专英.docx
- 文档编号:10320112
- 上传时间:2023-05-25
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:309.50KB
专英.docx
《专英.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《专英.docx(12页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
专英
虚拟现实操作培训系统的设计和操作
摘要:
手工操作相关联的设备和人员的转换设备存在一定的风险,需求严格的人员指导。
此外,切换错误降低了客户服务的质量。
用虚拟现实操作培训模拟器ESOPEVR,学员可以完全安全的练习所有必要的切换操作,同时还保持良好的现实感。
一个语音识别系统允许接受培训的操作员会话的完全控制,而声音的浸入,给虚拟世界增加很多真实。
专家系统可以检验学员在这个过程中的所有阶段,并且当每次发生错误时能提供相关的建议。
当操作员操作导致扩扑结构的变化时,稳态功率流模拟器将重新计算网络变量。
自动转换站单行图的现实三维模型使操作员可以在大量的站里得到了经济性的培训。
一、引言
对于当今的电力公司来说,员工训练是一个不容忽视的活动,为了培养有能力的员工,需要做定期的培训。
尽管人员和设备安全问题很重要,但培训目标是确保对公共事业的消费者高质量和不间断服务。
因此重要的是所有开关操作都正确执行,没有错误。
正如Overbyeetal(文献1)所指出的,自1980年代初以来,基于计算机的培训系统对于运营商和操作员来说都取得了稳步的进展。
这项技术发展进化到现在,面向对象技术经常用于构建图形用户界面,在电力系统培训中应用,正如文献2中阐述。
从硬件的角度来看,先进实用程序模拟器为运营商和程序员提供工程工作平台(3.4.5)。
然而,低成本、广泛的可用性,用户友好性和性能先进的MS-DOS和Windowsm平台已经引起了电力系统培训组织的高度重视,这由训练模拟器在电力系统操作,对称成分分析和可靠性分析几乎不被人了解可以证明。
尽管这些模拟器已被证明是有用的在不需要训练者变换身体位置的地方,电力系统站操作者适当的训练要求在一个现实环境中,这在二维的接口是很难实现的。
典型变电站的操作者经常被要求变换位置:
一个人被迫从控制室去调车场,然后返回控制室并验证各种电器数量和执行许多类型的设备操作。
通常,操作人员必须意识到很多不同的装置设计,但是有相同的功能,如散装油断路器作为反对压气式断路器,认识到每种类型随电压的变化而变化。
根据变电站的设计和上下文相关的操作程序,手动执行切换操作即可以在控制室内完成,又可以在设备本身旁边完成。
例如,当控制室内部发起安全切换操作时,通常模拟屏显示变电站单行的图和大量的工具可用于重复核查站的状态,这保证了任何切换操作的仔细规划。
如果从控制室内部无法控制一个特定的设备,或者特定的设备不能为当时的切换操作控制特定的上下文调用,操作者被迫在含有最多的一个单行模式映射图的调试场里找到特定的设备:
这无疑是困难的,并且容易出错。
一个重要的推论是,操作者在任何一个操作步骤都必须履行他们的责任,并且不能操作坏的设备,例如断路器。
简而言之,电力系统运营商经常面临挑战的情况有以下三种,a)他们的记忆b)他们将理论转化为实践的能力和c)他们应对压力的能力。
尽管其他人已经尝试用传统的接口来解决这这样的问题,应用在调度员培训模拟器的情况下(2,3),本文演示了一个虚拟现实(VR)的可行性操作员培训系统,试图解决这些在变电站站运营环境中的复杂的问题。
虚拟现实模拟器已经开始出现在各个领域,如科学数据可视化(8),医学(9)和机器人应用程序(10)。
最著名的虚拟现实模拟器当然是商业飞行模拟器(11)。
尽管发表结果关于虚拟现实训练技术的效率罕见,与传统的方法相比,现有的商业经济和效率的实现提供了令人信服的证据和方法(12,17)。
