虚拟现实在运维技能实训中的应用研究

2017-11-30吴义纯曾宪文黄洁李淼

中国教育技术装备 2017年18期

吴义纯+曾宪文+黄洁+李淼

摘要随着产业升级，对高技能应用型人才需求持续增长，虚拟实训系统已在企业高技能运维人才培养中发挥重要作用。在以信息化引领教育理念和教育模式创新的热潮中，对虚拟实训系统的技能培训效果提出更高要求。介绍虚拟实训系统的组成结构和应用现状，重点展望其发展趋势，充分发挥信息化引领教育理念和教育模式的创新。

关键词虚拟实训系统；运维技能实训；教育信息化；高技能应用型人才

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

文章编号：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

隨着“中国制造2025”战略的实施，企业对高技能应用型人才的需求持续增长，高技能人才短缺问题日益显著。在高技能应用型人才培养过程中，实操技能培训尤为重要，由于受到经费、场地等因素的限制，传统实训室大规模建设遇到困难，基于虚拟技术的实训系统则因其经济性好、安全性高、真实感强的显著优点得以推广应用，实操技能培训质量和效率都显著提高。

在教育信息化发展规划中，提出以信息化引领教育理念和教育模式的创新，充分发挥教育信息化在教育改革和发展中的支撑与引领作用，因此对虚拟现实技术在技能实训中发挥的作用提出更高的要求。本文讨论虚拟实训系统的特点，分析其在行业运维技能实训中的应用，展望其发展趋势，充分发挥其重要性和优势，引领教育培训创新。

2 虚拟实训系统特点

企业运维人员技能水平直接关系到企业安全稳定、经济高效地运转，高效的技能实训是职业教育必不可少的环节。然而，在运维人员的岗位技能实训中，虽然可以在现场的运行设备上跟班实习，但为了保障安全生产，不能按照实训教学需要在正在运行的系统或设备上进行实际操作、故障排查与处理，从而限制了学生实际操作及事故处理能力的培养。为此，建立一个与实际工作环境相似的仿真实训系统是十分必要的，虚拟实训于是应运而生，让学生在虚拟环境中完成真实项目的实训教学，发挥信息化技术在培养高端技能型人才中的重要作用。

虚拟实训是依托虚拟现实技术而产生和发展的一种实训模式，是利用虚拟现实技术来模拟实训的环境及生产过程，让学生在虚拟环境中通过计算机操作完成实训，以替代或部分替代传统的真实实训[1]。与传统实训相比，虚拟实训具有以下一些优点。

1）借助三维动画、音响特效等刺激学生的视觉、听觉，甚至运动、触觉等实时感知，通过与虚拟环境交互操作，调动学生的好奇心和学习主动性[2]。

2）传统实训受到设备、场地、经费等的影响，限制了它的规模；而利用虚拟现实系统，学生在计算机上便可以做各种实训操作，而且能获得与真实操作一样的体验，较大地节省成本。

3）真实实训操作往往会遇到各种危险，如电力生产设备、带电运行机器等，存在危险性和不确定性；而在虚拟环境下实训，可以保证学生人身安全，尤其是对尚未充分认识到危险性的高职学生。

4）虚拟实训中其“运维设备”多是虚拟的[3]，经济性好，设备升级成本不高，可根据行业发展更新新设备、新技术，实训教学内容也随之变化。

3 运维技能虚拟实训系统搭建

虚拟实训系统首先要搭建逼真的三维虚拟场景，惟妙惟肖地再现实际运维系统和设备的正常、异常、事故状态及其动作过程。学生可以在虚拟环境中漫游，对实际运维设备进行巡视、检查，还可以进行虚拟操作。根据学生的操作，虚拟场景能实时动态响应，能再现各种事故状态的事故场景，如着火、爆炸、声光等，增强学生的沉浸感。虚拟实训系统由教员模块、专业仿真模块、学员交互模块等组成，框架如图1所示。endprint

