培训管理虚拟化（共9篇）
培训管理虚拟化 篇1
摘要：本文以人力资源管理虚拟化趋势切入, 分析延安市中小企业在培训管理方面虚拟化的一定需求, 对延安市中小企业培训管理虚拟化提出几点建议, 以期对延安中小企业培训管理的更加成熟有所帮助。
关键词：培训管理虚拟化,延安中小企业,对策
1 概述
进入21世纪以来, 企业的管理职能已逐渐由对产品的关注向对人的关注进行了过渡转移, 作为知识资本的重要载体——人才资源已越来越受到业界的肯定与重视。而随着信息化的全球性扩张, 人力资源管理也出现了新的趋势, 即人力资源管理虚拟化。笔者在对相关文献的阅读与整理中发现, 人力资源管理虚拟化在通常意义上包含有两层含义, 其一为企业为了保持其核心竞争力, 会通过委托外部专业机构或组织的方式对其核心以外的管理子职能进行专业化的服务, 也就是我们一般所说的管理外包服务;另一层含义是在信息技术日益更新的基础上提出的, 它是指企业为了快速响应市场需求和降低人力资源管理经济资本, 通过运用计算机技术和互联网技术来实现对企业管理职能的虚拟化管理。这种管理方式打破了传统的空间概念, 同时它几乎可以涉及到人力资源管理的各方各面, 包括招聘虚拟化、培训虚拟化、薪酬虚拟化、员工虚拟化等等。其中, 培训管理职能由于其成本较高等原因, 很多中小企业的管理者会更加青睐于采取培训外包服务或网络化培训这种降低成本的人员培训方式, 即培训管理虚拟化。
2 延安市中小企业培训虚拟化的需求研究
中小企业是与所处行业的大企业相比人员规模、资产规模与经营规模都比较小的经济单位。中小企业在经济社会的发展中具有极其重要的地位和作用, 是国民经济发展的一个重要生长点。在我国, 中小企业的发展虽然起步较晚, 但其发展速度非常快, 在改革开放特别是党的十五大以来, 它在我国国民经济中的作用与地位已日显重要, 在我国的经济发展中承担起了半壁江山的重要任务, 已逐步发展成为我国经济的主体。延安市位于陕北南半部, 有着丰富的红色旅游资源, 近年来又因发现了大量的煤炭、石油、天然气等矿产能源, 使得它的经济迅速崛起, 为陕西省的经济发展做出了巨大贡献, 同时也为本地中小企业的发展提供了一个良好的生长环境, 吸引了大量的资金投入与人才输入, 相对于延长石油等大型国有企业来说, 90%以上的企业都可以划分入延安中小企业的范畴内。随着延安市近年来招商引资力度的进一步加大和民营经济的迅猛发展, 中小企业犹如雨后春笋般不断涌现。但同样, 与中国大多数中小企业一样, 延安中小企业在发展过程中存在的一些不足也使它们在人员培训方面有了新的需求——培训管理虚拟化。
2.1 从培训成本的角度
利益最大化始终是企业发展的终极目标, 中小企业本身所具有的资金及社会资源的不足要求它在各方面都对成本的支出做精打细算。人员培训作为企业中员工成长与学习的最直接模块, 一直以来都受到企业管理者与员工自身的重视, 然而高成本的多样化培训方式与培训场地等又使得许多中小企业管理者望而却步。现代信息技术的迅速发展为中小企业的培训管理提供了多种便利、低成本的培训条件, 如专业培训服务机构、网络培训资源、多媒体教学设备等虚拟化的培训管理模式, 对于延安市中小企业来讲, 都将是打开企业培训视野、降低企业人员培训成本的不二之选, 这一培训管理方式也将成为未来中小企业人员培训管理的一个新趋势。
2.2 从企业竞争力的角度
相对于大型企业及国有企业等来讲, 中小企业的优势非常微小, 能支撑中小企业不断做大做强的唯一法宝无外乎企业的核心业务所带给企业的核心竞争力了。从这一方面来看, 中小企业为保证其核心业务不受一些边缘业务的拖累, 完全可以将这些边缘业务甩给专业的外部组织为其服务, 一方面可以降低企业在这些方面的成本费用, 提高管理的专业化水平与效率, 而更重要的一方面则是使中小企业能够将时间与精力集中于公司的核心业务领域, 牢牢抓住企业的拳头业务, 在激烈的市场竞争中博得一席之地, 并不断提升企业的核心竞争力。
2.3 从培训专业化及效率的角度