本文描述的是ESOPE虚拟现实的操作和设计,ESOPE软件包基于下一代虚拟现实的原型目前被用于火车运营商在魁北克水力发电公司(ESOPE专家系统操作规划环境)。
基于专家系统的虚拟现实技术原型的操作者在一个虚拟的世界里,在这个虚拟的世界里,他或者她可以对站里的设备进行导航和交互,就好像他或她在现实里一样。
学员可以完整的安全的实践所有重要的切换操作,同时保持一种高度的现实性。
语音识别系统许训练会话的操作学员的完全控制,并且以书面日志形式提供所有的操作动作,然而声音的浸入增加了虚拟世界的现实性。
现有的专家系统操作规划环境软件运行在系统中作为一个单独的模块并且用于验证学员的操作,当网络扩扑结构发生改变时,系统将重新计算状态变量,当发生操作错误时,系统会结合上下联系提供语言提示建议。
专家系统的虚拟现实技术的一个特别的独一无二的特点是从单行图通一个自动化的转换过程生成三维模型,这允许操作者可以在大量的变电站环境中接受经济性的训练。
二、基于专家系统操作规划环境的虚拟现实技术的概述
A.基于专家系统操作规划环境操作员培训系统
专家系统操作规划环境模拟器(也称商业运营商)基于变电站单行图的概念提供一个操作者培训环境。
最初是由魁北克水力发电公司内部发展的,专家系统操作规划环境运行在Windows下,并且现在用于训练在魁北克水力发电局工作的转换站人员。
图1显示了一个典型的专家系统操作规划环境界面视图。
为了用专家系统操作规划环境执行切换操作,学员使用鼠标点击显示在屏幕上的目标站设备的符号。
学员可以通过点击调用的弹出框来修改设备的电特性。
学员的假设在现实世界中的位置可以改变到另一个地方,在站里控制室,调车场或在远程位置:
这通过改变光标的象征反应出来。
图1一个典型的专家系统操作规划环境界面视图
专家系统操作规划环境集成了一个基于知识的专家系统,给试图执行切换操作的学员做决策,同时生成所有操作的运行日志,以备将来参考。
这个以知识为基础的系统包含了监督学员操作的规则和把错误信息以文本的形式给用户提供反馈:
当标准操作程序被违反时,这些将显示在窗口中。
规则可以用一个内部规则编辑器定制适合于英语程序的特定操作程序。
任何单行图可以在专家系统操作规划环境中输入,使用自己的单行图的编辑器或自动CAD。
当操作员的操作改变拓扑机构时,用户可以选择牛顿的快速解耦或者高斯赛德尔的功率流算法重新计算网络的变量。
也支持三相短路计算。
B.基于专家系统操作规划环境的虚拟现实技术
基于专家系统的虚拟现实技术的目的是基于专家系统的优势为变电站操作者提供一个训练环境,并且提供了一定程度的现实性,为现实中的实际工作做好充足的准备。
通过提供一个多感官(即视觉、语言、听觉和触觉)的训练经验,通过人机交互使得训练尽可能的和现实自然中一样,学习过程的有效性也会大大增加。
基于专家系统操作规划环境的虚拟现实技术的原型包括变电站设备的三维(3D)视觉效果,例如变压器,隔离开关,断路器等,将这些显示在一个标准的布局中,以及在现实的控制室进行必要的控制面板,包括交换机和测量表。
操作学员可以在这个环境中导航,并且执行他或她预计将完成的任务,同时防止危险的接触任何设备(即如果发生错误)以及保护设备和网络的完整性。
虚拟世界为了使得模拟更真实,其增强功能包括行动的声音和变压器的嗡嗡声,而语音识别接口提供了一个与计算机交互的方式,这样可以不适用手,以便使用者可以更专注于培训过程。
多媒体帮助模式在培训过程中可以随时使用。
三、基于专家系统的虚拟现实技术的设计
A.网络体系结构
建立一个虚拟现实系统,目前的首要条件是获得相当大的处理能力。
克服一个功能强大的计算机的高成本问题的一种方法是通过网络同时运行多个进程。
在基于专家系统的虚拟现实技术原型的情况下,三维可视化仿真分别在一个工作平台运行,而另一个平台支持听觉输入,口头相应,多媒体和帮助功能。
