黃翔 張浩 王榮國 曹小平
1. 綜述
安全可靠是建設堅強電網的最基本要求，堅持安全第一，保證電網安全穩定運行，是建設“一強三優”現代公司的客觀要求，是關系國家電網公司可持續發展的長期任務，也是國民經濟和社會發展的保障。當前安全生產仍然面臨嚴峻的形勢，特別是電力供需形勢緊張、發用電平衡存在較大缺口，給電網的安全穩定運行帶來了嚴重威脅；在電網上仍存在薄弱環節；安全生產技術基礎仍不夠牢固、違章現象時有發生；電網運行和建設過程中外部環境有待改善；專業技術水平的培訓有待進一步加強。
面對電力生產中的嚴峻形勢，這就要求不斷完善安全生產保證體系和監督體系；不斷提高輸變電設備的管理水平和技術水平，不斷提高電力員工對電力設備的操作能力，大幅降低電力施工中的事故率；努力創建和諧的內外部環境。
而做到這一切的核心與根本在于以人為本，狠抓高素質人才隊伍建設，加強人力資源建設，實施人才強企戰略。從強化員工安全意識和提高素質出發，加強安全生產教育，強化員工安全工作意識，增強員工的安全生產技能。對電力員工結合崗位培訓，加強其對習慣性違章的認識，積極探索，大膽革新。同時引導克服盲干、蠻干的行為，增強其按安全規程工作的自覺性。要求每個員工從自己做起，嚴格執行安全生產制度，在工作中堅持嚴格認真、一絲不茍執行安全規程的好作風。
在這種背景前提下，電力系統的安全教育更加凸現其必要性了。當前電力安全教育主要采用定期集中安全活動的模式，對生產過程中涉及到的規程、規范、標準進行學習；同時在發生電力安全事故后，采用事故通報的形勢，對事故的反思學習，召開緊急會議傳達各級部門的安全講話精神，組織安全大檢查等，以避免類似事故重復發生。
通過采用以上種種傳統的教育手段，電力系統在安全教育方面取得了巨大的成果。但依然存在著一些問題。
首先傳統的電力安全教育中常存在‘重安全意識教育，輕安全技能教育’的問題。確定安全教育培訓內容時，重點大多放在安全法規的宣傳、案例分析，注重的是提高職工的安全意識，忽視了安全操作技能的培養，往往是職工安全意識增強了，但由于安全技能的匱乏，不能預知工作中存在的潛在危險，遇到危險驚慌失措，喪失了安全救護的有利時機，更談不上采取有效的預防措施；
同時，在對生產工人進行系統性、專業性的安全培訓中，存在著培訓手段單一，教育方式缺乏多樣化的問題。平時安全教育的方式多以授課、討論、理論考試為主，忽視了教育形式的多樣性，職工感覺乏味，沒有新鮮感，無法提高職工參與教育的興趣和積極性。缺乏對生產工人的吸引力，致使職工對安全知識深度掌握不夠， 導致安全教育的作用得不到全面的發揮。
傳統模式的電力安全教育中還存在一個巨大的問題：培訓成本極其高昂。雖然電力系統每年在電力安全教育方面投入大量的資金，但由于教育中涉及到的電力設施需巨大的投資，不可能將所有工作中涉及到的設備都專門購置一套用于培訓。常常造成的情況是雖然投入了大量的資金，但許多工作了數年的電力員工根本不曾有機會接觸到某些成本高昂、對生產過程極其關鍵的設備，更加談不上對這類設備的熟練使用。最終導致教育計劃、教材、教育內容得不到全面落實，因陋就簡，顧此失彼，造成了安全教育的片面性。
面對傳統電力安全教育中存在的這些問題，亟需我們能夠探索出一條能夠吸取傳統電力教育模式優點，克服其缺陷的電力教育新路子。而近年來，以網絡、虛擬現實、三維圖形技術為代表的電腦
信息科技的發展，為電力安全教育的實施提供了新思路。
電力系統近年來在IT基礎設施方面取得了巨大成就，目前電力系統信息化建設硬件環境已經基本構建完成，硬件設備數量和網絡建設狀況良好，在各個電力生產的關鍵環節已初步實施了信息化。同時也逐步健全和完善了信息化管理機制，培養和建立了一支強有力的
