基于生产班组一体化工作手册的辅助三维仿真培训系统研究

李峰云 梁东明 黄国雄

(1.佛山供电局人力资源部 528000；2.佛山供电局人力资源部 528000；3.佛山顺德供电局综合部 528300)

基于生产班组一体化工作手册的辅助三维仿真培训系统是佛山供电局进一步推进一体化管理落地，打造生产班组一体化示范基地，以“生产班组一体化工作手册”为基础，全面规划一体化管理培训体系，构造立体式、仿真式培训体系, 确保一体化管理切实落地。系统主要通过研究、应用三维仿真技术，建立虚拟的、具有三维可视效果的作业环境，对安全生产作业进行仿真操作培训，使受训人员安全、规范、高效地熟悉生产班组一体化工作手册的业务指引和标准化作业要求，切实提高生产班组一体化工作手册实用化水平和受训人员的业务技能。

1 系统功能特点

1.1 体验式模拟仿真培训

（1）全软件模拟。系统以全软件模式实现，基于局域网运行，由客户端应用程序和服务器应用程序组成。相较于以硬件为主的实训模式，软件模式利于系统实施远程培训，解决了集中培训组织和实施中的存在的难题，而且培训功能易扩充升级、培训场地占用空间小、培训过程安全及日常维护简便等优点。

（2）全过程仿真。该功能使培训过程生动、培训内容标准，对安全生产人员掌握安全规程、操作规范及一体化工作手册的具体内容和要求，提高其生产操作技能水平和安全规范作业意识，具有明显的培训效果。

1.2 智能辅导

智能辅导功能主要分为以下几部分：

（1）系统所具有的智能辅助培训功能会以对话框或语音的形式对受训人员的操作过程和学习过程进行评判和控制，使受训人员有序地学习相关规程并引导学员按照工作手册完成作业。

（2） 设定培训互动沟通机制，包括实时的互动、非实时的答疑、案例分析等

（3）设定教学质量评价方法，如课程质量、学员互动、学员评价等

（4） 建立培训效果评估体系，根据不同培训项目对培训效果进行效果评价，并生成培训报告

1.3 技能考核

考核模式下，系统可以计算机网络化考试的形式，对受训人员的仿真作业过程进行考核。系统能够记录或评判受训人员的操作步骤，有助于培训管理或人力资源管理部门对受训人员的培训效果和操作技能进行评测。系统支持考试管理、试卷管理、成绩管理、任务管理等功能，支持在线考试、阅卷及考试成绩归档。

2 系统技术架构

基于生产班组一体化工作手册的辅助三维仿真培训系统从总体上划分为服务器应用层、公共服务层、客户端应用层、仿真引擎Power X和扩展组件层。系统总体结构图：

2.1 服务器应用层

电力企业的各项工作的完成往往需要涉及多个部门、多个工种、多个工作人员的相互配合，才能顺利安全完成。因此，在三维仿真培训系统的设计中，必然要允许多个客户端同时在共同的网络下以协同工作的方式完成仿真培训的过程。在服务器应用层能够为各个客户端提供多种服务，其中包括了客户端登录系统管理、本地对象属性管理、进程与事件管理、坐标转换、远程操作属性管理和网络通信。这些服务主要是用于在培训过程中每个客户可以共享一致的虚拟环境，即时间一致、空间一致、对象特征一致、行为一致。

2.2 公共服务层

公共服务层的功能在于为仿真培训系统的运行提供必要的外围程序，其中包括培训中数据的的提取、分析、管理，以及结果的显示与保存等。公共服务层的各项内容都可以经服务耦合器由应用层的用户调取。在这一过程中，应用层与公共服务层不会发生直接联系。比如，在数据服务模块由于采用了数据库的通用方法，应用层的用户不会因数据库类型的差异发生使用上的限制。另一方面，数据库的改变也不会造成服务层上的应用系统发生运行方面的问题。