两个额外的电脑被使用,一个用来支持语音命令,另一个用来运行现有的专家系统操作规划环境模拟器所有进程。
通过来回发送信息的方式在以太网连接的电脑之间相互通信。
这样的通信方式大大促进了系统的测试和调试,因为信息很容易被人理解,正如图2所示的基于专家系统的虚拟现实技术的网络体系结构。
模块化的实现通过将进程分块有助于简化修改,这可能在将来能够实现。
图2基于专家系统的虚拟现实技术的网络体系结构
B.语音输入
与基于专家系统的虚拟现实技术交流的主要手段是通过语音指令。
语音互动式很重要的,因为它允许使用者在不适用自己的双手的情况下去执行他或她将要被训练的任务。
例如如果操作者在虚拟环境中用鼠标来导航,敲击键盘是不切实际的,例如确定下一步的行动。
因此语音输入有三个主要目的:
1)它使得操作者的每个操作生成日志,2)它可以用来执行所有必要的倒闸操作(也可以手动完成),和操作员培训可以通过语音命令访问各种帮助和多媒体工具。
因此使用四种类别的语音信息:
i)操作,ii)导航,iii)系统,和iv)多媒体。
每个类别的命令用于控制模拟的某些方面。
图3显示了这些类别和典型语音信息的结构。
操作类的指令是关于训练场景的,例如“断开断路器700-2”,“关闭断开2B14”,“确认断路器120-4是断开的,”等等。
图3类别和典型语音信息的结构
在导航类别里,用户可以通过说“前进”或者“后退”来改变运动的方向,或者从一个地方迅速的移动到另一个地方通过一个类似于“带我去变压器T2”的指令。
注意,这个指令是虚拟世界里专有的:
能做任何现实世界中不可能实现的事。
这样的命令对于提高仿真的速度,例如可以避免“走”很长一段距离的需要浪费的时间。
在“系统”类别中,命令可以有效的控制视觉模拟效果,例如“线框渲染,”“平坦的阴影”,“重置”或“退出”。
这样的命令主要是有用的开发人员,而通常不是被学员使用在实习培训环境中。
最后,在“多媒体”类别中,语音指令可以用于控制各种多媒体帮助功能并对其进一步描述。
由于接口通信在法国魁北克电力局的重要性,应用了一个基于电脑的依靠叙述者的语音连接识别系统(13)。
如果英语成为所需的语言,那么一个独立于叙述者的系统可以很容易的获得并且更加方便使用。
然而,由于在应用程序中有限的技术词汇被要求,训练时间的不合理和依靠英语叙述的系统学习理解所需的法语词汇。
C.可视化仿真
在任何虚拟现实的应用程序中,通常可视化仿真对计算机能力方面要求最苛刻。
对于基于专家系统的虚拟现实技术硅谷图形公司(SGI)R4000靛蓝工作站结合使用120赫兹监控,为用户提供一个“面向世界的窗口”。
这个工作站有一个100MHzR4000处理器和64MB的RAM。
120%监视器用于当前每秒60对图片给左边和右边的眼睛,从而为观察者提供无闪烁的图像。
液晶显示器(LCD)快门眼镜使培训的操作员看到一个高分辨率的立体图像。
戴这样的眼镜,用户的左眼是模糊的,而右眼的图像被显示在屏幕上,反之亦然。
因为图片的切换速度不够快,用户的大脑被欺骗看到了一个有深度的3D视图,而不是一个平面。
眼镜的优势超过了“身临其境”的视觉系统,例如头盔显示器,他们允许使用者查看周围的其他东西,比如一个相邻的电脑显示器。
立体计算机图形学的详细描述可以在文献(14)中找到。
为了减少开发时间,虚拟站的视觉呈现和动画是通过使用一个许多商业上可用的虚拟现实编程环境(15、17)。
在虚拟世界中许多类型的用户交互模拟,如站内导航、碰撞和操纵的对象,和动画,如打开或关闭隔离开关。
为了确保培训系统的实时性能,视觉呈现的复杂性动态管理。
这意味着,与近处的物体相比,远处的物体用较少的细节显示,(即使用较少的由“单位”图形模型组成的多边形,类似于使用有限个三角形网格计算),因此当显示许多物体时,系统允许模拟的正常运行。
例如,一个精致的模型最初设计是由15k个多边形组成,然而后来降低了细节的级别改进模型,使得模型在任何给定的时间保持大约由2k个多边形组成,结果使得每秒更新帧数上涨四倍。
