基于3D游戲的安規培訓方式
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本文作者：孟凡奇 單位：東北電力大學
目前，電力企業員工的安規學習依然是以書本資料為主，而紙質材料無法直觀展現操作場景的不足必然導致學習過程枯燥乏味。隨著虛擬現實技術的發展，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勢的3D游戲進行安規培訓的美好前景。在此背景下，吉林供電公司與東北電力大學于2010年合作開發完成了《基于3d游戲的電力安規娛導化培訓系統》，該系統在公司試運行1年，在提高員工安規學習興趣及成績方面效果明顯。
1系統概述
本系統主要包括安規知識的學習、測試及評價3個子系統。其中，安規學習子系統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學習。安規考試子系統主要是利用數據庫存儲安規試題，根據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個子系統相互聯系，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
本培訓系統主要采用數據庫技術、虛擬現實技術、動態網頁技術以及數據挖掘技術實現了電力安規知識的娛導化學習、自主測試及智能評價。系統的主要功能模塊設計如下：
2.1數據庫
數據庫是本培訓系統的核心，既為培訓系統的運行提供所需的各種信息，同時也記錄系統運行所產生的有用數據。這些信息和數據主要包括：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：學習內容、學習時間、取得的學分等）、電力安規知識、電力安規試題、員工測試成績及評價信息等。
2.2模型庫
培訓系統所用到的虛擬場景實際上是由電力設備模型構成的，為讓系統能夠方便的調用電力設備模型，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，采用旋轉建模技術，選一條曲線為母線，繞旋轉軸旋轉形成一個三維模型。d.對變電架構建模時，采用放樣建模技術，創建模型截面和路徑，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境，再采用光源、背景和控制面的調和襯托，最后進行虛擬三維渲染，就產生了逼真的電力系統虛擬環境。我們將虛擬場景分為學習區和任務區。新學員首先要進入學習區，在學習區可以通過文字、圖片和視頻等方式學習安規知識。當學分積累到一定分值可以進入任務區。在任務區我們設定了10個難度不同的任務，如：勇闖迷宮、保衛電站等。學員完成第一個任務后，還要進入學習區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走出迷宮，迷宮內有很多熱點，學員到達熱點后，系統會提問一些安規知識，如果全部答對，系統會提示前進方向。越快闖出迷宮的分值越高，系統還會給出學員的分數排名。同時，分值越高，再次進入學習區學習時的學分要求越低。圖3展示了在游戲中回答安規問題的場景。
2.4自主測試
學員可以利用自主測試功能檢驗自己安規學習的效果。本功能模塊的實現主要是基于數據庫中存儲的1000多道安規考試題。員工可以根據自己的需求，靈活的設定測試范圍、測試時間、測試題量等。相關參數設定完成之后，系統會自動生成符合要求的試卷。學員開始測試后，系統開始計時，剩余時間少于10分鐘時系統會發出警告。學員完成測試后，系統將測試信息記錄到數據庫中，這些信息主要包括：學員工號，考時時間，試卷內容，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據。
2.5智能評價
該功能模塊實現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，結合數據庫中已有的考試信息，計算出本道題已經有多少人次測試過，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系統應用系統采用Oracle11g作為核心數據庫。娛導化學習子系統采用了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是使用JSP開發的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，極大地激發了員工的學習興趣及培訓熱情，安規考試成績較以往相比也有顯著提高。
結束語
本系統嘗試將3D游戲的娛樂元素與電力安規知識相結合，探索基于虛擬現實的電力安規娛導化培訓新模式，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，還需要進一步優化場景，從而提高顯示速度，保證畫面質量和流暢度。另外，安規培訓的最終目的是讓員工具備電力操作技能，如何利用虛擬現實技術實現對員工操作技能水平的測試，也是今后研究工作的重點內容。