虚拟现实环境下体验式电力实训交互模型研究及其应用

邵剑 刘伟 戴威 赵新冬 唐锦 卢茜

摘 要 电力培训开展迫切需要借助沉浸式虚拟现实仿真技术手段，实训交互模型设计是决定虚拟现实仿真实训系统实效性的关键环节。本文将以用户体验为核心的技术理念融入系统实训交互流程建模设计，基于沉浸理论开展用户学习体验设计，开展电力实训系统交互流程的总体逻辑设计，并以任务流程设计、模型数据管理和交互流程控制为重点，完成系统交互流程设计建模，分别提出具体技术实现方法。提出的实训交互流程设计建模方法已实际应用于某省级电网公司的特高压虚拟实训系统，并取得良好应用实效，验证了提出方法的合理有效性。

关键词 沉浸理论；用户体验；虚拟现实；电力实训；交互流程

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）210-0137-04

受安全风险约束限制，电力培训难以贴近现场实际开展，基于计算机仿真培训技术[1]研究应用电力实训系统能起到重要作用。近年来，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技術[2]发展势头迅猛，能为用户提供身临其境的沉浸感和更加贴近现实的交互体验，对电力培训具有良好适用性，研究基于虚拟现实的电力实训系统具有重要理论价值和广阔应用前景。

仿真培训需要实现系统与用户之间的良好准确交互，才能保证培训演练流程有效开展，交互流程设计始终是计算机仿真技术研究中面临的关键问题。随着移动互联网信息时代到来，交互流程建模设计侧重于以用户体验为中心[3-4]。然而，电力仿真培训作为电气工程领域的一个重要分支，以用户为核心的实训交互建模存在滞后不足，大多研究应用侧重于仿真技术支持，却无法实现与用户体验和学习认知规律的有机融合。以用户体验为根本出发点，开展电力仿真培训系统交互建模设计，有助于提升实训仿真系统的培训效果，尤其适用于虚拟现实技术应用。

基于以上背景现状，本文在沉浸式虚拟现实技术背景下，借鉴教育学和心理学的沉浸理论成果，从用户体验设计为基本出发点，对特高压变电站虚拟实训系统交互流程进行优化设计建模，使之反映生产系统运行规律、工作环境和流程，实现对系统交互流程的有效控制，保证特高压虚拟实训系统的真实性和有效性。本文提出模型技术方法已应用于某省级电网公司的特高压虚拟实训系统，并发挥了良好实际效果，验证了本文方法的可行性和有效性。

1 基于沉浸理论的学习体验模型

沉浸理论（Flow Theory）用于解释当人们完全投入情境中，集中注意力，并且过滤掉所有不相关的知觉，进入一种沉浸的状态。本文构建的电力虚拟实训系统需要让学习者在虚拟环境中更好保持沉浸学习状态，重点在于实现学习者在挑战任务与自身能力之间的匹配。

本文以用户学习体验为出发点分析设计实训系统交互流程，设计构建沉浸式虚拟现实环境下的学习体验模型如图1所示，具体要素分为感官体验、交互体验、行为体验和情感体验4类。除了情感体验与用户主观情感有关，感官体验是指用户对虚拟现实环境的直接体验，行为体验是指用户利用系统开展某项具体功能任务的评价反应，交互体验是指用户与系统交互流程中的操作体会，三者与实训系统的三维数据信息、任务逻辑流程和感知反馈控制等关键环节直接相关，系统交互流程设计需要重点处理这些关键环节，以提供给用户良好的学习交互体验。

2 体验式实训交互流程总体模型设计

沉浸式虚拟实训系统本质是一个三维数据信息环境，本文从用户体验出发将实训交互流程可以概括为：用户学习者作为核心角色，对虚拟环境进行感知判断，获得逼近真实的感官体验；能够开展实际活动交互，并从虚拟系统获取准确反馈，获得良好的行为体验和交互体验；同时，系统应该能根据交互流程情况动态调整实训，让用户学习者实现挑战任务与自身能力之间匹配，最终进入沉浸状态，获得最佳学习效果。

基于以上过程分析，本文将虚拟现实环境下的特高压实训过程为数据支撑层、任务驱动层和过程控制层3个层级：数据支撑层需要实现对大量虚拟现实电力设备模型实现有效组织理，为用户快速准确加载场景，提供更具有真实性和完整性的虚拟现实环境；任务驱动层提供系统交互流程的逻辑流程，把各项电力实训作业步骤和相应电气设备状态变化，通过一系列操作逻辑函数进行描述；过程控制层实现系统交互流程的友好控制，要对用户学习信息进行捕获及分析，并进行任务动态调整和信息辅助指引。因此，本文以任务驱动管理模块、模型数据管理模块和交互流程控制模块为核心，建立电力实训系统交互流程模型如图2所示。

