基于情景认知的输电线路带电作业网络培训模式与平台研究

沈灵兵　吴宝贵　方玉群　张秋实

【摘 要】如何对从事输电线路带电作业人员开展规范、有效的专业技能培训，是促进输电线路带电作业大规模推广的关键问题之一。本文以“理论研究”为起点，针对输电线路带电作业技能培训的实际需求，综合利用现代教育方法、计算机网络和虚拟现实等技术优势，探索一种从“理论基础->应用能力->实操能力” 循序渐进的专业技能培训模式，设计开发了一套集 “多媒体远程教学、VR沉浸式训练、现场操作录播和培训管理”为一体的网络技能培训平台。实际运行表明，输电线路带电作业技能网络培训平台可实现模块化、层次化、开放式的输电线路带电作业培训过程，为培养专业的人员的实际操作能力搭建起了理论与实践的桥梁，对培养输电线路带电作业专业技能人员提供了全方位的理论和实践指导。

【关键词】带电作业；技能培训；培训模式；虚拟现实

Research on Network Training Model & Platform for Skills of Live Working

SHEN Ling-bing1 WU Bao-gui1 FANG Yu-qun2 ZHANG Qiu-shi3

（1.State Grid Electric Power Company Training Center； Zhejiang Hangzhou 310000， China；

2.State Grid Jinhua Electric Power Company， Zhejiang Jinhua 321000， China； 3.Shandong University， Shandong Jinan 250000， China）

【Abstract】How to carry out standardized and effective professional skills training for personnel engaged in live working is one of the key issues to promote the large-scale promotion of live working. According to the actual requirements of the skills training， the paper takes the theoretical research as the starting point， makes use of the advantages of modern education methods， computer network ， virtual reality and other technical， explores a step by step skill training model from "theoretical knowledge-> application ability-> operation ability"， designs and develops a network skill training platform， which includes "multimedia distance education， VR immersion training， on-site operating recording and training management". The actual operation shows that the skill training platform achieves modular， hierarchical， open-style distribution network skill training process， builds a bridge between theory and practice for the ability cultivation of the personnel engaged in distribution network live working， provides a full range of theoretical and practical guidance for the training of professional skills of power distribution network live working.

【Key words】Live working； Skills training； Training model； Virtual reality

隨着工业化进程的日益加快以及人民生活水平的逐步提高，我国的电力需求日渐旺盛，电能输送量以及供电质量必须得到保证，这对我国电网的安全稳定运行提出了越来越高的要求。配电线路是直接对用户供电线路，停电后将直接影响到用户正常的工作及生活，因此，保障输电线路安全运行，提高其供电可靠性显得尤为重要。采用带电作业方式对输电线路设备进行检修的作业，可大幅度缩短线路停电时间、提高输电线路设备运行可靠性，是目前保证系统稳定运行、提高供电可靠性的重要手段之一[1-2]。

为推广并确保输电线路带电作业安全有效地开展，对输电线路带电作业项目的操作技能进行有效的培训势在必行。而传统的带电作业培训主要采用理论培训、现场实操，辅以仿真的方式进行。其中，理论培训在形象性、直观性、互动性等方面有待改善，生产人员难以在短时间内全面掌握培训内容；现场实操在实际应用中易受现场环境制约，且各地区实操项目开展过程中差异化明显；仿真的方式虽然在培训有了初步应用，但覆盖面及应用效果均有待提高。同时随着不停电作业技术的不断发展，对标准化作业方法进行快速、全面地推广，缺少一条有利的途径。因此，现有培训方式需进一步提升和扩展，以满足当前实际生产的迫切需要。endprint

随着互联网和各种技术的飞速发展，网络远程培训方式的研究进入了高速发展的阶段，其核心是致力于借助新的现代教育技术和通信技术手段，为技术人员提供更加优质的教育资源和更好的教学服务历程，已经成为现代教育发展的趋势[3]。因此，本文将专业教育理念和网络培训技术引入电力运维技能培训领域，基于米勒金字塔理论模型构建远程输电线路带电作业技能培训模式，充分利用计算机网络、虚拟现实及多媒体技术，建立多样化、多结构、交互式的网络技能培训平台，通过最大限度地发挥学习者的自主性、积极性，实现教学信息的透明化和共享，对输电线路带电作业人员的专业知识与技能进行模块化、层次化、开放式系统和规范培训。

