基于3D游戲的安規(guī)培訓(xùn)方式

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本文作者：孟凡奇 單位：東北電力大學(xué)

目前，電力企業(yè)員工的安規(guī)學(xué)習(xí)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(dǎo)致學(xué)習(xí)過程枯燥乏味。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(jìn)行安規(guī)培訓(xùn)的美好前景。在此背景下，吉林供電公司與東北電力大學(xué)于2010年合作開發(fā)完成了《基于3d游戲的電力安規(guī)娛導(dǎo)化培訓(xùn)系統(tǒng)》，該系統(tǒng)在公司試運(yùn)行1年，在提高員工安規(guī)學(xué)習(xí)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(shí)的學(xué)習(xí)、測試及評(píng)價(jià)3個(gè)子系統(tǒng)。其中，安規(guī)學(xué)習(xí)子系統(tǒng)主要是利用虛擬變電站場景，以人物對(duì)話、圖片展示、視頻播放等形式合理地將安規(guī)知識(shí)編排到生動(dòng)、有趣的游戲任務(wù)中，學(xué)員通過游戲任務(wù)的引導(dǎo)進(jìn)行安規(guī)學(xué)習(xí)。安規(guī)考試子系統(tǒng)主要是利用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)安規(guī)試題，根據(jù)出卷人設(shè)定的題型和分值自動(dòng)組卷，考生在線答題。評(píng)價(jià)子系統(tǒng)主要是分析考生的試卷，對(duì)考生成績排名，并有針對(duì)性地給出學(xué)習(xí)建議。以上3個(gè)子系統(tǒng)相互聯(lián)系，形成了“學(xué)、測、評(píng)”迭代往復(fù)的新型培訓(xùn)模式（圖1所示）。

2功能模塊設(shè)計(jì)

本培訓(xùn)系統(tǒng)主要采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電力安規(guī)知識(shí)的娛導(dǎo)化學(xué)習(xí)、自主測試及智能評(píng)價(jià)。系統(tǒng)的主要功能模塊設(shè)計(jì)如下：

2.1數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是本培訓(xùn)系統(tǒng)的核心，既為培訓(xùn)系統(tǒng)的運(yùn)行提供所需的各種信息，同時(shí)也記錄系統(tǒng)運(yùn)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(wù)等）、員工的學(xué)習(xí)信息（如：學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)時(shí)間、取得的學(xué)分等）、電力安規(guī)知識(shí)、電力安規(guī)試題、員工測試成績及評(píng)價(jià)信息等。

2.2模型庫

培訓(xùn)系統(tǒng)所用到的虛擬場景實(shí)際上是由電力設(shè)備模型構(gòu)成的，為讓系統(tǒng)能夠方便的調(diào)用電力設(shè)備模型，我們預(yù)先設(shè)計(jì)了包含66kv變電站各種電力設(shè)備模型的模型庫。由于電力設(shè)備形狀各異，因此在建模時(shí)，我們有針對(duì)性的使用了4類主要的3DsMAX建模方法：a.對(duì)設(shè)備的外殼進(jìn)行物理建模時(shí)，采用拉伸建模技術(shù)，通過為二維截面增加厚度，從而生成三維模型。b.對(duì)斷路器的開槽和缺口建模時(shí)，采用布爾運(yùn)算建模技術(shù)，通過幾何形體間的布爾運(yùn)算來構(gòu)造更為復(fù)雜的三維幾何模型。c.對(duì)絕緣子串建模時(shí)，采用旋轉(zhuǎn)建模技術(shù)，選一條曲線為母線，繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)形成一個(gè)三維模型。d.對(duì)變電架構(gòu)建模時(shí)，采用放樣建模技術(shù)，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(shè)備模型。

2.3娛導(dǎo)化學(xué)習(xí)

