基于3D游戲的安規(guī)培訓方式

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本文作者：孟凡奇 單位：東北電力大學

目前，電力企業(yè)員工的安規(guī)學習依然是以書本資料為主，而紙質(zhì)材料無法直觀展現(xiàn)操作場景的不足必然導致學習過程枯燥乏味。隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，特別是3D游戲的推廣，讓人們看到利用在沉浸感和交互性等方面都占有優(yōu)勢的3D游戲進行安規(guī)培訓的美好前景。在此背景下，吉林供電公司與東北電力大學于2010年合作開發(fā)完成了《基于3d游戲的電力安規(guī)娛導化培訓系統(tǒng)》，該系統(tǒng)在公司試運行1年，在提高員工安規(guī)學習興趣及成績方面效果明顯。

1系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要包括安規(guī)知識的學習、測試及評價3個子系統(tǒng)。其中，安規(guī)學習子系統(tǒng)主要是利用虛擬變電站場景，以人物對話、圖片展示、視頻播放等形式合理地將安規(guī)知識編排到生動、有趣的游戲任務中，學員通過游戲任務的引導進行安規(guī)學習。安規(guī)考試子系統(tǒng)主要是利用數(shù)據(jù)庫存儲安規(guī)試題，根據(jù)出卷人設定的題型和分值自動組卷，考生在線答題。評價子系統(tǒng)主要是分析考生的試卷，對考生成績排名，并有針對性地給出學習建議。以上3個子系統(tǒng)相互聯(lián)系，形成了“學、測、評”迭代往復的新型培訓模式（圖1所示）。

2功能模塊設計

本培訓系統(tǒng)主要采用數(shù)據(jù)庫技術、虛擬現(xiàn)實技術、動態(tài)網(wǎng)頁技術以及數(shù)據(jù)挖掘技術實現(xiàn)了電力安規(guī)知識的娛導化學習、自主測試及智能評價。系統(tǒng)的主要功能模塊設計如下：

2.1數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是本培訓系統(tǒng)的核心，既為培訓系統(tǒng)的運行提供所需的各種信息，同時也記錄系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的有用數(shù)據(jù)。這些信息和數(shù)據(jù)主要包括：員工的基本信息（如：用戶名、密碼、姓名、性別、崗位、職務等）、員工的學習信息（如：學習內(nèi)容、學習時間、取得的學分等）、電力安規(guī)知識、電力安規(guī)試題、員工測試成績及評價信息等。

2.2模型庫

培訓系統(tǒng)所用到的虛擬場景實際上是由電力設備模型構(gòu)成的，為讓系統(tǒng)能夠方便的調(diào)用電力設備模型，我們預先設計了包含66kv變電站各種電力設備模型的模型庫。由于電力設備形狀各異，因此在建模時，我們有針對性的使用了4類主要的3DsMAX建模方法：a.對設備的外殼進行物理建模時，采用拉伸建模技術，通過為二維截面增加厚度，從而生成三維模型。b.對斷路器的開槽和缺口建模時，采用布爾運算建模技術，通過幾何形體間的布爾運算來構(gòu)造更為復雜的三維幾何模型。c.對絕緣子串建模時，采用旋轉(zhuǎn)建模技術，選一條曲線為母線，繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)形成一個三維模型。d.對變電架構(gòu)建模時，采用放樣建模技術，創(chuàng)建模型截面和路徑，把路徑作為主干，把不同截面圖形連接在一起而形成三維模型。圖2展示了模型庫中包含的部分電力設備模型。

2.3娛導化學習

在安規(guī)娛導化學習功能的設計上，我們引入了Torque3D游戲引擎，該引擎集成了虛擬現(xiàn)實的主要關鍵技術。利用該引擎可以方便的搭建虛擬電力場景，基本步驟為：根據(jù)真實變電站的布局，將模型庫中的設備逐一安排布置于虛擬環(huán)境，再采用光源、背景和控制面的調(diào)和襯托，最后進行虛擬三維渲染，就產(chǎn)生了逼真的電力系統(tǒng)虛擬環(huán)境。我們將虛擬場景分為學習區(qū)和任務區(qū)。新學員首先要進入學習區(qū)，在學習區(qū)可以通過文字、圖片和視頻等方式學習安規(guī)知識。當學分積累到一定分值可以進入任務區(qū)。在任務區(qū)我們設定了10個難度不同的任務，如：勇闖迷宮、保衛(wèi)電站等。學員完成第一個任務后，還要進入學習區(qū)積累一定分值才能進入下一任務。每一個任務都是一個有趣的3D游戲，比如勇闖迷宮，要求學員在指定時間內(nèi)走出迷宮，迷宮內(nèi)有很多熱點，學員到達熱點后，系統(tǒng)會提問一些安規(guī)知識，如果全部答對，系統(tǒng)會提示前進方向。越快闖出迷宮的分值越高，系統(tǒng)還會給出學員的分數(shù)排名。同時，分值越高，再次進入學習區(qū)學習時的學分要求越低。圖3展示了在游戲中回答安規(guī)問題的場景。

2.4自主測試

學員可以利用自主測試功能檢驗自己安規(guī)學習的效果。本功能模塊的實現(xiàn)主要是基于數(shù)據(jù)庫中存儲的1000多道安規(guī)考試題。員工可以根據(jù)自己的需求，靈活的設定測試范圍、測試時間、測試題量等。相關參數(shù)設定完成之后，系統(tǒng)會自動生成符合要求的試卷。學員開始測試后，系統(tǒng)開始計時，剩余時間少于10分鐘時系統(tǒng)會發(fā)出警告。學員完成測試后，系統(tǒng)將測試信息記錄到數(shù)據(jù)庫中，這些信息主要包括：學員工號，考時時間，試卷內(nèi)容，學員答案等，存儲這些信息的目的是為后期智能評價提供原始數(shù)據(jù)。

2.5智能評價

該功能模塊實現(xiàn)了基于員工學習及測試情況的定量評價。員工完成測試之后，不僅僅通過與正確答案的比對給出本次測試的成績，同時針對每一道題，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中已有的考試信息，計算出本道題已經(jīng)有多少人次測試過，正確的概率是多少，這個考題源于哪些知識點，你在本系統(tǒng)中是否進行了相關的學習，該知識點分布在哪些任務中等等。最大限度的幫助學員查找不足。3系統(tǒng)應用系統(tǒng)采用Oracle11g作為核心數(shù)據(jù)庫。娛導化學習子系統(tǒng)采用了C/S模式，連同模型庫一起分別安裝在機房的每臺機器上。自主測試與智能評價子系統(tǒng)是使用JSP開發(fā)的B/S模式的，被安裝到WEB服務器上。學員到機房的任何一臺電腦上都可以進行安規(guī)娛導化學習或者自主測試，由于引入了3D游戲的娛樂元素，極大地激發(fā)了員工的學習興趣及培訓熱情，安規(guī)考試成績較以往相比也有顯著提高。

結(jié)束語

本系統(tǒng)嘗試將3D游戲的娛樂元素與電力安規(guī)知識相結(jié)合，探索基于虛擬現(xiàn)實的電力安規(guī)娛導化培訓新模式，取得了較好的效果。但3D場景對電腦的硬件配置具有較高要求，所以在今后的研究中，還需要進一步優(yōu)化場景，從而提高顯示速度，保證畫面質(zhì)量和流暢度。另外，安規(guī)培訓的最終目的是讓員工具備電力操作技能，如何利用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)對員工操作技能水平的測試，也是今后研究工作的重點內(nèi)容。