信息技術隊伍，為電力工業中IT技術的縱深應用構建了堅實的基礎。這也為計算機科技與電力安全教育的結合在現實層面上提供了可行性。
通過使用三維動畫及游戲開發技術，在計算機世界中模擬了電力行業日常運行操作。通過對現實世界中電力設施實物建立對應的三維模型，同時用數學模型對日常電力操作流程進行描述。在計算機中模擬現實中電力企業完整的操作維護流程，讓電力員工能夠在電腦中完整地學習日常的電力工作、操作各類電力設施，甚至能夠讓多名員工在游戲中相互配合，完成一些在現實中需要多人配合的工作，從而極大地提高了學習效果，降低了電力教育成本。
2. 相關技術
大致而言，在虛擬培訓中主要以下面一些IT技術為核心：
網絡技術是整個系統的基礎。由于在現實工作中，常常需要數名員工協同完成某項任務。而在基于交互式虛擬培訓中，則是通過網絡協同的技術，讓數名員工各自使用獨立的電腦接入服務器，共同完成某項任務，所以使用TCP協議實現網絡連接。同時，由于虛擬培訓進行的過程中，也涉及到大量視頻、圖形、3D模型、 控制
信息在服務器與客戶端間的傳輸，極易造成帶寬的阻塞，綜合使用IP組播技術（Multicast）、實時傳輸協議（RTP，Real-time Transport Protocol）、實時傳輸控制協議（RTCP，Real-time Transport Control Protocol）來優化傳輸質量，實現了游戲過程中網絡的QoS（服務質量，Quality of Services）保障。
對虛擬培訓而言，人物造型、場景設計等眾多圖形圖像元素至關重要，甚至成為系統成敗的關鍵。所以，必須以3D Max為核心建模工具對人物、場景建模。考慮到系統硬件配置的廣泛適應性，必須通過一系列三維建模的新技術來降低系統的資源耗費度：
對于場景中裝飾性環境動畫，如流水、飛云等，使用了材質變換（Texture Morpher）來降低實時渲染計算量。
對于人物建模而言，對每一個人物，制作了標準的骨骼系統（Bone System），存入二次開發骨骼庫。同時對于人物動作，使用FK（Frontal Kinematics，正向運動學）、IK（Invert Kinematics，反向運動學）系統，設定人物動作的物理學特性，制作出獨立的運動模型。
在對電力施工流程建模中，常常需要模擬雨、雪之類自然現象，同時也需要模擬觸電時火花四濺等狀況，對于這一部分，充分使用了粒子系統（Particles System）與空間扭曲（Space Warps）技術，使用對應的環境渲染模型，良好的平衡了系統資源耗費與虛擬表現力之間的需求。
模擬電力操作時，常涉及大量對物理規則的模擬。例如，在虛擬培訓中如果發生倒桿事故，整個倒桿過程應該與現實世界中完全相同，按照一定的角加速度、線加速度非勻速倒下，而不是簡單的勻速倒下。這就涉及到物理系統建模。利用三維動力學系統，主要包括動力學模塊（Dynamics）、柔體變形修改器（Flex）、反應堆系統（Reactor）等，能夠很好地模擬系統中電力工具、設備受到外力時，產生的諸如自由落體、滾動、傾斜、飄動等動作。
3. 基于交互式的培訓方式
本系統是在現有的網絡游戲軟件技術基礎上開發而成，結合電力行業的專業知識，實現一個寓教于樂、功能完備的開放性的虛擬培訓平臺。
在本系統中，針對電力生產安全教育中的每個知識點開發了相應的任務。在每個任務中，電力系統員工可以扮演一定的角色，進行相應的操作。通過完成每個任務，可以獲得相關的操作要點、需要用到的知識、相關工具的檢查與使用等方面的知識，從而牢固地掌握該任務對應知識點。