系统启动后首先对各类数据信息进行初始化，并根据用户输入信息进行角色定义和实训任务选择。利用任务驱动管理模块，系统对实训任务进行流程分解，形成相互独立的实训流程单元；流程单元加载后，通过模型数据管理模块，动态加载电力场景模型资源；数据信息输出给用户后，用户完成各个实训流程单元；同时系统通过交互流程数据分析，判断用户能力水平是否匹配当前任务难度，若不匹配，则动态调整流程单元，避免降低用户学习体验；按此流程，系统启动后续流程单元，直到实训任务全部完成。

3 电力虚拟实训的体验式交互流程实现

3.1 任务驱动管理模块实现方法

电力实际作业具有严格的流程规范要求，因此可以将各特高压实训任务分解为若干个独立且不可中断的流程单元，每个流程单元代表针对某一电力设备完成的一项实训步骤，是实训操作流程描述的最小单元。流程单元F需要定义实训操作的信息描述，包括所有设备状态信息和操作响应关系，它的数据模型用有限状态机表示，如下式：

2）状态数据处理。首先，针对数据序列的最大值、平均值、方差值等特征数据进行计算。同时，由于影响实训交互流程的因素众多，每个特征参数对实训交互状态的表征存在不确定性，为此采用模糊隶属度函数，处理用户交互流程中不确定的、模糊的状态数据。

3）专家系统规则。基于第i个流程单元采集处理后的状态数据进行推理判断，当状态数据超过规定阈值范围，表示实训交互流程偏大或偏小，则调整第i+1个流程单元流程单元的难度层级标识变量η，用来根据动态调整实训流程单元。同时，阈值根据在专家经验设定基础上，根据动态数据库的历史交互数据平均值调整，提升阈值設定的准确性。

4 特高压电力虚拟实训系统应用

本文针对某省级电网公司的特高压变电站工程实际，应用前文提出的系统交互模型设计方法和关键实现技术，基于Htc vive虚拟现实硬件系统和Untiy3D三维引擎，开发设计特高压变电站虚拟实训系统，系统主界面如图3所示。

系统采用层次化数据模型动态数据处理技术进行场景建模开发，图3所示模型是由关键特征数据层模型构成的场景图，图4（a）是典型全面信息数据层模型，对特高压主变设备的设备结构进行了完整信息建模，图4（b）则是典型精细完善数据层模型，对GIS开关设备的内部结构进行了精细化建模。

用户利用本系统可开展特高压变电站相关实训演练操作，获得360°沉浸式学习体验，并开展各类实际交互操作，包括设备运行巡视、关键设备检修、带电检测等功能，如图5所示。

为进一步应用系统效果，本文将提出虚拟实训系统与传统桌面式变电仿真系统进行了对比，针对100名用户的体验反馈情况进行统计分析，其中每位用户体验反馈结果基于本文提出的用户体验模型，采用调查问卷的方式得到，最终统计得到雷达分析图，如图6所示。

相比于传统桌面式仿真系统，基于本文方法开发的特高压虚拟实训系统，可以为用户提供更好的学习体验，尤其在虚拟环境的感官体验和用户情感体验上有了明显提升，这也验证本文提出交互流程建模设计方法的有效合理性。

5 结论

本文在沉浸式虚拟现实技术背景下，提出了以用户学习体验为基础的交互流程设计建模方法，并实现了实际系统应用。

本文重点完成了体验式交互流程的逻辑流程设计，并以任务流程设计、模型数据管理和交互流程控制为重点，提出系统交互流程控制的技术实现方法，为用户学员提供体验式学习交互。某省级电网公司的特高压虚拟实训系统投入应用后，应用效果良好，为特高压人员专业技能水平提升提供有利条件。

参考文献

[1]刘瑞叶.计算机仿真技术基础（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2]中国电子技术标准化研究院：虚拟现实产业发展白皮书[R]，2016.

[3]陈媛嫄.基于活动的情境感知模型与情境感知交互设计[D].大连：大连海事大学，2013.

[4]侯文君，吕菲，高歌.三维虚拟环境中用户交互行为及用户体验研究[J].机电产品开发与创新，2007，20（3）：86-88.

[5]李鹏，范三龙.基于分层推理架构的牵引变电站智能报警专家系统设计[J].电力工程技术，2015，34（5）：1-3.