虛擬現實模塊主要內容是對整個UPS虛擬巡檢系統提供基礎功能。UPS巡檢技能培訓模塊主要包含UPS巡檢培訓、蓄電池巡檢培訓、大充大放培訓等，UPS培訓專家知識庫基礎主要是在某些地點執行某些巡檢請求，事件驅動任務的實現包含工作過程中可能需要的一組任務，執行后續任務需要前置任務的觸發。系統功能結構如圖3所示。

5 系統實現及應用

5.1 UPS虛擬場景的建造

在建模之前確定每個模型的材料，確保模型的準確性和高質量。需要拍攝模型的各個角度與細節圖，建模過程中進行紋理貼圖和實體對比。[5]根據UPS模型數據、蓄電池數據等三維空間信息及設備圖像等各類數據，建設UPS場景，模擬包括不同設備模型的三維圖形，同時建造內部細節，使得學員在操作虛擬設備的時候具有真實感。一般模型分為靜止模型和動態模型。

（1）靜止模型包括地板、墻面、UPS機柜、蓄電池等構建成的三維UPS場景基礎靜止模型。

（2）動態模型包括UPS模型數據、UPS數據、蓄電池等數據模型。使用真實數據和模型構建算法，系統自動構建相應的對象模型。進一步更新后，系統會更新更改后的模型以模擬虛擬環境。

5.2 UPS培訓專家知識庫基礎

在UPS培訓專家的知識基礎中，陳述類型知識內容是電網標準、日常管理手冊、老師傅經驗等。在本文中，使用成熟的產生式表示法（也稱產生式規則表示法）構建UPS培訓專家知識庫。關于樣式的描述形式是“條件-結果”，有置信度限制。即如下：

知識規則由K代表;C可以是簡單的條件，或者是在邏輯狀態的連續構成條件;R是基于發生的事件的結果;CF為置信度Certainty Factor，范圍是0到1的。

根據各種類型的條件分為以下幾個類型：

（1）基礎UPS知識庫

是以明確的知識規則為基礎，在法律、規定、程序、標準等方面進行說明，一般沒有必要說明CF。在培訓過程中，培訓將以問答的形式進行培訓。

例如：“UPS是什么？”知識基礎規則的基礎形成為：K=if（UPS是不間斷電源）then（合格），規則且沒有必要進行說明置信度。

（2）場景驅動的UPS知識庫

在UPS工作的生產中，有很多規則的知識。為建立一個有規律關系的知識基礎中心，將有強大的關聯性。

例如：“巡視過程中運行人員應按照巡視表格填寫巡視記錄?！被A知識基礎規則的形成是：K=if（巡視）then（提示相關要求）CF為1（該規則可信度100%）。

（3）事件驅動的UPS知識庫

在培訓進程中，會隨著時間發生很多事件，并進行了相關活動的排序。因此，在本文中，將建立基于事件驅動的知識基礎，并以簡單的活動和一連串邏輯活動為中心的類型進行細分化。

簡單的事件驅動的UPS知識庫規則的前提條件C是一個或多個的獨立活動構成，并沒有復雜的邏輯聯系，也可以做出結論。例如，“按照要求，計算出放電30%時的理論放電時間?！毙纬墒录寗拥腢PS知識庫規則為：K=蓄電池：if（充放電）then（計算出30%的理論放電時間），CF同樣為1。先行條件邏輯性活動中心知識規則的C是以一系列的活動構成，活動是直接在邏輯上進行的。

5.3 共同協作工作網絡及控制模式

（1）工作網絡。架設服務器與學員端，學員端和服務器之間需實現數據網絡通信。TCP和UDP是兩種常見的網絡傳輸協議。IP環境中TCP提供穩定的數據流傳輸，可靠性，有效流量控制，全雙工操作和多路復用。它用于向連接發送可靠數據。UDP是一種非面向連接的協議。UDP不是與另一方建立連接，而是直接將數據包發送到過去。UDP適用于一次只傳送少量數據、對可靠性要求不高的應用環境。[6]例如學員所在場景的位置、UPS的運行情況、系統更新等。

（2）控制模式。服務器確定系統的臨界狀態，受訓者彼此交互并模擬狀態。服務器是多個學員可以協作的交換中心，操作評估使用知識庫操作步驟、操作過程等內容。通過服務器獲得到的數據，學員可以相互合作巡視。

（3）協同工作流程。協同工作流程為：選擇項目、場景確定、選擇角色、開始培訓、培訓評估。在培訓過程中，需經過相互配合，可以準確地完成考試。

5.4 系統部署與應用

系統將部署在內部專用網絡，并通過高性能工作站進行訓練和多人協作。學員登陸系統會顯示是否加入房間，訓練系統會顯示可加入訓練的房間。加入后，學員可以根據提示自由漫游并培訓UPS巡檢技能。

6 結束語

基于三維虛擬仿真平臺，實現了UPS虛擬場景構建，UPS巡檢技能訓練，協同網絡和控制模式的關鍵內容。將虛擬現實技術引入培訓，在保證教學效果的基礎上，將大大節省教學成本。它不僅可以使學員通過虛擬場景中的人機交互和自我控制自由地獲得外部反應，還可以使學員積極主動地思考。虛擬現實技術與協同工作技術相結合構建新的培訓系統，結合了專業知識和先進技術教育資源，達到了傳統教學方法難以實現的效果和動態體驗。同時需要指出的是，虛擬現實和協同工作技術的整合難度導致開發系統的成本較高，有必要在后續研究中解決這個問題。

參考文獻：

[1]CHRIS DEDE. The evolution of constructivist learning environments：immersion in distributed， virtual word[J]. Education Technology， 1998，35（5）：46-52.

[2]Jonathan Grudin， Computer-Supported Cooperative Work： History and Focus， Computer，May，1994.

[3]許愛軍，張文金，黃正午.支持協同工作的VRML網絡虛擬現實系統[J].計算機仿真，2009，26（11）：287-290.

[4]蔣丹東，張申生，陳璐.分布式虛擬協同工作環境及實現方法研究[J].計算機工程與應用，2002，38（9）：13-16.

[5]Mac E，Cai G，Sharma R. Enabling collaborative geoinformation access and decision-making through a natural，multimodal interface[J]. International Journal of Geographical Information Science，2005，19（3）：267-292.

[6]都沁萍.解析TCP與UDP協議及其異同[J].電腦知識與技術：認證考試，2004（2）：78-79.