1 培训模式构建

1.1 技能培训视域

现阶段的输电线路带电作业培训过程主要在行为主义学习理论指导下对作业人员进行作业技能训练，主要通过教师的引导整个培训过程的开展，将作业技能训练仅作为一个具体教学行为训练与修正的过程，而忽视了学员作为认知主体的影响。本文提出输电线路带电作业作为一种专业性极强并存在高度风险的专项技能，其训练绝不仅是一个简单的经验模仿和修正，而应是一个学员主动进行知识建构的认知过程。学员不仅是在教师带领下借助案例进行学习，更应主动建构自身的知识体系，整体培训的开展应是一个教师主导和学员自主认知有机结合的过程。

目前，国内输电线路带电作业培训领域在专业技能方面的模式和平台研究方面，主要沿用传统的技能训练、计算机仿真和虚拟现实培训的方式，具体如下：

1.1.1 技能训练

技能训练实质上是以输电设备为实际作业对象，按照师傅带徒弟的方式进行传、帮、带的训练过程，易受现场环境制约，培训周期较长，风险性较大，具有明显局限性。

1.1.2 计算机仿真

计算机仿真主要是通过二维或三维建模还原的方式还原现场的作业环境和作业流程，对理论知识和作业方法进行演示教学该方式将枯燥的理论学习变得直观、形象，局限在于演示内容是典型方法的示意，由于实际作业方法存在一定的差异性和灵活，无法对特定的案例进行讲解，且缺乏对学员的操作技能培训能力。

1.1.3 虚拟现实培训

近年来，随着虚拟现实技术的快速发展，采用沉浸、交互方式不仅可以让学员真实感受作业现场，而且通过对学员操作动作的识别和转换，可以让学员获得与真实操作一致的作业体验。因此，交互式体验方式为输电不停地作业技能训练提供了一种新型有效的途径。

本文将综合以上三种方式的优势，利用真实的输电线路带电作业设备、工具、人员的数据，通过三维重建技术建立高精度模型，为输电线路带电作业过程的模拟提供有效的保证。同時，充分利用专业的教育理念和各种新型技术，构建一种从“理论知识->应用能力->技能操作能力” 循序渐进的专业技能培训模式，基于网络的输电线路带电作业理论知识学习和操作技能培训模式，为为形成输电线路带电作业专业技能人员培养的理论和实践指导进行有益的探索。

1.2 理论基础

1.2.1 培训模式理论

理论是任何实践活动有序开展的基础，输电线路带电作业技能培训作为一种实践性很强、并涉及专业知识的活动，其培训模式的构建必须要以丰富的教学理论作为参考，从不同视角来指导远程输电线路带电作业技能培训模式的构建过程。米勒金字塔模型[4]勾画了一个专业人员的知识与能力的进阶过程和各阶段目标，本文基于米勒金字塔模型和输电线路带电作业人员专项能力的实际要求，提出了一个适用于输电线路带电作业专业的培训模式，其构建过程考虑到从一个新人到一位带电作业专家的四个发展阶段：专业知识学习、现场观摩、作业技能训练、反思提升到实际工作，如图1所示。

（1）第一阶段：专业知识

输电线路带电作业理论与知识的学习与了解阶段，输电线路带电作业技能培训模式中引入远程教学模块，让学员通过网络学习与了解带电作业的基本理论知识和操作知识，学习过程摆脱时间、地点的限制。通过融合计算机仿真培训的方式，让教学素材变得生动、易懂。

（2）第二阶段：应用能力

在对专业知识理解的基础上，强调学员对知识的掌握和应用能力的提升。远程培训中通过汇集各类现场操作视频资源、远程作业现场录播、带电作业专业远程教学指导等形式，让学员在观摩“别人怎么做”的过程中，结合自身的理论知识基础，反复的揣摩和学习，实现对输电线路带电作业知识的理解和应用。

（3）第三阶段：实操能力

加强学员对知识和技能的重复再现能力的训练，主要通过在远程技能培训中引入VR沉浸式训练方式，让学员亲身体验真实的输电不停地作业情景，通过交互操作方式进行全流程的模拟操作训练。根据模拟操作情况由专家进行实时点评，学员通过反思深化对作业方法和操作要点的理解和掌握。

（4）第四阶段：工作表现

通过一定的理论知识和实操技能训练后，学员已经掌握输电线路带电作业的技能要求，初步具备了现场实施的作业能力。可以在日常作业过程中通过与他人配合完成既定的作业任务，同时在作业中能够提出新的问题。此时借助远程输电线路带电作业培训平台，可以不断对输电线路带电作业的知识和技能进行反思、交流，并不断提出新问题，为作业方法和技术的发展提供持续的源动力。