笔者在对延安市中小企业163位员工所做的一份工作满意度调查问卷中发现, 延安市中小企业员工对于培训方面的满意度水平并不高, 其中明确表示对其所接受的培训内容感到满意的人员仅占到总调查人数的32%, 不足三分之一。而在同部分员工的访谈中有员工指出, 公司自身所做的培训大部分仅仅是为了培训而培训, 专业性非常低, 培训内容也较为枯燥, 一般均为授课式的培训, 这使得员工在接受培训时兴趣度不高, 培训的效率自然低下。回到成本的角度来看, 虽然企业为其人员培训付出了资金、时间及人员的代价, 但这种投入与产出的比率却并非是管理者所期望的结果。因此, 无论是从培训的专业化角度还是从培训的高效率角度出发, 延安市中小企业在进行培训管理时均可考虑虚拟化的培训管理方式, 以此来提高企业有限资源的有效利用。
3 培训管理虚拟化的实施
3.1 科学分析培训管理虚拟化的需求
培训管理业务的虚实分析工作是企业实行虚拟化培训管理的首要前提。延安市中小企业应根据自身的经营战略目标, 从经济成本和资源利用率的角度出发, 在虚拟人力资源管理活动系统中, 识别和区分出核心性人力资源管理活动, 认定出是否需要将企业的培训职能做虚拟化的管理、如何实施虚拟化培训管理、以及采取何种虚拟化管理方式来进行人员培训活动。
3.2 培训职能专业外包
从培训专业化的角度考虑, 延安市中小企业可以通过将培训职能整体外包的方式来实现培训虚拟化, 这也是中小企业实施培训管理虚拟化的主要方式。在培训外包前应确保所委托的培训机构具备良好的软硬件条件和资信程度。除了委托社会专业培训机构外, 延安中小企业还可以考虑委托延安大学相关领域资深教授、老师来为其企业做调查分析与培训指导。
在培训规划阶段, 由培训机构选派培训需求分析专家深入企业, 帮助企业确定需要培训的内容, 向企业主管领导提出建议并提供咨询。委托方和被委托方共同讨论拟出培训计划, 并以商业运作方式洽谈培训事宜。在培训实施阶段, 企业可根据培训规模大小及重要程度派出专职或兼职督查员, 与培训机构对培训实施过程中相关事宜作了解沟通。在培训评估阶段, 若是中期小规模的评估, 通常只由培训机构按已制订的评估制度进行。若是规模较大投入较多的最终培训效果评估, 可聘请第三方 (如专业评估机构) 进行评估, 也可以是企业、培训机构和专业评估机构共同组成评估小组予以评估。
3.3 多媒体、网络化培训
网络化培训以其高效、便捷、门类齐全等特点逐渐为众多企业所认同, 网络培训提供商服务质量的不断提高更加促进这种虚拟培训组织形式在企业中得以应用。通过网络化培训, 学员可以随时收视讲义及参考资料、模拟操作、在线交流, 培训结束时, 还可以进行在线考试。网络化培训的主要优势首先在于其庞大的课程系统能够满足多种行业、多个层面的不同需要;其次, 多媒体通讯手段的应用能够使学员随时与培训机构的专家进行对话和交流, 特别是跨地区、跨国联网还能够极大地扩大学员获取知识的广度和深度。因此, 从经济化和知识全面化的角度考虑, 延安中小企业可以采取网络化培训的方式对员工进行虚拟化培训管理。
3.4 员工的自我开发培训
除了上述的虚拟化培训方式外, 延安市中小企业管理者还可以通过采取对员工在绩效、薪酬等方面的激励措施来促进员工的自我学习和自我提升意识, 使他们为了得到企业的工作肯定、荣誉嘉奖、经济奖励而不断地追求自我学习、自我提升, 这不仅使中小企业可以对员工进行几乎“零成本”的培训, 更能间接地引导员工开发自我、挖掘潜能, 提高工作的主动性与工作中的满意度, 为延安市中小企业人才的长期职业生涯进步奠定牢固基础。
4 结语
虽然培训管理虚拟化可以减少中小企业的培训支出, 提高培训专业化水平, 但管理者仍应清楚地认识到, 虚拟化并不等于弱化或空化, 在对培训工作实施虚拟化管理的过程中, 管理者仍要重视对培训过程的监督和反馈, 确保企业与合作者之间信息畅通, 达到培训的预期效果, 充分发挥培训组织虚拟化的作用, 使企业集中力量发展其核心业务。同时更不能忽视虚拟化给企业带来的经营风险, 中小企业在培训虚拟化之外应采取相应的监督、预警机制来加强对培训活动的监督, 保证培训管理虚拟化的有效实施。
参考文献
[1]王秋菊, 易雪玲.中小企业人力资源虚拟化管理研究综述.中南林业科技大学学报 (社会科学版) , 2010, 6.