在安規(guī)娛導(dǎo)化學(xué)習(xí)功能的設(shè)計(jì)上，我們引入了Torque3D游戲引擎，該引擎集成了虛擬現(xiàn)實(shí)的主要關(guān)鍵技術(shù)。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(shí)變電站的布局，將模型庫中的設(shè)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(jìn)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(xué)習(xí)區(qū)和任務(wù)區(qū)。新學(xué)員首先要進(jìn)入學(xué)習(xí)區(qū)，在學(xué)習(xí)區(qū)可以通過文字、圖片和視頻等方式學(xué)習(xí)安規(guī)知識(shí)。當(dāng)學(xué)分積累到一定分值可以進(jìn)入任務(wù)區(qū)。在任務(wù)區(qū)我們?cè)O(shè)定了10個(gè)難度不同的任務(wù)，如：勇闖迷宮、保衛(wèi)電站等。學(xué)員完成第一個(gè)任務(wù)后，還要進(jìn)入學(xué)習(xí)區(qū)積累一定分值才能進(jìn)入下一任務(wù)。每一個(gè)任務(wù)都是一個(gè)有趣的3D游戲，比如勇闖迷宮，要求學(xué)員在指定時(shí)間內(nèi)走出迷宮，迷宮內(nèi)有很多熱點(diǎn)，學(xué)員到達(dá)熱點(diǎn)后，系統(tǒng)會(huì)提問一些安規(guī)知識(shí)，如果全部答對(duì)，系統(tǒng)會(huì)提示前進(jìn)方向。越快闖出迷宮的分值越高，系統(tǒng)還會(huì)給出學(xué)員的分?jǐn)?shù)排名。同時(shí)，分值越高，再次進(jìn)入學(xué)習(xí)區(qū)學(xué)習(xí)時(shí)的學(xué)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(xué)員可以利用自主測試功能檢驗(yàn)自己安規(guī)學(xué)習(xí)的效果。本功能模塊的實(shí)現(xiàn)主要是基于數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)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(shè)定測試范圍、測試時(shí)間、測試題量等。相關(guān)參數(shù)設(shè)定完成之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成符合要求的試卷。學(xué)員開始測試后，系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，剩余時(shí)間少于10分鐘時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告。學(xué)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(xué)員工號(hào)，考時(shí)時(shí)間，試卷內(nèi)容，學(xué)員答案等，存儲(chǔ)這些信息的目的是為后期智能評(píng)價(jià)提供原始數(shù)據(jù)。

2.5智能評(píng)價(jià)

該功能模塊實(shí)現(xiàn)了基于員工學(xué)習(xí)及測試情況的定量評(píng)價(jià)。員工完成測試之后，不僅僅通過與正確答案的比對(duì)給出本次測試的成績，同時(shí)針對(duì)每一道題，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中已有的考試信息，計(jì)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(gè)考題源于哪些知識(shí)點(diǎn)，你在本系統(tǒng)中是否進(jìn)行了相關(guān)的學(xué)習(xí)，該知識(shí)點(diǎn)分布在哪些任務(wù)中等等。最大限度的幫助學(xué)員查找不足。3系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)采用Oracle11g作為核心數(shù)據(jù)庫。娛導(dǎo)化學(xué)習(xí)子系統(tǒng)采用了C/S模式，連同模型庫一起分別安裝在機(jī)房的每臺(tái)機(jī)器上。自主測試與智能評(píng)價(jià)子系統(tǒng)是使用JSP開發(fā)的B/S模式的，被安裝到WEB服務(wù)器上。學(xué)員到機(jī)房的任何一臺(tái)電腦上都可以進(jìn)行安規(guī)娛導(dǎo)化學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)興趣及培訓(xùn)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(shí)相結(jié)合，探索基于虛擬現(xiàn)實(shí)的電力安規(guī)娛導(dǎo)化培訓(xùn)新模式，取得了較好的效果。但3D場景對(duì)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(jìn)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(xùn)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(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)員工操作技能水平的測試，也是今后研究工作的重點(diǎn)內(nèi)容。