1.2.2 情境认知学习理论

课堂学习到的知识和技能是抽象的、脱离背景的，不同于实践者在生活中对技能与知识的运用。员工能通过考试，但却不能将同样的知识应用于实际工作中。情境认知理论研究表明，实际工作中发生的学习更高效，并能在需要应用的场合应用，而在课堂中学习的知识，很少能在日常需要的场合调动出来。

情境认知理论认为[4]，知识在其中得到展开的活动并不脱离学习与认知，而应是学习与所学知识整体的一部分，知识视为工具，通过真实事件中的活动可促进学习者对文化的适应。真实与逼真的活动，是指通过设置基于工作的、模仿从业者真实活动的学习环境，或者借助信息技术设计的逼真、仿真环境和虚拟实境来提高学习的有效性，并保证知识向真实情境的迁移。情境认知教学模式是以情境认知理论为指导设计学习情境，使学习者在这一学习情境中进行有意义学习，以更高的效率获得知识和技能，情境可以是：（1）真实的工作场景；（2）高度的真实，或真实的工作环境的“虚拟”的代用品；（3）一种可停留的环境，如：影像或多媒体程序。endprint

因此，情境认知学习理论为远程输电线路带电作业技能培训提供了一个重要的理念基础，是一种能有效促进知识向真实工作情境转化的重要学习理论。将情境认知理论引入输电线路带电作业培训中，进行培训内容和培训方式的设计和开发，可以使员工获得的安全知识在实践中可以正确的迁移，将有效弥补传统培训中知识与能力脱节的问题，使员工能在真实、逼真的环境中获得知识，提高分析问题、解决问题的能力。

1.3 培训模式架构

为了形成一套行之有效的输电线路带电作业网络培训方法，首先应该了解该系统中各项核心要素以及相互之间的关联性，而“模式”是解决某类问题方法的简化形式。本文提出以虚拟现实技术、远程交流与协同技术、微格示教和P2P的视音频直播技术、多传感交互和高分辨显示等技术为支撑，首先搭建网络培训平台的技術环境；再基于米勒金字塔模型和情境认知学习理论构建输电线路带电作业网络培训模式，体现远程培训的各个环节和培训过程实现的技术支撑。

如图2所示，输电线路带电作业技能培训是该模式的核心目标，对象认定、内容选择、方式确定和反思评价是本模式的主要组成部分，分别表示培训应用中相关联的各环节。网络远程环境上的学员、实践共同体、知识理论、教学课件等元素是各个环节中必不可缺的具体内容和支持条件，各个组成内涵与功能如下：

1.3.1 对象认定

建立培训模式首先应确定培训对象，该环节是确定后续培训内容和培训方式的重要前提，本文即从事输电线路带电作业工作的相关人员。在基于网络远程培训的形式中，学员的信息首先由相关单位指定，当学员登入系统后，可以进入自主培训过程。

1.3.2 内容选择

可以由学员自主选择培训内容，但其选择范围与自身的知识能力范围相对应，由系统制定的培训策略根据学员的层次进行划分，主要包括知识和理论（带电作业的理论知识）、应用能力（观摩学习）和操作能力（模拟操作训练）。

1.3.3 方式确定

学习方式直接影响各内容的学习效果，与各项培训内容对应，也是本模式的核心环节。本模式中的知识和理论主要以多媒体资料、三维教学课件或专家讲座视频点播的形式开展。应用能力主要借助三维仿真技术，以微格示教或案例点播的方式，让学员在观摩中构建自身的知识应用能力。操作能力主要借助虚拟现实技术，学员通常开展沉浸式操作训练来锻炼自身的操作技能。通过提供了自由选择学习方式的极大灵活性，体现了以学员为主体和因人而异的教育原则。

1.3.4 反思评价

依据舍恩反思性实践的思想，反思是指学习者以自己或他人的学习或操作过程为思考对象，对其所作行为、决策以及由此产生的结果进行审视和分析，通过提高自我认知水平来促进应用技能提高和思想的转变。本文主要针对作业方法的应用与实际操作能力的培养，整个学习过程应该是一个不断反思或相互交流与评价的过程，学员通过将平时所学的理论知识和经验作为反思的参照，根据反思的结果可以促进自己操作技能的提升。因此，反思评价是网络培训中必不可少的一个环节。

1.4 支撑条件

培训模式是围绕着一定的培训目标和任务设计的，其有效应用必须具备一定的支撑条件。本文涉及的支撑条件主要包括网络远程环境、培训对象与内容、培训方式和实践共同体。

1.4.1 网络远程环境

本文基于浏览器/服务器（B/S）和浏览器/客户端（C/S）的混合架构、流媒体控制服务器（MCU）的配置、视音频直播、VR沉浸式训练平台的接入以及强大的数字资源库的支持等为基础构建整个培训环境。可以支持单位内网上不同地域的信息连接，支持本地的视音频现场直播、微格示教、VR模拟操作、学习过的记录、多媒体教学课件的存取等功能，可实时进行现场直播实训现场的操作过程。