[2]何必.人力资源虚拟化管理的角色重置.企业改革与管理, 2011, 12.
[3]陈丽芬.中小企业培训的虚拟管理.中国人力资源开发, 2000, 08.
[4]闫懿.企业如何建立虚拟培训组织.中国人力资源开发, 2007, 06.
培训管理虚拟化 篇2
焊接是一项对过程要求很高的工作，在现有的手工焊接生产中，采用MAG/MIG焊接的约占50%，TIG焊接约占30%，MMA焊接约占20%；如：在造船行业中，MAG约占70%，MMA约占30%；那么，这就需要焊工要有扎实的操作手法、规范的动作。而在焊接培训过程中传统方式存在以下多种问题：（1）消耗大量的焊条(丝)、焊件和保护气体等材料；（2）对学员的培训过程难以准确掌握；（3）对学员的焊接水平难以评价；（4）培训效果不尽理想；
（5）培训过程环境污染严重，有害健康；（6）培训过程安全性差。
2、项目实施目的
1）减少甚至避免焊接练习过程中强光、高温、明火及烟尘以及有毒气体的产生，全面保护教师和学员的身体健康；
2）减少或者避免焊接实训过程中对空气污染的有害气体的排放，防止对环境造成污染；
3）能够让无工作经验的学员快速、真实的投入到焊接实训中，提高培训效率，避免由于无经验操作产生的事故。同时能够让有经验的训练者有更高的训练平台，提高焊接技术；
4）节省真实焊材、工件等焊接材料以及工业用电，降低培训成本； 方便教学。
3、焊接仿真模拟器概述
电焊操作训练模拟器系统是由武汉科码软件有限公司独立自主研发的焊接虚拟仿真培训系统。该系统是基于虚拟计算机系统，是以中高度仿真的教学培训系统，能让学员在接近真实的模拟环境下进行焊接技术的训练。该系统能促进焊接技能向实际工况焊接的有效转换。与传统的焊接培训相比减少了焊材的浪费。
该设备结合了：焊工的动作、仿真焊接焙池、焊接声音及焊接手感，使用该系统的受训者能够感受到几乎真实的焊接过程。
电焊模拟实训系统是新一代环保、节能、通用型操作技能实训与评价平台。该系统采用分布式仿真实训技术、虚拟现实技术、微机测控技术、声音仿真技术及计算机图像实时生成技术。在不需要真实焊机的情况下，通过仿真主控系统、位置追踪系统，将焊接演练过程中焊枪的位置、速度和角度等进行采集处理，并实时生成虚拟焊缝。
该系统将仿真操作设备、实时3D技术及渲染引擎相结合，演练过程真实，视觉效果、操作手感与真实一致。在焊接演练的过程中，学员能够看到焊接电弧以及焊液从生成、流动到冷却的过程，同时听到相应的焊接音效。
该系统与传统的焊接技艺教学能有机的融合在一起，是实现灵活、高效、安全、节约、绿色无污染的焊接模拟培训教学与考核的最佳教学方法。
通过电焊模拟实训系统，学员不仅仅可以获得与传统实训相同的操作经验，同时通过系统内置的数据采集、智能专家辅助模块和量化考核评价系统等一系列先进独特的教学功能，配合合理明晰的焊接知识穿插讲解，使学员可以获得在传统教学实践过程中难以量化的精确焊接培训指导，大幅度提升学员在培训过程中的方向性和目的性，有效缩短学员的培训周期，降低教师的教学负担，达到以低成本、低投入实现“精教、精学、精炼”的焊接培训机制。
电焊模拟器主机效果图
电焊模拟器设备图片
4、技术基础
当操作者进行训练时，系统中的多个传感器将获得的多个焊枪实时参数反馈给计算机，计算机对数据进行处理分析，并在显示装置和音响上显示相应的焊接画面和焊接声音。焊接实训设备应具有以下技术：
1、数字图像处理、信息技术。
2、计算机图形学、传感与控制技术。
3、多种焊接操作技术、安全操作规范。
4、融多项高新技术于一体，呈现代职业教育之先进手段。
