基于虚拟现实和协同工作的UPS巡检技能培训系统

马小琴

摘  要：为了解决员工UPS巡检培训的不足，研究了基于虚拟现实和协同工作的UPS巡检技能培训系统。文章研究了虚拟现实技术和计算机支持的协同工作技术，提出了UPS培训的系统方案，设计了系统架构和功能框架。建造了UPS技能虚拟培训场景，并在网络环境中进行了应用和部署。该系统沉浸感强有吸引力，能够调动学员的积极性，能够实现多人协同训练，提高培训效果。

关键词：电力;培训系统;虚拟现实;协同工作;UPS

中图分类号：TP391.9       文献标志码：A           文章编号：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，專业技能升级和培训主要通过师傅的集中讲座培训学徒来实现。信息中心UPS机房业务人员不仅需要掌握丰富的业务知识，还需精通实际操作，以及现场故障处理能力，以确保效率和质量。近年来，随着计算机和多媒体技术的快速发展，工业过程操作和控制培训的仿真概念已应用于商业运营和管理培训。银行、电信等行业公司建立了一系列仿真培训系统，如仿真业务运营场景，客户服务场景等。在电力行业也建立起一系列仿真培训系统，如仿真电网调度，电网故障应急维修，变电站维护等。

2 研究对现状和技术发展的作用

为了适应信息中心UPS机房业务发展的需要，有必要建立一套信息中心UPS机房巡检培训系统。信息中心UPS机房业务人员可以透过业务仿真系统，对巡检、大充大放等情况进行仿真，完整模拟信息中心UPS机房业务人员仿真培训的环境，提高从业技术人员的专业能力，以适应电力系统的业务发展需求。并且在现实环境中，工作通常由多人协作完成，现有的培训不能满足要求。针对UPS培训工作中存在的问题，本文将多人合作技术、VR硬件与资源的联动结合起来。基于虚拟现实和共同协作，开发UPS巡检技能培训系统，以进一步改进UPS培训及UPS的安全操作。

3 协同工作与虚拟现实

3.1 虚拟现实技术

1998年“虚拟现实术语工作组”在IEEE标准草案中对虚拟现实的解释：“用于创建人造世界的计算机系统，在这个世界里，使用者有沉浸于其中的感觉，能在其中漫游并能操纵其内的物体”。[1]虚拟现实浅白的讲就是虚拟出一个仿佛真实的世界，透过头戴式VR装置，看见360度的无死角画面，达到“身历其境”的感受。

在对UPS虚拟现实技术进行研究的基础上，全面的对UPS真实场景进行建模，使UPS三维模型成为实时交互式模型显示和实时漫游系统，然后进入虚拟场景通过人机交互界面，让学员感觉到实际上处于一个完全可信的虚拟世界。它是双向交互式的：当操作所看到的设备时，操作的设备将获得反馈。它可以有效降低培训过程中的危险，对推动相关专业人才培养方法的转变起到重要作用。

3.2 计算机支持的共同协作工作技术

单人工作方式已经无法满足在互联网时代工作的需求，多人合作可以有效提高效率。计算机支持的协同工作（CSCW：Computer Supported Cooperative Work）。它的提出和实现从根本上改变人们传统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经过多年的研究使用，已成为了一门新的学科。并在各个领域都有所应用。CSCW的基本解释是：团队在计算机环境（CS）下的合作，特别是对于完成一项任务在互联网环境下（CW）。包括协调系统的建设、团队合作研究、支持团队研究和开发系统。它可以包括四种形式的工作：同时异地、同时同地、异时同地和异时异地。主要取决于工作的时间和地点。协同计算机工作也可以从时间和空间分为：异步模式、分布式同步模式、分布式异步模式和同步模式等4种模式。

