基于虚拟现实技术（VR）的新员工电力培训应用研究——以深圳供电局为例

余 航，张 兰，罗 毅，王 静

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

电力行业的新员工培训是电力行业的难点和“痛点”，主要原因在于电力行业特有的高危险性和培训场地的有限性[1]。

高危险性。由于停电会影响大面积区域的正常工作，因此电力工作者工作过程中有很多操作需要带电进行，于是电力工作者的安全问题成为首要问题，亦是电力行业新员工培训的重点。在传统的培训模式下，为保证学员安全，新员工的大量培训是在不带电培训场地进行的。然而，有些设备运行和不运行是两种状态，区别较大，学员不能直观感受实际操作中的注意事项，导致传统的电力培训的培训效果不理想。

场地的有限性。传统的电力行业培训需要耗费大量的物力、财力和人力，培训场地建设是培训资费的大头，能为培训提供的专业场地有限。但是，电力行业由于本身的特殊性，若将学员局限在教室中学习，培训常常达不到预期效果。

1 国内VR实践成果综述

2016年工信部下属中国电子技术标准化研究院发布了《2016年虚拟现实产业发展白皮书》。虚拟现实技术在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006—2020）的内容已明确归属于前沿技术中信息技术部分3大技术之一。艾媒咨询数据显示，预计2020年国内市场规模预计将超过550亿元，可见我国虚拟现实产业正在高速发展。

2016年9月19日，工业和信息化部、国家发展和改革委员会联合制定《智能硬件产业创新发展专项行动（2016—2018年）》[2]，强调在加强智能硬件核心关键技术创新中，虚拟现实/增强现实技术方面发展应面向虚拟现实产品的新型人机交互、新型显示器件、GPU、超高速数字接口和多轴低功耗传感器，面向增强现实的动态环境建模、实时3D图像生成、立体显示及传感技术创新，打造虚拟/增强现实应用系统平台与开发工具研发环境。

2017年1月10日，国务院印发国家教育事业发展“十三五”规划[3]，对于发展“互联网+教育”部分尤为重视，强调要使信息技术与教育教学深入融合，使教学手段多样化、科技化与现代化。对于各级各类学校建设智慧校园给予支持，并提出要综合利用互联网技术、大数据技术、人工智能技术和虚拟现实技术探索未来教育教学的新模式。不难看出，在教育作用于公众的迁移中，虚拟现实技术在电力工业仿真领域中对职业工人或者特殊工种的培育与训练有着极大的转化效率和低成本、高安全、公平便捷等优势亟待开发[4]。

2 国外VR理论与实践成果综述

2.1 美 国

美国在虚拟现实领域研究中的感知、用户界面、后台软件和硬件4个方面的基础研究较为集中[5]。美国宇航局的Ames实验室早已提出，若要使数据手套成为可用性较高的产品，必须将其工程化。而在VR教育系统领域，NASA己经建立了空间站VR训练系统，并建立航空、卫星系统用以维护VR训练系统，使得该教育系统可供全国使用。

2.2 日 本

日本对于虚拟现实技术应用的研究和开发处于全球领先地位，对于建立大规模VR知识库研究尤为重视。同时，日本作为动漫强国，在VR+游戏领域的研究花费了不少精力。例如，使用“代用手”处理三维CAD中的形体模型的虚拟现实系统由NEC公司开发，而用图像处理来识别手势和面部表情输入的虚拟现实系统则是由京都先进电子通信研究所（ATR）开发的，远程控制主从系统由东京大学高级科学研究中心重点研究，虚拟现实的可视化问题则由东京大学广濑研究室重点研究，更有九自由度的触觉输入器、虚拟行走原型系统、虚拟生物与VR环境的相互作用等知识与应用成果。筑波大学不仅研究开发VR虚拟现实体系，也开发了一套神经网络姿势识别系统等。

3 VR技术应用于电力行业教育的现状

虚拟现实技术与电力培训的结合颠覆了传统的培训方式，通过沉浸式方式了解电力系统、漫游电力工作场景、交互式技能操作的训练以及典型事故案例还原等，不但能增加电力行业新员工学习的趣味性，还能进行实操训练，增加临场经验，显著提升培训效果，同时为企业降低培训危险性，大幅减少培训固定成本支出等。在国内电力行业，国网全球能源互联网研究院等科研单位已经搭建了VR、AR技术实验室环境，其中在VR电力应用方面开展了初步研究和探索。