5、新型的焊接训练实训设备是一种低成本、高效率、现代化的焊接训练解决方案。
焊接模拟器技术原理图
5、视景仿真系统结构
焊接模拟器视景仿真系统结构图
各个模块应具有的功能如下：
1、数据输入模块主要负责将焊接工艺参数和焊枪运动参数状态信息传递给焊接仿真模型模块和仿真引擎模块。
2、仿真模型模块主要负责对工件、焊枪等焊接仿真环境进行静态几何建模, 完成焊缝模拟、烟、光照、火光、阴影、光照等特效3D图形渲染。
3、焊接仿真引擎是系统的核心，它主要探寻焊接工艺、焊枪运动状态参数和焊缝横截面几何参数之间的关系。
4、仿真结果输出模块包括评价系统模块和其它功能子模块。主要负责实时监测仿真状态, 输出动态仿真结果，分析、评价仿真过程数据。
5、具备培训效果可评估功能：具有实时可视的操控信息反馈、虚拟焊缝的实时检测指导、训练者操作技能的实时评估功能。
6、学员端系统功能与特点
1、性能与优势： 1）、多种焊接工艺。
本套实训设备可以模拟训练多种焊接工艺，焊条焊、气体保护焊、氩弧焊、，还可扩展直流焊、铝焊、气焊，并包含焊接共享资源库。
（1）焊条电弧焊模拟训练系统
焊条电弧焊模拟训练系统可模拟焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程的模拟系统。本系统可进行酸性焊条J422（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）、碱性焊条J507（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）的多种训练，并可对焊件进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多种不同位置的焊接训练。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以达到焊条电弧焊训练效果。
（2）CO2气体保护焊模拟训练系统
CO2气体保护焊模拟训练系统可模拟以二氧化碳气体作为电弧介质，保护金属熔滴、焊接熔池和焊接区高温金属的一种熔焊模拟系统。本系统可选用药芯焊丝YJ502、YJ507、YJ507CuCr、YJ607、YJ707； 自保护焊丝：直径Φ1.0、Φ1.2、Φ1.6。并可对焊件进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多种不同位置的焊接训。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以达到CO2气体保护焊训练效果。
（3）氩弧焊模拟训练系统
氩气体保护焊可模拟200A/mm2左右的高强度电流密度效果，焊接过程中系统可体现氩弧焊燃烧稳定、热量集中、熔滴细小、飞溅少的使用特点。并可对焊件进行多种不同位置的焊接训。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以达到氩弧焊训练效果。
2)、三种焊枪
本套实训设备包含以下三种焊枪，与真实焊枪比例一致：焊条电弧焊枪、CO2气体保护焊枪及氩弧焊枪，操作过程中有焊条融化的缩短真实体验和焊条
自动更换功能，并能体验到操作手感。见下图：
3）多种接头（焊件）形式
本实训设备可以模拟多种焊接接头形式，对接、角接、T接接头形式以及I形、V形（单面焊双面成形）、Y形坡口类型。
系统还可模拟管对板，管对管接头的形式。还可扩展多种焊接形式。
4）、多种焊接位置