2.3 客户端应用层

客户端应用层采用层次化体系结构，包括仿真应用、三维仿真框架和应用组件。仿真应用层主要实现运行作业、实验、调度、检修等领域的多个仿真培训任务的仿真应用功能。

应用组件通过封装开发应用接口，使其功能模块具有可重用性和可扩展性，同时该层提供电网拓扑编辑、仿真个体逻辑编辑和三维场景编辑的应用组件。电网拓扑编辑组件实现配电网拓扑关系的图形化编辑。通过电气设备元件库，三维场景编辑组件支持用户采取即拖即用的方式构建或修改虚拟电力设备的配置方位和地理连接关系。

2.4 仿真引擎Power X

Power X 是与具体仿真应用逻辑无关的仿真平台。Power X 具有统一处理三维场景实时渲染及管理、人机交互、仿真过程智能控制和网络通信等底层公共功能。

仿真过程智能控制主要保证系统仿真模型中事件结构和逻辑结构按照系统仿真过程设计方案执行。设备三维模型与动作逻辑分离，系统利用智能逻辑处理方法，利用事件作为三维虚拟环境中仿真对象间的通信方式，采用消息驱动机制实现三维模型与动作逻辑的自动关联及对象状态更新。

2.5 扩展组件层

在PowerX 的基础上，封装仿真应用中的常用功能形成扩展组件。扩展组件可以独立开发，只需通过组件耦合器就能被具体仿真应用逻辑使用，能够实现异构系统的整合，如即时通信组件为受训人员之间的交流提供了公共平台，教师使用跟踪指导组件可对学员提供实时操作辅导。

3 三维仿真培训系统应用实例

3.1 体验式模拟仿真培训

以配电运行为例，系统将三维虚拟电网运行环境分为两部分：虚拟配电网和虚拟现场环境。虚拟配电网依据实际配电网络的电气及地理连接关系，利用涵盖配电系统典型接线和典型设备的简化原则，将开闭所、配电房及线路所包含配电设备的三维模型放置于相应的虚拟现场环境，形成反映电气及地理连接关系的虚拟配电网络。虚拟现场环境主要模拟配电设备配置区域的自然环境，可以是城市、郊区或农村环境，可使受训人员了解配电设备在现场的配置方式和连接关系，以进行不同工况下的仿真训练。同时系统能逼真地模拟雨、雪等天气状况，使培训环境更具真实感和沉浸感。

3.2 智能辅导

任务是表征培训目标、学习内容的载体。通过设计任务及任务的动态调整，使之与受训者的岗位技能水平及知识经验相匹配，以促进其进入流体验状态，从而实现培训辅导的智能化。如同样包含环网柜停电操作训练，对于初级工，所给的任务内容只包含对某个编号的环网柜进行停电操作；对于中级工，任务内容包含工作票的填写和环网柜停电操作2 部分；对于高级工，任务内容中环网柜的停电操作和其他电气设备操作存在配合关系，受训人员必须进行正确的电气分析，确定各设备操作顺序，并且全部正确操作完所有设备，任务方可完成。

任务的动态调整借助于任务的管理器来达到既定的目标。可以通过对整个关键节点所有的状态来考察受训人员的实际情况。尤其是对于完成任务的进展情况可以及时掌握。在既定的任务完成之后。任务管理器就将所有任务的情况做出统计结果。这样就能评判出受训人员是否达到了所要求的熟练程度。而且系统会以这些统计结果作为凭据从而可以主动的对以后的任务难度系数进行必要的修正。

3.3 技能考核

考核模式下，系统可以计算机网络化考试的形式，对受训人员的仿真作业过程进行考核。系统能够记录或评判受训人员的操作步骤，有助于培训管理或人力资源管理部门对受训人员的培训效果和操作技能进行评测。系统支持考试管理、试卷管理、成绩管理、任务管理等功能，支持在线考试、阅卷及考试成绩归档。