1.4.2 培训对象与内容

在远程输电线路带电作业技能培训提供的开放式培训环境中，培训对象可涵盖很多方面的人员，主要是系统内输电不停电检修相关岗位的在职人员、新人、管理人员、专家等。每个培训对象是实践共同体的成员之一， 在培训中可以进行交流与互动，分享知识和经验。培训内容是培训的支撑，本文根据米勒模型对输电线路带电作业的内容进行了具体划分，包括带电作业知识和理论（带电作业的基本原理、带电作业材料的机电特性、带电作业的安全技术与防护、带电作业工具的试验及使用管理、带电作业人员条件及有关要求）、应用能力（工具检查、绝缘遮蔽、更换绝缘子、安全技术等）和操作能力（四类33项目输电线路带电作业项目）。

2 培训平台设计与实现

2.1 网络总体架构

输电线路带电作业培训对象主要是本专业的职工和系统内相关人员，该类培训对同一批次受训人员集中进行，易于建立局域网，因此，公司内部采用C/S模，此模式将任务合理分配到客户端和服务器来实现，降低了系统的通信开销。信息的发布、交流、远程培训等还得依赖于外网，这就使得基于内部局域网的C/S模式无法在整个电力系统范围内使用，而基于Web服务器的B/S模式则能够方便地实现培训中心内外互联互通和数据信息共享。此外，系统还采用P2P技术，来解决网络传输和处理海量信息时的负载均衡和信息共享问题。根据上述分析，本文以公司内的局域网和公共的互联网为传输通道，以数据库技术为基础数据的技术支撑，采用以C/S为主B/S为辅的混合模式构架组建输电线路带电作业远程培训平台[5]，包括数据层，应用层和视图层，如图3所示。该架构可以提高层与层之间的独立性，便于实现数据信息的集中管理，增强系统各组件的可移植性、重用性和扩展性。

1）视图层：提供系统的一个工作界面，使用户进行登录、查询和操作。C/S模式采用C#.NET以Windows窗体的形式显示，主要提供网络平台上输电线路带电作业项目的仿真操作。B/S模式采用基于ASP.NET的浏览器方式呈现。endprint

2）应用层：进行应用逻辑处理、数据分析等工作。在C/S模式开发中，应用层在System.Data命名空间下，通过ADO.NET中主要的类，运用C#语言编写数据库管理驱动程序，为客户端提供一个与底层数据库联系的接口。在B/S模式开发中，应用了ASP.NET将HTML语言与ActiveX组件组合共同创建了Web应用程序。IE用户向应用层发送HTTP服务请求时，该程序一方面与网络变量交换信息，另一方面客户端通过浏览器执行服务器中的ASP.NET文件，ADO.NET使数据库执行SQL语句，Web服务器能快速有效的把数据呈现出来，并将执行结果返回给客户端。

3）数据层：作为系统的核心管理层，负责对数据库进行管理，完成应用层提交的查询；进行数据的更新和存储，实现同数据库服务器的通信。

2.2 系统功能构成

输电线路带电作业网络培训平台主[6]要由数据层、支撑层、应用层、表现层等四大部分组成，以数据层建设为基础，以软件技术与网络环境为支撑，以应用功能為核心进行设计和开发，如图4所示。

从系统应用功能角度划分，本文所构建的网络培训平台主要由网络基础和培训管理平台构成。

2.2.1 培训管理平台

培训管里平台作为整个系统的中枢，实现对网络培训平台各项功能和资料的控制与管理，主要包括培训管理（学员信息管理、培训内容和方式的确定、多媒体教学的控制）、考核管理、资源管理以及平台与远程网络的信息通信等功能。

2.2.2 网络基础平台

网络基础平台[7]由多媒体远程教学、VR沉浸式训练、现场操作录播等培训支撑平台组成。多媒体远程教学平台由数据服务器、直播教室、计算机等各种多媒体设备组成，实现专业知识的课程点播、案例教学、专家讲座、考核评价、信息交流、现场录播回放等功能，可以为学习者在同一时间提供多项不同的培训内容，是网络平台的主体之一。VR沉浸式训练平台采用三维虚拟现实引擎技术、多通道视频输出技术、虚拟人驱动技术、体感交互和漫游技术构建专业的交互是培训设备，实现输电线路带电作业项目的全流程交互模拟操作训练和作业环境的沉浸式体验功能。现场操作录播从多个角度实时记录作业现场的关键操作情况，实时传输至多媒体远程教学平台形成视频文件保存，为现场录播回放提供数据来源，供浏览播放、交流讨论使用。