教员模块教员模块管理虚拟实训系统的运行，可以设置虚拟场景初始运行状态，也可以设置故障，控制和管理本地集中学生以及远程实训学生，实现集中实训与分散培训相结合的实训模式。

学员交互模块学员交互模块处理与学生操作相关联的数据，传输给虚拟实训平台，使三维虚拟场景做出实时响应，从而完成相应模拟操作。交互大多由鼠标实现，必要时可以借助三维交互设备如立体头盔、数据手套等来实现。

专业仿真模块专业仿真模块是整个虚拟实训系统的基础和核心，不同专业实训系统在该模块上差异很大，它为虚拟场景提供正确的运行数据和动作信息，又在仿真异常和事故情况时，反映各设备之间相互作用和相互影响，为在三维场景中的再现提供技术数据。

运维系统和设备故障处理是企业日常运行中一项很重要的工作，正确、迅速地处理事故是技能人员的重要职业能力，也是防止事故扩大和减少事故损害的基本措施。利用虚拟实训系统的事故处理功能，可以将事故真实地模拟出来，学生根据现象分析故障原因，尽快隔离故障，减少故障损失，逐步恢复生产，从而锻炼正确处理事故的能力和心理素质。

在设备较少行业的虚拟实训系统中，用逻辑方法就可以将异常和事故模拟得比较逼真。但在复杂行业，用逻辑方法去模拟其异常或各类事故现象往往不能满足要求，工作量也大；同时在实际运行中，往往一个故障会引发其他的故障，在多重故障下，逻辑方法过于简单，难以考虑故障后的动态过程等，因此需要利用专业模型来实现异常处理和事故处理模块。

虚拟实训系统中专业仿真模型需具有以下特点。

1）从准确性上来说，为了能够真实地再现运维设备各种操作、异常乃至故障情况下仿真对象的动态变化过程，所选各设备动态模型必须具有足够的精度[4]。

2）从实时上来说，专业模型需对各种操作或故障实时响应，這就使得在保证不影响仿真过程和结果的逼真性的前提下，系统对元件的动态模型需适当简化。

3）从基础数据来说，要以实际典型系统的真实运行情况为蓝本，构建系统运行方式和拓扑结构，使虚拟系统专业模型具有与真实系统相似的运行工况，系统参数、运行指标等数据完全符合现场实际，从而保证专业模型仿真的真实性。

下面以变电站仿真实训系统为例来说明。为了保证整个变电站仿真系统的真实性，需要建立与真实电网相似的虚拟电网，对电网各种元件建立多种不同复杂程度的动态模型，可以根据仿真的具体需要进行选择。如电网仿真中继电保护和自动装置的建模方法有逻辑判断和定值比较[5]两种。

①基于电气量启动的保护采用定值比较法，在电网仿真的动态模拟过程中，可以对各种不同的简单故障、复合故障进行模拟，计算出各保护设置点的电气量，如各相电流、电压、阻抗等，与继电保护的定值进行比较。由于定值比较法考虑了暂态电流的动态变化过程，逼真度高，能够很好地满足实时性的要求。

②对于不适用定值比较法（如非电气量保护）的保护采用逻辑判断法。

逻辑判断法快速、简单、直接，定值比较法更为准确，可靠性高、适应性强，但耗时较多，有时需要采用定值比较和逻辑判别相结合的方法。另外，虚拟电网的接线方式、运行工况、网络参数的选取应参照实际运行电网，可根据实训教学的需要适当进行调整，保证虚拟仿真电网的电流、电压、功率、频率等运行指标符合现场电网生产实际。

4 运维技能虚拟实训系统发展展望

提高实训系统沉浸度由于虚拟现实技术水平的限制，学生体会到沉浸感不够，虚拟实训在应用时仍有一些问题亟待解决。

1）虚拟环境表示的准确性。为使虚拟环境与企业运维设备设施相一致，需要对其中种类繁多、构形复杂的信息做出准确、完备的描述，同时需要研究高效的建模方法，重建其演化规律以及虚拟对象之间的各种相互关系与相互作用[6-7]。