D.电气模拟
基于专家系统的虚拟现实技术电气参数的模拟式通过专家系统操作规划环境的稳态功率流模拟器实现的。
任何网络拓扑的变化传递给这个模拟器,然后更新电压、电流和功率和转移在虚拟控制室显示的适当的仪器设备。
虽然目前移植到UNIX工作平台,专家系统操作规划环境现在运行在Windows平台下需要通过计算机连接到其他系统的以太网上。
E.用专家系统操作规划环境验证切换操作
如果模拟器用于培训,那么任何切换操作在基于专家系统的虚拟现实技术中实现都需要进行验证。
在这种情况下,验证也是通过专家系统操作规划环境实现。
例如,如果培训的学员试图打开隔离开关,基于专家系统的虚拟现实界面过程管理器(图2)将发送一条适当的消息给专家系统操作规划环境请求批准该操作。
如果专家系统操作规划环境允许用户可以执行该操作,专家系统的虚拟现实模拟器显示相关的虚拟世界的变化。
然而,如果该操作不能在这一点上执行(例如如果相应电路的断路器没有断开),专家系统操作规划环境将发送一条信息给视觉模拟器进程禁止该操作的执行,同时将错误信息和适当的解释以语音的形式提供给使用者。
这一系列事件意味着学员培训仅是首选的工作实践。
例如当变压器的磁化电流流过隔离开关时,一个初学者可能不会打开隔离开关,尽管这在许多情况下可能是合理的操作程序。
图4显示了这个特殊操作的信息流动。
图4特殊操作的信息流动。
F.多媒体
拥有一台功能强大的计算机设备的优点之一是显示大量数字化图片和视频序列的能力。
基于专家系统的虚拟现实技术中这两种形式的输出用于给接受训练的用户提供设备的现实图像。
例如在模拟的任何时候,学员可以口头请求,如“给我显示一张X类型的断路器的图片”,这将使得存储的断路器的图片在相邻的R300监视器上显示。
用户还可以问“给我一个视频打开的开关类型Y”而且他将会显示一个简短的视频序列,并且可以进一步控制语音指令如“转发”,“反向”,“慢运动”等等。
数字化图片和视频序列的显示作为一种教育经历的强化是有必要的,因为它展示了一个实际设备的演示视频,而不是一个3D图形模型。
希望在不就的将来,模型的准确性和可用的计算能力可以做这样的工具。
图5显示了一个视频帧(A)和数字化照片(B)的示例。
图5一个视频帧(A)和数字化照片(B)的示例。
G.交互式帮助
在训练的任何时候,用户都可以要求模拟器给出下一步做什么的建议。
例如,他可以说“帮助打开断路器”,或者“帮助操作指令”。
在这两种情况下,结合上下文的帮助通过数字化语音信息的方式提供给用户。
H.听觉浸入
在任何模拟过程中,可以通过视觉线索的方式传递很多信息。
而听觉也是“虚拟”体验的一个重要维度。
在专家系统的虚拟现实中,运行在硅谷制图R3000工作站的背景声音服务器提供了必要的“氛围”。
两个音频频道提供变压器的背景嗡嗡声,在虚拟世界中用户每个距离的改变都是从两个声源模型变化的。
声强是一个平方反比定律。
另一组两个渠道可以产生“行动的声音”从点击爆炸的压气式断路器的按钮使其断开。
这些所有的声音都是预制的,数字化文件可以被随意的操纵。
通过3D音频定位技术给用户提供一个更真实的听觉“影像”是可取的。
这些超越四声道立体声的设备提供音频信号,使得听者可以在空间上准确定位。
这样一个商用系统对相应过滤器的音频信号进行实时卷积并传递给听者耳朵的测量头转移函数(16)。
四、单行图到三维模型的自动转换
在实现虚拟现实的课题中,一个重要的发展成果是单行图转换站到3D站表示的自动转换的模型的构建。
如果在虚拟的时间里构建一个现实中的站需要很多元素。
这些范围从断路器到隔离开关,从变压器到应变和管状总线。
一个真实的控制室需要模仿的有处理的面板,按钮和表。
虚拟现实控制室对应于一个手动准备的特殊的单行图,用于商用的3D塑造者。
然后这个塑造者的输出直接读入可视化仿真方案。
