基于3D游戏的安规培训方式

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本文作者：孟凡奇 单位：东北电力大学

目前，电力企业员工的安规学习依然是以书本资料为主，而纸质材料无法直观展现操作场景的不足必然导致学习过程枯燥乏味。随着虚拟现实技术的发展，特别是3D游戏的推广，让人们看到利用在沉浸感和交互性等方面都占有优势的3D游戏进行安规培训的美好前景。在此背景下，吉林供电公司与东北电力大学于2010年合作开发完成了《基于3d游戏的电力安规娱导化培训系统》，该系统在公司试运行1年，在提高员工安规学习兴趣及成绩方面效果明显。

1系统概述

本系统主要包括安规知识的学习、测试及评价3个子系统。其中，安规学习子系统主要是利用虚拟变电站场景，以人物对话、图片展示、视频播放等形式合理地将安规知识编排到生动、有趣的游戏任务中，学员通过游戏任务的引导进行安规学习。安规考试子系统主要是利用数据库存储安规试题，根据出卷人设定的题型和分值自动组卷，考生在线答题。评价子系统主要是分析考生的试卷，对考生成绩排名，并有针对性地给出学习建议。以上3个子系统相互联系，形成了“学、测、评”迭代往复的新型培训模式（图1所示）。

2功能模块设计

本培训系统主要采用数据库技术、虚拟现实技术、动态网页技术以及数据挖掘技术实现了电力安规知识的娱导化学习、自主测试及智能评价。系统的主要功能模块设计如下：

2.1数据库

数据库是本培训系统的核心，既为培训系统的运行提供所需的各种信息，同时也记录系统运行所产生的有用数据。这些信息和数据主要包括：员工的基本信息（如：用户名、密码、姓名、性别、岗位、职务等）、员工的学习信息（如：学习内容、学习时间、取得的学分等）、电力安规知识、电力安规试题、员工测试成绩及评价信息等。

2.2模型库

培训系统所用到的虚拟场景实际上是由电力设备模型构成的，为让系统能够方便的调用电力设备模型，我们预先设计了包含66kv变电站各种电力设备模型的模型库。由于电力设备形状各异，因此在建模时，我们有针对性的使用了4类主要的3DsMAX建模方法：a.对设备的外壳进行物理建模时，采用拉伸建模技术，通过为二维截面增加厚度，从而生成三维模型。b.对断路器的开槽和缺口建模时，采用布尔运算建模技术，通过几何形体间的布尔运算来构造更为复杂的三维几何模型。c.对绝缘子串建模时，采用旋转建模技术，选一条曲线为母线，绕旋转轴旋转形成一个三维模型。d.对变电架构建模时，采用放样建模技术，创建模型截面和路径，把路径作为主干，把不同截面图形连接在一起而形成三维模型。图2展示了模型库中包含的部分电力设备模型。

2.3娱导化学习

在安规娱导化学习功能的设计上，我们引入了Torque3D游戏引擎，该引擎集成了虚拟现实的主要关键技术。利用该引擎可以方便的搭建虚拟电力场景，基本步骤为：根据真实变电站的布局，将模型库中的设备逐一安排布置于虚拟环境，再采用光源、背景和控制面的调和衬托，最后进行虚拟三维渲染，就产生了逼真的电力系统虚拟环境。我们将虚拟场景分为学习区和任务区。新学员首先要进入学习区，在学习区可以通过文字、图片和视频等方式学习安规知识。当学分积累到一定分值可以进入任务区。在任务区我们设定了10个难度不同的任务，如：勇闯迷宫、保卫电站等。学员完成第一个任务后，还要进入学习区积累一定分值才能进入下一任务。每一个任务都是一个有趣的3D游戏，比如勇闯迷宫，要求学员在指定时间内走出迷宫，迷宫内有很多热点，学员到达热点后，系统会提问一些安规知识，如果全部答对，系统会提示前进方向。越快闯出迷宫的分值越高，系统还会给出学员的分数排名。同时，分值越高，再次进入学习区学习时的学分要求越低。图3展示了在游戏中回答安规问题的场景。

2.4自主测试

学员可以利用自主测试功能检验自己安规学习的效果。本功能模块的实现主要是基于数据库中存储的1000多道安规考试题。员工可以根据自己的需求，灵活的设定测试范围、测试时间、测试题量等。相关参数设定完成之后，系统会自动生成符合要求的试卷。学员开始测试后，系统开始计时，剩余时间少于10分钟时系统会发出警告。学员完成测试后，系统将测试信息记录到数据库中，这些信息主要包括：学员工号，考时时间，试卷内容，学员答案等，存储这些信息的目的是为后期智能评价提供原始数据。

2.5智能评价

该功能模块实现了基于员工学习及测试情况的定量评价。员工完成测试之后，不仅仅通过与正确答案的比对给出本次测试的成绩，同时针对每一道题，结合数据库中已有的考试信息，计算出本道题已经有多少人次测试过，正确的概率是多少，这个考题源于哪些知识点，你在本系统中是否进行了相关的学习，该知识点分布在哪些任务中等等。最大限度的帮助学员查找不足。3系统应用系统采用Oracle11g作为核心数据库。娱导化学习子系统采用了C/S模式，连同模型库一起分别安装在机房的每台机器上。自主测试与智能评价子系统是使用JSP开发的B/S模式的，被安装到WEB服务器上。学员到机房的任何一台电脑上都可以进行安规娱导化学习或者自主测试，由于引入了3D游戏的娱乐元素，极大地激发了员工的学习兴趣及培训热情，安规考试成绩较以往相比也有显著提高。

结束语

本系统尝试将3D游戏的娱乐元素与电力安规知识相结合，探索基于虚拟现实的电力安规娱导化培训新模式，取得了较好的效果。但3D场景对电脑的硬件配置具有较高要求，所以在今后的研究中，还需要进一步优化场景，从而提高显示速度，保证画面质量和流畅度。另外，安规培训的最终目的是让员工具备电力操作技能，如何利用虚拟现实技术实现对员工操作技能水平的测试，也是今后研究工作的重点内容。