2）实时显示问题。尽管理论上能够建立高度逼真的，实时漫游的VR（虚拟现实），对于工作场景复杂、三维模型精细的实训系统引入用户实时交互时需要动态生成新的图形，需要强有力的硬件条件的支撑，同时考虑到硬件成本，不得不降低图形的逼真度以减少处理时间[8]。为此需要进行比较，既保证模型精细度，又不削弱系统交互的实时性。

3）人与虚拟场景的协调性。目前虚拟实训系统大多在三维仿真及动态操作中侧重于场景、设备的变化，模拟人与设备的自然交互功能逼真度不够，场景中学生沉浸感不够。如在设备巡视模式下，应以正常人视野去看，有的高度是技能人员无法正常去看到的，而在虚拟仿真实训系统中往往按照360°无死角的模式去查看。所以，仿真环境应该更多地以人为主体，需要更多地使受训人员能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，深化虚拟人技术[9]的应用，强调人与虚拟环境之间的协调，以自然方式实现与虚拟环境的交互，将会具有更强的真实感、沉浸感。

与传统实训系统的融合虚拟实训系统与以真实设备为主的传统实训系统存在差异，尤其是对不了解生产现场的高职学生来说，缺少对真实运行设备的认知；同时，高职院校的实训很注重学生的动手操作，如接线工艺、工器具熟练使用等技能基本功，而这些在虚拟系统中得不到训练，因此，虚拟实训系统的应用有一定的局限性。

为此，将虚拟实训系统与传统实训系统融合，形成混合仿真系统，即将全数字虚拟仿真的系统与现场一致、真实的设备创造性地放置于同一个仿真系统中，通过教员台控制仿真系统服务器、混合仿真软件输出控制参数给真实设备，从而实现真实设备按本身动作原理进行动作的功能，实现虚拟与实物的无缝连接与联合运行，营造出更为逼真的运行环境，使实训更接近现场实际。混合仿真系统在有些行业实训中开始运用，是进一步增强技能实训效果的可选发展方向。

混合仿真系统建设中需要考虑综合效益。在技能实训中真实设备载荷有限，往往是轻载，在不影响实训效果或不便再现现场场景时，可以简化或技改成模拟装置，这样可以降低混合仿真系统中设备容量标准，节省成本，提高经济性。但混合仿真系统相对而言依然占地较大，成本较高，大规模建设经济性较差，所以要准确测算其配备数量。在学生实训时，先在虚拟设备上大量学习、操作并考核合格后，再在混合仿真系统的真实设备上按实际操作规程及规范进行各种操作和事故处理，从而减少配备实物的台数[10]。endprint

与传统实训系统结合后，可以增强对不了解生产现场的高职学生的认知，提高实训学生的实际动手操作能力，锻炼其熟练使用工器具，是虚拟实训系统的有效补充和拓展。

提升综合评价系统智能化水平虚拟实训系统需要在实训结束后提供一种评估机制，客观反映、评价学生实际操作能力和分析判断能力，学生可通过该系统进行自我评价，同时可以减轻教员评价负担，甚至可以作为技能资格考核评价依据。完整的操作流程可能包含很多操作步骤，有的次序可以不分先后，导致标准答案有很多，用计算机实现评估系统，有时评价结果可信度不高，需要人工参与进行评价，依据正确答案查看比照学生答案，根据差异度给出最后的评价，工作量可能非常大，虚拟系统计算机评价也是一个普遍的难点问题。现有很多虚拟实训系统普遍缺乏完整且客观的评价体系，需要认真研究仿真系统各项功能的特点，充分利用专家系统和智能技术建立一套相对应的评价原则和标准，实现智能评价，使评价方法更加客观和全面，使实训更加有效。