例如，在運行的倒閘操作中，電力系統員工可以扮演操作人的角色，在系統中按照標準流程對母線閘刀、接地閘刀、EQP跳閘壓板等電力設施進行實際操作。通過該任務，員工可以掌握部分運行倒閘操作的流程、操作要點，操作過程中所需各類電力設施、電力工具的使用技巧等。同時對不規范作業將導致的安全事故也獲得深刻的體驗。
本系統中所有的電力設施、電力工具必須嚴格按照實際中工具的樣式進行三維建模制作，樣式、比例與實際操作中的工具完全相同。這才能保證了電力員工在本系統學到的所有關于電力工具的知識能夠完全應用到現實工作中。
系統中所有的知識點都嚴格遵循《電力安全規程》等電力專業書籍對該知識點的描述進行開發。完全模擬現實工作中標準的安全操作規范。電力系統的員工，通過使用系統，能夠熟練掌握各項知識點的標準操作流程，讓新員工盡快地投入到工作中。同時糾正老員工在長期工作中可能存在的一些習慣性錯誤。
因為本系統采用游戲的方式，所以在趣味性、可玩性方面也十分出色。將游戲的趣味性/可玩性與相關知識點中需要格外強調的要點相結合，設置了眾多的陷阱系統，充分考核電力職工對每個知識點中所有要點的掌握程度，加深了學習印象。例如虛擬培訓系統的登桿過程，如果電力員工在登桿前忘記對安全帶進行沖擊試驗，或者在進行安全帶檢查時對試驗標簽等些細節沒有注意，則在登桿時將從電線桿上摔下，導致安全事故。
電力系統中的各類操作，有些只需要一個人即可完成（指主要操作者），而有些可能需要數名員工配合才能完成，例如運行倒閘任務就需要監護人、操作人配合才能順利完成。系統必須提供強大的網絡連線協作能力。支持多個員工在各自的機器上同時聯網參加培訓，每個員工在系統中擔任不同角色，而且這些員工需要相互配合才能完成任務。
因為本系統是基于網絡游戲模式的教育系統，而對員工學習情況的統計、學習成績的考核是教育的重中之重，所以系統必須大力加強這部分的內容。系統內置了強大的統計、考核系統。教育負責人可以對系統中所有員工的在線時間、知識點的學習范圍、知識點對應任務的完成情況等諸多
信息進行統計。
在此基礎上，可以提供更加實用的員工考核模塊。教育負責人可以組織所有人員在某個時間段內進行一次考試。考試中，所有待考員工需要在指定時間內參加并完成若干指定知識點的操作任務。完成后系統將按照預先指定的權重因子為所有員工計算成績，并統計排名、成績分布的
信息，供教育負責人全面了解員工的學習情況，調整培訓計劃。
下圖演示了整個系統的使用流程：
4. 交互式培訓必須解決的幾個問題
4.1. 與實際相符合的問題
在虛擬培訓系統中，不僅在三維模型中符合電力系統的實際情況，而且必須完全符合電力系統的各種技術措施（包括部分的組織措施）。從而引導培訓的職工，朝著更加規范的操作學習，避免不必要的誤導。
4.2.趣味性問題
針對電力系統的虛擬培訓，是借助現在流行的網絡游戲的基礎上進行研究。必須考慮到切實符合電力系統的各種操作規程的基礎上，增加其趣味性。使得電力系統的職工從要我學，變成我要學。
4.3.多人協作的問題
這是虛擬培訓當中的技術難點所在。而在電力系統中，多人的協作完成任務又是非常常見的。例如在更換閘刀的操作，需要多人協作完成，有人從事具體的更換工作，有人從事吊車的指揮工作，還需要人從事操作的監護工作。在虛擬培訓系統中，如何才能使得這些工作人員相互配合，相互協調，是實現該系統的關鍵所在。
4.4.升級機制問題