3.3 共同协作工作技术与虚拟现实技术的整合

随着计算机CPU、显卡等方面的进步，网络传输速率加快。已有相关学者[3，4]研究了共同协作工作技术与虚拟现实技术的整合。但是尚未对UPS巡检技能共同协作工作技术与虚拟现实技术的整合使用进行过研究。虚拟现实技术和协同工作技术的优势可以改善UPS巡检技能培训的不足。因此，本文结合虚拟现实和协同工作技术，设计和研究了一种新的UPS巡检技能训练系统。虚拟现实与协同工作技术相结合的架构如图1所示。

利用虚拟三维引擎构建UPS设备环境，可以生动地反映设备的正常，异常，事故状态和动作过程，形成培训系统的基础平台。三维引擎为系统提供了许多基本功能，如模型管理，场景构建，碰撞检测等。软件环境和虚拟现实硬件设施的结合可以帮助学员更轻松地进行培训。

利用CSCW技术，实现同一场景的多人同时操作、场景节点多种协同、视角监控、位置跟随;局域网和广域网多人协同功能，实现同一虚拟场景内，回采UPS巡检多人员动作交互数据。共同协作完成巡检UPS、电池大充大放试验等一系列操作流程的培训。

4 系统框架及功能

4.1 系统框架

基于虚拟现实和协同工作的UPS巡检技能培训系统框架，如图2所示。

服务端包含学员信息、UPS场景状态、巡检操作信息、UPS状态信息、电池状态信息等，实现学员端间的数据空间交换、信息互联互通、联合管理和在线系统数据更新。学员端利用模拟房间三维空间信息数据，UPS三维场景信息數据，蓄电池模型数据，工器具三维场景信息数据等创建基本的UPS巡检技能培训。

4.2 系统功能架构

功能主要分为两部分：服务端和学员端。

（1）服务端配合CSCW的技术原理来交换和控制服务器中的信息，位置信息和其他数据。资源更新服务为受训人员提供系统服务，以确保所有受训人员系统版本完全相同。场景服务主要为当前的UPS巡检技能培训参与者提供场景信息。如当前是UPS巡检培训还是大充大放培训，并检测受训者情景信息的一致性。主要有协同控制、资源更新服务、场景服务等三个功能。

（2）学员端功能主要包括虚拟现实模块，UPS巡检技

能培训模块、UPS培训专家知识库基础等。虚拟现实模块包括工器具三维场景信息、蓄电池三维场景信息、UPS三维场景信息、房间三维空间信息、事件编辑、设备仿真库、角色仿真库等功能。虚拟现实模块主要内容是对整个UPS虚拟巡检系统提供基础功能。UPS巡检技能培训模块主要包含UPS巡检培训、蓄电池巡检培训、大充大放培训等，UPS培训专家知识库基础主要是在某些地点执行某些巡检请求，事件驱动任务的实现包含工作过程中可能需要的一组任务，执行后续任务需要前置任务的触发。系统功能结构如图3所示。

5 系统实现及应用

5.1 UPS虚拟场景的建造

在建模之前确定每个模型的材料，确保模型的准确性和高质量。需要拍摄模型的各个角度与细节图，建模过程中进行纹理贴图和实体对比。[5]根据UPS模型数据、蓄电池数据等三维空间信息及设备图像等各类数据，建设UPS场景，模拟包括不同设备模型的三维图形，同时建造内部细节，使得学员在操作虚拟设备的时候具有真实感。一般模型分为静止模型和动态模型。

（1）静止模型包括地板、墙面、UPS机柜、蓄电池等构建成的三维UPS场景基础静止模型。

（2）动态模型包括UPS模型数据、UPS数据、蓄电池等数据模型。使用真实数据和模型构建算法，系统自动构建相应的对象模型。进一步更新后，系统会更新更改后的模型以模拟虚拟环境。

5.2 UPS培训专家知识库基础

在UPS培训专家的知识基础中，陈述类型知识内容是电网标准、日常管理手册、老师傅经验等。在本文中，使用成熟的产生式表示法（也称产生式规则表示法）构建UPS培训专家知识库。关于样式的描述形式是“条件-结果”，有置信度限制。即如下：