正常运行操作智能评价的标准步骤相对统一，变化相对较小。专家系统根据操作任务，调用数据库中的数据和规则库中的规则，用智能评价模块实现相对方便。对于事故处理智能评价的标准步骤难以统一，不同运行人员分析事故的角度各有差异，处理事故的思路、操作步骤也就各有差别，但最终都能正确地处理该事故，因而对事故处理的具体步骤无法统一，主要从操作的安全性、正确性、完整性、时间等角度进行评分。在评价体系中，安全性是检测学生是否违反事故处理的相关规定；正确性是重点评价事故处理的关键目标是否完成，首先检测学生操作完成后系统的运行状态，如果事故处理后的运行状态和所要求的运行状态一致，则认为学生完成了事故处理的关键目标，然后，专家系统根据操作任务，调用数据库中的数据和规则库中的规则，推理出在当前设备状态下应采取的操作，并与学生所做的操作步骤逐一进行比较[11-12]；完整性检测是否出现操作顺序有误、漏步或错步等情况，若有则扣除相应的分数。

对虚拟实训系统的综合评价系统智能化评价方法进行的研究有不少，需要借助人工智能技术，建立一套相对应的评价原则和标准，提升综合评价系统智能化水平，及时正确地反馈实训效果。

教学课件与实训系统一体化尽管虚拟实训系统提供了逼真的虚拟学习环境，但对于运维技能水平低的高职学生来说，因其仍然需要教师指导而使系统应用受到限制。为提高学生学习的主体性和必要的主动性，让学生逐渐成为学习的主角，翻转课堂成为新型教育方式，其利用丰富的信息化资源，在虚拟仿真实训之前，让学生自主学习，观看如安全教育、设备结构解析与功能、规范化操作等三维虚拟教学课件。在实际教学中，安全教育是实训教学最先安排的模块，安全教育三维动画课件是必不可少的；设备结构解析课件对运维设备外部构成、内部结构和检修要点进行剖析和三维展示，并在拆分过程中强调出拆分中设备的主要信息和重要部件，以加强运维人员对设备结构的认知，在运行操作和事故处理的技能学习中更得心应手；规范化操作课件对运行维护的工作技能知识点详细演示讲解，对学生工作技能起到规范化的指导作用，也为学生在虚拟仿真实训系统上操作提供了扎实的专业技能基础[13]。

三维虚拟教学课件与虚拟仿真实训系统在教学内容上密切相关，但二者之间往往是独立的，有时针对性不够强。可以考虑教学课件与实训系统一体化，将三维虚拟教学课件开发成为虚拟仿真实训系统中的一个模块；甚至可以调用虚拟实训系统中的资源，减少课件开发工作量，进一步提高针对性，完善虚拟实训系统。

提升远程实训功能在翻转课堂教学模式下，学生需要远程熟悉虚拟实训系统，远程访问功能尤为重要。网络虚拟现实技术就可实现这一功能，建立了一个可供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境。在这个环境中，位于不同物理位置的多台计算机及其用户，可以不受各自的时空限制，在一个共享虚拟环境中实时交互、协同工作，模拟设备运维的演练[14-15]。教员下达操作任务后，学生即可进行实训，可根据自己的情况合理安排时间，实训的地点、内容和深度不受限制，从而减少集中授课时间。

虚拟实训系统很多设置了远程实训功能，但是在复杂系统行业，如电网运维，精确仿真实訓环境时，模型越细致，三维软件越大；多个远程客户端有学生操作时，交互信息量多，通信开销大，速度减慢，甚至导致网络系统故障。因此，有时需要在学员端安装单机版系统，而这可能涉及知识产权保护，同时学员端需使用高性能电脑，增大经济开销，从而限制远程实训模式在实际中的应用。未来虚拟实训系统应结合快速发展的信息化新技术，提升远程实训功能，实现学员远程直接访问模式，扩大远程教学应用范围。

5 结语

应用型行业运维高技能人才离不开实训，虚拟实训系统因其经济性好、安全性高、真实感强的显著优点得以广泛应用。在教育信息化引领教育模式创新的先进理念下，人工智能、多媒体、网络、图库模一体化等技术的引入，能够为虚拟仿真实训系统进一步完善和发展提供技术支撑，充分发挥其重要作用和优势，以有效增强学员沉浸感，提高应用型高技能人才技能实训效率，服务于人才强企战略。

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