實際上升級機制就是為了提高虛擬培訓系統的趣味性的手段之一。用戶的積分來自兩個方面：有效在線時間與任務得分。如果用Score代表總積分，Ts代表時間積分，Ps代表任務積分。則可得函數：Score=Ts+Ps，其中Ts時間積分必須是有效在線時間（所謂有效在線時間是指用戶登錄至系統后，真正用于游戲的時間）；Ps任務積分規則較為簡單。系統中所有知識點對應的知識點均有相應的分值向量屬性Pfinal，該屬性以向量的模式描述了該知識點中各個角色完成游戲后將得到的分數。隨著積分的增加，培訓者等級也會有相應的提高，等級提高導致學習者能力上面的提高。
4.5.AI導師機制
系統在人工智能(AI, Artificial Intelligence的簡稱)的基礎上，為每個員工提供了一個完全智能的學習導師系統。通過該機制的使用，能夠極大地提高員工的學習效率。借鑒國際上近年來數字校園領域(Digital Campus)發展的最新成果，針對計算機教學的特殊性（能動態收集學生的所有學習情況、能動態對考生學習情況進行人工
智能分析），提出了一種全新的學習模式：AI導師機制。
AI導師系統運行機理如下圖所示：
在這種模式中，每個員工的教學內容完全不同。所有員工在使用系統的最初，首先由教育負責人制定整體性的學習策略，設定參加考核的員工范圍、知識點范圍、各個知識點的權重等人工
智能參數，系統根據這些參數自動對知識庫進行分析、篩選、排序，生成一個針對指定員工范圍的二次知識點庫。
當某員工登錄系統進行培訓時，人工
智能引擎將自動激活，調出該員工所有參與過的知識點任務完成情況、對知識點的掌握情況及以前歷次考核的考試成績等歷史
信息進行分析，根據分析結果從二次知識點庫中動態地抽取最適合該員工目前水平的知識點任務，推薦該員工以特定的角色參加到該知識點的學習中。
員工完成所推薦的學習后，人工
智能引擎將參考員工的游戲情況及歷史參數，動態的從二次知識庫中選擇下一個最合適的任務推薦給該員工（如員工連續做沒有能夠完成關于同一知識點的任務，并且該考生在以往考核中該知識點相關的任務完成情況都不好，則可判知考生對于該知識點掌握情況較差。下一次將有針對性地選擇關于這一知識點并且難度降低的任務作推薦）。如此循環往復，最終讓該培訓者完全掌握該知識點的所有內容
從以上的描述中可以看出，通過這個不斷重復的過程，始終能將參考前n個知識點的完成情況，動態的確定第n+1個推薦的任務。從而隨著該員工的學習，系統將
智能的實時生成一個獨一無二、能夠完全適合于該員工學習能力、知識水平的學習計劃。相對于傳統模式，這個學習計劃將是完全一對一、個性化的，也更能發揮出員工的真實水平。
由此可見，系統在這個過程中實際上充當了一個導師的角色，能夠及時考察員工的學習情況，動態的提出學習建議，調整學習計劃。所以稱之為AI導師。
5. 對基于交互式虛擬培訓的相關補充
在基于交互式虛擬培訓的基礎上可以加入：1、有真人演示的規范流程、標準操作宣傳片；2、用多媒體FLASH的形式將電力系統發生的典型事故案例進行仿真回放作為重點提醒；3、增加考試系統，在系統內實現文字形式的考核。最終形成一個由安全生產教育、模擬操作、效果評估構成的閉環系統，不僅可以模擬已發生事故進行警示，而且還可以通過數據統計發現以前沒有發生但將來有可能發生事故并采取相應措施加以杜絕。
作者介紹：
黃翔：1972年出生，男。浙江大學電機系電力系統及其自動化專業，本科，碩士在讀。從事縣級供電企業調度、變電、配電
自動化和科技
信息等方面的研究和管理工作。
張浩：1970年出生，男。碩士。從事電力系統安全監督與管理工作。
王榮國：1976年出生，碩士，在杭州廣域軟件有限公司從事游戲在各個生產行業中的應用研究。
曹小平：1971年出生，大學本科，在杭州廣域軟件有限公司從事游戲在各個生產行業中的應用研究。