2.3 关键技术

2.3.1 P2P技术

P2P[8-9]是Pear to Pear的简写，即“对等网络”。P2P改变Internet现在的以大型网络为中心的状态，系统中没有明确的服务器和客户机之分，每个主机既是服务器也可作为客户机，如图5所示。通过使Internet上的计算机相互平等的连接，可以让网络中的信息数量、成本资源都向互联网上各点均匀分布，客户端之间实现了数据缓存的共享，从而减少对服务器的访问，减轻了服务器的负担，降低了系统发生瓶颈的可能性。本文采有P2P技术构建输电线路带电作业网络培训平台，在网络资源利用率、消除服务器瓶颈等方面体现出明显的优势。

2.3.2 虚拟现实技术

虚拟现实技术[10]是通过三维图形仿真、多传感交互控制以及高分辨显示等技术生成逼真的虚拟环境，得到一个可以看到、听到甚至触摸到的虚拟环境，用户通过实时交互、感知和操作虚拟世界中的各种对象，可以获得身临其境的感受和体会[]。本文借助Oculus头盔显示器和Leap Motion控制器建立VR沉浸式训练硬件平台，通过头戴式眼镜显示器观察视景，实现输电线路带电作业过程的沉浸式体验；通过建立基于手势的输电线路带电作业体验交互控制方法，采用手势识别技术进行作业过程的交互控制，将学员的动作实时反映到虚拟系统中，实现工器具操作、作业点选择等关键环节的互动操作，提升操作训练的自由度和培训效果。

图6 Oculus头盔显示器和Leap Motion控制器

2.4 平台的实现和应用

本文基于以上内容进行输电线路带电作业技能网络培训平台的开发和应用，借助“多媒体远程教学、VR沉浸式训练、现场操作录播和培训管理”为一体的网络技能培训平台，实现了专业知识学习、应用能力学习、操作技能训练、交流反思评价等培训应用功能，如图7所示。该平台在某省电力公司范围内进行示范应该，通过开展以“前期准备—〉技能—〉协作反思与评价”的网络培训过程，实现了让学员达到知识和技能的深度理解和牢固掌握的双重目标。

3 结论

本文从现阶段输电线路带电作业技能培训的实际需求出发，综合利用现代教育方法、计算机网络和虚拟现实（VR）等技术的优势，探索了一种循序渐进的专业技能培训模式，设计开发了一套模块化、层次化、开放式的网络技能培训平台，为培养专业的人员的实际操作能力搭建起了理论与实践的桥梁。

（1）以米勒金字塔模型和情境认知学习理论为基础，提出了一种从“理论知识->应用能力->技能操作能力”的循序渐进的网络培训模式，为有效卡在输电线路带电作业的技能培训工作奠定了基础。

（2）综合虚拟现实技术、远程交流与协同技术、微格示教和P2P的视音频直播技术、多传感交互和高分辨显示等技术，构建了集 “多媒体远程教学、VR沉浸式训练、现场操作录播和培训管理”为一体网络平台，实现了专业知识学习、应用能力学习、操作技能训练、交流反思评价等培训应用功能，可以对输电线路带电作业专业技能人员提供了全方位的理论和实践指导。

图7 培训应用功能图

本文所建立模式和平台在满足现阶段输电线路带电作业培训需求的同时，还为培训需求的发展提供了极大的发展空间，为我国输电线路带电作业培训工作的推进进行了有益的探索。

【参考文献】

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[3]林锐.浅谈我国电力企业人力资源管理[J].中国电力教育，2008（S3）：115-116.

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[6]张炳达，张瀑.虚拟现实开发平台在变电站仿真系统中的应用[J].高电压技术， 2008，34（2）：338-341.

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[8]丁慧.基于P2P网络的视频直播系统关键技术研究[D].安徽工程大学，2010.徐远鹏.配电带电作业标准化研究[D].华北电力大学（北京）华北电力大学，2013.

[9]周剑辉，丁芳.基于网络的微格教学环境设计[J].现代教育技术，2007，17（1）：62-64.

[10]孟遂民，阴酉龙，张雪峰，等.输电线路带电作业三维仿真培训系统研究与应用[J].水电能源科学，2014（09）：183-185+177.

[责任编辑：朱丽娜]endprint