知识规则由K代表;C可以是简单的条件，或者是在逻辑状态的连续构成条件;R是基于发生的事件的结果;CF为置信度Certainty Factor，范围是0到1的。

根据各种类型的条件分为以下几个类型：

（1）基础UPS知识库

是以明确的知识规则为基础，在法律、规定、程序、标准等方面进行说明，一般没有必要说明CF。在培训过程中，培训将以问答的形式进行培训。

例如：“UPS是什么？”知识基础规则的基础形成为：K=if（UPS是不间断电源）then（合格），规则且没有必要进行说明置信度。

（2）场景驱动的UPS知识库

在UPS工作的生产中，有很多规则的知识。为建立一个有规律关系的知识基础中心，将有强大的关联性。

例如：“巡视过程中运行人员应按照巡视表格填写巡视记录。”基础知识基础规则的形成是：K=if（巡视）then（提示相关要求）CF为1（该规则可信度100%）。

（3）事件驱动的UPS知识库

在培训进程中，会随着时间发生很多事件，并进行了相关活动的排序。因此，在本文中，将建立基于事件驱动的知识基础，并以简单的活动和一连串逻辑活动为中心的类型进行细分化。

简单的事件驱动的UPS知识库规则的前提条件C是一个或多个的独立活动构成，并没有复杂的逻辑联系，也可以做出结论。例如，“按照要求，计算出放电30%时的理论放电时间。”形成事件驱动的UPS知识库规则为：K=蓄电池：if（充放电）then（计算出30%的理论放电时间），CF同样为1。先行条件逻辑性活动中心知识规则的C是以一系列的活动构成，活动是直接在逻辑上进行的。

5.3 共同协作工作网络及控制模式

（1）工作网络。架设服务器与学员端，学员端和服务器之间需实现数据网络通信。TCP和UDP是两种常见的网络传输协议。IP环境中TCP提供稳定的数据流传输，可靠性，有效流量控制，全双工操作和多路复用。它用于向连接发送可靠数据。UDP是一种非面向连接的协议。UDP不是与另一方建立连接，而是直接将数据包发送到过去。UDP适用于一次只传送少量数据、对可靠性要求不高的应用环境。[6]例如学员所在场景的位置、UPS的运行情况、系统更新等。

（2）控制模式。服务器确定系统的临界状态，受训者彼此交互并模拟状态。服务器是多个学员可以协作的交换中心，操作评估使用知识库操作步骤、操作过程等内容。通过服务器获得到的数据，学员可以相互合作巡视。

（3）协同工作流程。协同工作流程为：选择项目、场景确定、选择角色、开始培训、培训评估。在培训过程中，需经过相互配合，可以准确地完成考试。

5.4 系统部署与应用

系统将部署在内部专用网络，并通过高性能工作站进行训练和多人协作。学员登陆系统会显示是否加入房间，训练系统会显示可加入训练的房间。加入后，学员可以根据提示自由漫游并培训UPS巡检技能。

6 结束语

基于三维虚拟仿真平台，实现了UPS虚拟场景构建，UPS巡检技能训练，协同网络和控制模式的关键内容。将虚拟现实技术引入培训，在保证教学效果的基础上，将大大节省教学成本。它不仅可以使学员通过虚拟场景中的人机交互和自我控制自由地获得外部反应，还可以使学员积极主动地思考。虚拟现实技术与协同工作技术相结合构建新的培训系统，结合了专业知识和先进技术教育资源，达到了传统教学方法难以实现的效果和动态体验。同时需要指出的是，虚拟现实和协同工作技术的整合难度导致开发系统的成本较高，有必要在后续研究中解决这个问题。

参考文献：

[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]许爱军，张文金，黄正午.支持协同工作的VRML网络虚拟现实系统[J].计算机仿真，2009，26（11）：287-290.

[4]蒋丹东，张申生，陈璐.分布式虚拟协同工作环境及实现方法研究[J].计算机工程与应用，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协议及其异同[J].电脑知识与技术：认证考试，2004（2）：78-79.