在培训方面，国内电力单位也实施了一些案例。比如，2017年玉溪供电局创新性地把虚拟现实技术应用于电力安全生产警示教育，将安全生产警示教育虚拟和具体化；2018年国网北京市电力公司开展的善用电、更安全专项公益行动，参与活动的昌平区前锋小学电力爱心教室首次采用虚拟现实技术，应用VR版电力爱心教室课件进行教学。

以上是VR技术较早应用于电力行业教育中的案例，具有一定的典型性。可以看出，VR技术应用于电力教育培训行业的时间短，而对电力新员工的系统化培训目前国内外都还没实施过虚拟现实系统开发案例。近年来，南方电网深圳供电局有限公司在新员工培训工作中投入了大量资源建设，包括线上线下课程开发及内训师培养。但是，现下的新员工培训依然过多依赖于课堂讲授，无法直观认知各种电力设备，也无法进行高效的实地训练，培训效果严重受限。然而，现场工作需要新员工快速掌握专业知识。因此，如何高效、低风险地对新员工进行培训，是现阶段需考虑和解决的问题。

4 VR技术在电力行业新员工培训上的应用成果

2018年，南方电网相继开发了多个基于虚拟现实技术（VR）的研究与应用项目。南方电网深圳供电局有限公司深入研究开发了“基于虚拟现实技术（VR）的新员工培训研究与应用”科技项目。

4.1 搭建“真实”的工作场景

该成果中，深圳供电局将VR虚拟现实技术应用在几个典型的电力知识学习场景中，包括电力系统、电力设备以及安全教育等方面。

4.1.1 太空舱虚拟主场景

该场景为新员工培训系统的主场景，模拟太空舱的操作室。学员在这里被定义为电力能源宇宙的探索者，主要目的是将员工带入不同于现实物理教学环境的新环境中，激发学员更多的学习兴趣和积极探索的动力。

4.1.2 发电站场景

该场景的主要作用是给学员学习发电相关知识提供一个仿真环境，以便学员产生更真实的临场感和沉浸感。场景主要模拟水利发电站厂房，主要介绍设备为涡轮发电机。

4.1.3 配电场景

由于大多数配电设备位于户外，且周围分布着不同类型的用电区域，因此配电主要用沙盘模拟一个完整的配电系统，以便学员整体认知配电。

4.1.4 变电场景

对于电力行业新员工，变电所涉及的设备最繁多，操作也最复杂，因此变电场景包含VR实拍变电站和变电设备虚拟操作空间。学员在VR实拍变电站中认识现实中的变电工作环境，变电设备操作则在虚拟操作空间中进行。

4.1.5 用电政策学习场景

用电政策内容虽不复杂，但有些专业术语对初入电力行业的新员工而言晦涩难懂，且用电政策时有变化更新，因此用电政策学习场景采用VR视频拍摄的形式，邀请用电领域的专家进行授课，后续还将开发网络直播课程，及时向新员工解读更新更多的政策内容，并在线为学员答疑解惑。

4.2 建设系统的知识体系

该应用成果根据深圳供电局对新员工的培训要求，开发了3大板块的知识应用系统模块——电力系统、电气设备培训和安全作业体验。其中，电力系统知识框架包括发电、输电、变电、配电和用电5大系统介绍，通过动画演示电能从产生到运输再到配送使用的过程，展示系统之间的逻辑关系；电气设备培训主要包括一次设备和二次设备的认知培训，包括电气设备的外观、常见类型以及功能介绍等内容；各电力系统中选择5～10个主要设备进行展示设计；安全作业体验系统主要包括安全规范动作演示、十项规定动作演示、安全器具检查训练以及典型安全事故体验等内容。