在控制室,有两种类型的对象:
动态对象(如可以被用户操纵或在表的情况下模拟的按钮和手柄),和静态对象(如在模拟过程中的面板或墙壁不需要改变)。
图6显示了一个虚拟的控制室。
图6一个虚拟的控制室
调车场的模型是有区别的,转换过程实现当前的工具设计和建设实践,并且转换过程分为三个不同的步骤:
1)最初,专家系统的虚拟现实通过以太网和专家系统操作规划环境(运行在一个单独的电脑)进行通信,所需的车站单线图的存储位置,收集信息关于网络的拓扑结构,如在变电站中每个电压水平的线和母线连接的数量,由单线图和通用设计(即环形总线,双母线断路器等)比较,预期存在设备的验证和设备列表的创建。
如开关状态参数(即开或关),电压和功率都要从专家系统操作规划环境中提取。
2)知道线的数量和站的配置,确定总线和支撑结构的位置和取向。
在这个阶段推导出的锚点用于三相断路器,隔离开关,变压器等。
计算这些组件的空间坐标和配置设备的列表。
创建一系列程序是为了监督虚拟3D构建过程,以确保关于距离和布局指南是准确的。
3)根据设备中的空间信息列表,把各装置的三维模型从先前准备的装备库中装入虚拟世界中。
移动部分的位置(如隔离开关的臂)是根据从专家系统的虚拟现实中读取的初始化信息之前的状态决定的。
生成所有必要的母线(即应变或管状)连接各种站的网络组件,以及电源线连接站并传输给外界。
3D模型的详细级别管理特性包含在最后一步。
本质上,这提供了同种装置的三种不同模型的视觉模拟:
根据受训者在虚拟世界中观察到的特定对象的距离显示每个装置。
例如当从一个遥远的距离观察变电站的一部分,会看到大量的设备,并且每个个体设备被简单的表示。
当用户接近该站的特定部分,因为越来越需要被显示,每个装置更详细的表示被装入视觉模拟。
这个特点通过保持大致不变的多边形数量,大大的提高了视觉显示的效果,从而达到了达到了本质上的实时性能。
从单线图到3D模型转换器是一个非常有价值的工具,因为它允许任何数目的站的转化,给训练环境增加了相当大的灵活性。
然而,现有的转换软件是一个原型,这还没有解决所有的站的建设问题。
例如,根据一组约束,如物理尺寸来设计3D模型,都没有解决。
也没有处理试图产生现有站时通常出现的许多异常问题。
然而,尽管本转换器原型支持的站设计的有限数量,但基本的原则已经确立。
图7显示了由自动转换过程中产生的一种典型的735-120KV变压器开关场的视图。
图7一种典型的735-120KV变压器开关场的视图。
五、结论
该基于专家系统的虚拟现实技术原型是一项开拓性的尝试,里面提供了电力系统运营学员在那里执行所有必需切换操作安全,同时保持现实主义的高度身临其境感觉的训练环境。
一个动态的3D可视化界面的成功整合,开关站设备,语音识别,口头反馈的听觉浸入,并在实时分布式客户端-服务器体系结构的决策支持系统的动画显示,这样的系统可以使用现有的,现成的技术来实现。
此外,基于专家系统的虚拟现实技术演示了站的单线图自动转化为全3D模型,在训练中打开新的视点,并最终在站中检验设计的可行性。
事实上,这样的转换机构允许操作受训者尝试几个位点,并进行大量的各种训练场景,而实际上是坐在同一个工作站前面。
由于持续的工作,我们正在研究使用完全身临其境的头戴式显示器,以及手套接口。
这些技术有望增强虚拟现实体验的真实感。
自动生成3D模型站也正在扩大到包括创建控制室,它目前是不支持的。
最后,远程培训多个运营商在一些复杂的任务中,共同的背景和提供意外事件的发生,同时进行一堂训练课是目前正在探索的问题。
六、致谢
作者要感谢魁北克电力局路易侯爵先生的观点和支持。
还要感谢专家系统操作规划环境团队:
L.吉布森,Y.格威,P.萨维奇和P.-J.特伦布莱。
最后作者非常感谢INTERFACE(接口)项目,NSERC和FCAR的资金支持。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 专英