摘要：电力专业的技能培训，是电力人员上岗前确保安全和质量的必要。由于培训场地有限、实验器材耗损严重、资金不足以及需要对培训学员进行针对性培训等种种因素，学员的培训往往得不到良好的体验和效果。为了解决上述问题，借助虚拟现实技术(VR)开发设计的一套沉浸式电力培训系统，仿真模拟了现实中遇到的培训场景和工作，以及遇到的各种未知事故，对学员进行了专业培训。文章针对电力培训的不同功能进行了现实可行的设计和实现，对今后虚拟培训的可行性具有一定的前景参考。

关键词：虚拟现实；仿真培训；电力培训

1．背景

近年来，得益于前沿技术虚拟现实的发展，借助虚拟现实技术，学员在各种培训中有了更好的实践体验。虚拟培训相较于传统的课堂式集中上课更能及时反馈出问题，相比于教科书里面羞涩难懂的文字描述和需要考验学生想象力的平面图，虚拟真实的场景更能直观的表达和传递更多的信息内容。

电力培训的过程更强调实操培训和注重实践能力。但传统的电力实训教学不可避免地遇到场地环境和人员安全等问题，培训实行起来有一定的难度。为了提高学员在工作中遇到的各种情况的应变能力以及承受能力，同时在保证人员安全的情况下，本文借助虚拟现实技术设计开发了沉浸式的电力培训系统，让学员在虚拟的环境下进行培训，体验创新的培训形式。

2.虚拟与培训的结合

本次系统以VR设备HTC vive实现虚拟的交互，在unity3D游戏引擎平台上开发电力培训的场景功能，原创模型主要是基于PC系统的三维动画渲染和制作软件3Dmax制作。利用HTC vive头戴式设备沉浸感好的特点，让学员沉浸在unity3D(简称u3d)设计的虚拟场景中。当学员戴上HTC vive头戴显示器，视觉会进入电力培训的虚拟场景，察觉到场景远近的距离感、深度的立体感以及身处高度的高空感。HTC vive的基站会定位到学员戴的头盔和手柄的位置，捕捉到用户的交互设备的运动，当学员移动，虚拟场景的物体也会相对移动和静止。

以往的培训系统是平面的屏幕，但现在学员通过HTC vive头戴式显示器360度观看虚拟的培训场景，从一个二维的视角延伸到三维的视角，接收更多的信息。虚拟系统可在多个场景中变换，因为是虚拟的，不存在场景限制的问题。除此之外，学员在虚拟场景尝试的动作和遇到的各种意外都不会发生实际性的后果，这有助于提高学员专业培训的心理素质和及时发现问题。

在现实培训中，学员会用到各种工具完成各种指标。在虚拟培训场景中也是一样，与学员交互的是各种生动形象、立体感突出和能表现细微细节的模型，比如培训过程中的各种工具、建筑等。把虚拟设备的手柄比作电脑的鼠标，学员用手柄可以拿起教学用到的模型，根据提示进行各种操作。经过虚拟培训的熟悉，学员会对现实场景的环境有亲切感，达到虚实结合的效果。

在虚拟培训系统中，除了虚拟培训的实践操作，还设计了各种虚拟界面的说明和提示，引导学员完成不同的考核和教学功能。

3.仿真交互设计

3.1.虚拟场景设计

此次虚拟培训系统的虚拟场景主要由专业跨平台游戏开发及虚拟现实引擎unity设计。在unity5的基础下可设计基于物理的阴影、实时全局光照明和反射探头等图形功能的虚拟仿真场景。为达到真实场景的效果，模型按照真实比例制作，精度准确到可以近距离观看每个细节。天空进行晴朗、傍晚和夜晚等不同时间变化的设计，光照为日常平行光。

3.2.模型制作

虚拟场景的原创模型有跌落式熔断器，台架变压器等，主要是使用solidworks/3DMax按照现实比例制作。每个小零件的精度都能达到拆开细分和组装的效果。为了达到真实的效果，模型的制作还包括模型的贴图、渲染和烘焙等步骤。在虚拟场景，学员甚至可以分辨出这个工具模型的材质属于金属还是木材。

3.3.功能交互

利用在unity的asset store下载的steamVR和VRTK插件，在unity的场景为HTC vive的交互实现功能。经过脚本的处理，学员可以在虚拟场景中漫游和瞬移，虚拟场景中的方块可以利用手柄进行捡起和抛掷动作，设计的高压电架可供攀爬和升降，不同的场景可以切换传送，虚拟菜单界面可以弹出不同的文字提示和视频解析。

3.4.UI设计

虚拟场景UI的设计采用unity自带的UGUI框架设计。UGUI功能强大，基本能满足UI交互。利用UGUI的各种组件，可设计一个导航菜单，引导用户上手，同时可以设计各种提示信息，对培训内容和培训操作进行介绍和提示。当UI进行交互的时候，UI会出现动画、高亮提示等互动。在虚拟场景中，UI菜单的按钮会事先绑定好不同触发事件。当HTC vive手柄触碰或射线与UI进行交互，按下虚拟设备手柄的不同按钮就能触发事件。

3.5.粒子系统设计

粒子系统的设计有火花、浓烟和爆炸等特效。在虚拟场景中，粒子系统虚拟在实操过程中对各种事故发生配对效果，比如漏电的火花以及短路烧焦的浓烟等。除此之外，还能虚拟下雨和下雪等户外天气情况。

4.虚拟系统模块设计

4.1虚拟实操模块

在虚拟仿真的实操场景，系统设有拉合跌落式熔断器（即送电操作）的虚拟操作。学员进入虚拟场景，根据UI提示，用虚拟设备手柄拿起绝缘杆，进行正确的操作。如果操作顺序错误，系统会出现相应的提示和说明，同时，会虚拟操作错误时会发生的故障效果。虚拟场景可以无限重新操作，帮助学员熟悉和掌握技能。

配合两个虚拟设备的手柄，系统设有攀爬高压电架等高空作业的操作。学员可在虚拟场景尝试高空跌落体验，高架攀爬体验。这有助于帮助学员习惯高空作业的感觉以及克服恐高的心理障碍。

4.2虚拟教学模块

在虚拟的教学场景，系统设有项目操作的音频和视频讲解、模型动画演示以及操作注意事项说明的虚拟菜单。

培训的虚拟设备和工具系统设计了可放大缩小功能、拆分组合功能以及旋转和移动功能。学员在虚拟的教学场景可自行观察了解工具和设备的结构细节，帮助提高对培训和专业技能的认知。

5.虚拟教学的沉浸

在虚拟场景中，不受时间和空间的限制，同时也不存在高耗材的问题。场景和培训都是虚拟的，在此基础上又能让学员体验到在现实中培训的感觉。另外，虚拟培训降低了学习成本，也降低了培训的风险。但沉浸式的教学培训，关键还是在于沉浸感，让学员更乐于接受虚拟培训。

6.总结

基于VR设计的电力培训系统拥有造价成本低于实际建造设备的成本、风险性低、安全性强、可持续循环利用率高、场地占用率低以及易于上手进行学习和培训的特点，同时，现实科技的发展也预兆着各种学习培训的技术发展趋势。

通过对电力培训进行虚拟现实，顺应时代趋势，降低事故发生率，更好地培养现代技术人才。虚拟现实的前沿技术激发了各类专业行业对VR技术的额联想，从而实现更好的交互使用，增强了社会行业培训的技术发展，也对VR的实际性运用进行了更深刻的研究和技术开发，促进和贴合整个电力培训的发展进程。