4.3 克服VR技术应用于电力新员工培训的开发难点

4.3.1 难点一：设备建模

由于电力培训系统的特殊性和电气设备的复杂性，需要基于Unity平台引擎结合3Dmax、maya和C4D等软件完成大量各种设备的三维建模。尤其是制作人员，需清楚了解设备的内部结构，这是最大的难点。

4.3.2 难点二：人机交互开发

人机交互是指人、计算机以及它们之间相互影响的技术。虚拟现实技术应用于行业培训如果没有人机交互的介入，能达到的只是一种“只可远观而不可亵玩焉”的效果，且毫无创新点。因此，人机交互是虚拟现实技术应用于培训领域的关键。

由于新员工培训系统需要模拟大量的实践操作，因此人机交互的开发至关重要。系统中除实践操作需要进行人机交互外，其他诸如电力安全体验、设备基础知识学习和电力政策学习等等也需要人机交互，人机交互的覆盖面达到整个系统的80%以上。但是，由于硬件设施的限制，该系统的人机交互过分依赖于硬件，大部分操作需要借助手柄。随着VR硬件技术的发展，将更多地依赖于人体自身感受（如体感、手势）进行人机交互操作的VR应用成果会越来越普及。

对于交互算法的可维护性、高效性和灵活性的研究必不可少。交互算法直接影响虚拟环境在软件与硬件设备之间的通信效果，同时直接影响受训人员的第一人称体验感觉。软硬件设备对接无法流畅进行，虚拟环境体验将无法达到高逼真的沉浸式效果，必然会对用户的知识不足点、培训关注点和期望值产生影响。因此，软硬件设备的通信对接也需要运用交互算法。

4.3.3 难点三：场景搭建

电力系统是一个庞大的体系，其中涉及发电、输电、配电、变电和用电5大板块。每个版块都有多个场景和设备，因此需要制作各种不同作用、不同外形的模型。虚拟现实培训系统一般会运用JAVA、C#等语言设计和UNITY开发工具开发基于VR技术的教学管理网络平台，并结合3DMAX、MAYA等三维建模工具进行三维建模，完全还原电力系统培训中涉及的场景和设备。在计算机硬件有限的条件下，如何将这些场景和模型数据结合并流畅完整展示是一个难点。

三维虚拟培训教学环境搭建还要考虑与显示终端的匹配。虚拟培训教学环境搭建是利用各种交互设计工具、三维建模工具以及其他手段完成的。一般运用当下流行的虚拟现实设备，利用其他手段产生感官刺激使学员沉浸其中，并利用交互设备触发交互点适应虚拟环境、操作相对应的工具和对象，从而达到新员工足不出户就能提高技能和学习知识的目的。

操作者能够进入一个由计算机系统生成的交互式三维环境，具有视、听、触等多种感知。通过使用各种特殊的交互设备，与虚拟仿真环境进行互动，并借助人体本身自由的感官能力和认知能力启发体验者的思维，达到在虚拟环境中获取信息和知识的目的。虚拟环境具有的沉浸感和交互感特点也能提高体验者获取知识的主动性。

5 结 论

电力培训是复杂而庞大的体系，设备种类、技术多样性以及操作难易程度分类丰富。通过基于VR虚拟技术的新员工培训系统应用开发成果研究发现，虚拟现实技术应用于电力行业培训具有以下几个优点：

（1）可以使新员工在短时间内对电网系统有一个全面了解和学习。电网系统庞大而复杂，新员工尤其是对电力行业不太熟悉的新员工，对电网系统的理解可能不够全面，对未来工作可能存在思考不够全面的问题。通过VR虚拟现实技术，可快速切换电网系统各工作场景，让学员足不出户走遍各工作场景。

（2）对于安全警示类课程或危险场景的展现。通过VR技术还原场景，结合认知心理学原理，开发全方位沉浸式体验系统，实现新员工体验者的临场感和沉浸感，深度体验真实的作业环境和实践操作结果，使学员在心理上建立起对职业的敬畏感和电力工作需要的谨慎认真心理。

（3）易于快速建立学员的系统知识架构、体系和层级意识。通过各场景的UI交互和数据展示，能快速、专注、即时地了解某复杂设备的结构或工作原理或某作业流程的实际操作，实现低风险、低成本、高效率和强体验的培训效果。