本实训设备有独立的操作台，可以在虚拟场景中灵活地调节多种焊接位置，让训练者无障碍进行平焊、立焊、横焊、仰焊等多角度焊接位置训练。示意图如下：
5）、能够真实的模拟焊接过程中的各种条件设置，引弧、焊接、收弧中的
各种手法，在焊接过程中具有自动换条功能，并能体验操作中的力量反馈感，电弧、明暗场、飞溅、焊缝、声效表现逼真。
6）、系统设置简单，虚实结合，通过真实的焊板、焊枪、示教器进行焊接训练；系统可提供完善的语音提示，焊接过程中可以通过图形及语音提示帮助学员校正操作姿势，辅助指导学员的培训过程与应用。
（1）该系统具有仿真示范教学功能，示范最佳的焊枪姿态（包括焊接速度、焊枪角度、焊枪与工件的距离和位置等）。
（2）系统可体验焊接过程中的的使用感觉，包括焊条的更换等。
培训管理虚拟化 篇3
一、开展网络管理教师培训的虚拟教学环境构建
1. 培训对象分析
通过调研发现, 现在校园里承担网络管理的教师, 大多数都是从物理、化学或者数学等学科“转行”过来的, 他们当中只有少部分教师是计算机专业毕业的, 所以基础知识普遍比较薄弱。而且, 因为北部山区经济水平不高, 当地老师缺乏学习和锻炼的机会, 很多老师甚至没有机会配置网络交换设备, 因而动手实践能力不足。
2. 虚拟教学环境的设计与搭建
开展虚拟环境下网络管理教师培训, 可选软件有boson, Packet tracert, 工大普瑞等。他们各有优劣。其中:
(1) Packet tracert是由思科公司发布的免费软件, 它的特点界面直观, 操作简单, 帮助功能强, 容易上手[1]。它的优点是可以在配置交换设备的时候实时改动拓扑图, 并且可以让试验者观察数据包流动情况。
(2) 工大普瑞。这个软件最大的特点是调用真实的路由器操作系统进行模拟, 操作真实感强, 缺点是拓扑网络搭建非常困难, 要专门的软件和语句。这对于初学者比较难懂。
基于对软件特性的分析, 结合培训需求, 选择Packet tracert软件作为交换路由设备实验课的模拟软件;vbox作为虚拟操作系统软件。
二、基于虚拟教学环境开展广州北部山区网络管理教师培训的设计与实施
1. 广州北部山区网络管理教师知识需求分析
调研发现广州北部山区学校校园网大多没有划分vlan。校园里面一旦病毒爆发, 很容易造成全网瘫痪, 有部分条件比较好的学校配备了三层交换机, 但大多数的学校, 即使配备了比较先进的设备, 因为各种原因, 不能很好地发挥效用, 普遍存在长期缺乏科学管理、高端设备低层次使用的情况。调研结果表明:子网划分和上网行为管理两方面内容是当地学校最需要迫切解决的。
2. 教学内容设计
结合广州北部山区学校的设备设施情况和教学需要, 笔者制定网络管理培训方案。方案中主要包括四方面内容: (1) 虚拟化实验环境的搭建; (2) vlan子网划分和三层交换机配置, 默认路由配置; (3) 上网行为管理器配置方法; (4) 网络安全实验。在这些内容中, 网络拓扑图的理解和实验结果分析是培训的重点和难点。虚拟化平台的应用能有助于展示多个网络管理配置实例, 并进行反复展播, 加深学员的直观理解。
3. 基于虚拟教学环境开展网络管理教师培训教学案例
(1) 教学案例1:校园网子网划分和三层交换机配置
片断一:利用软件模拟Arp病毒爆发的危害, 创设教学情境, 导入vlan教学内容
Arp病毒爆发是很多学校碰到的严重问题, arp病毒会影响整网的上网流量。培训时, 采用虚拟化软件, 模拟arp病毒爆发的数据包, 让学员在可控的范围内感受arp病毒的威力, 引入课程核心内容, vlan子网的划分 (图1) 。
片断二:在虚拟教学环境下进行vlan划分教学
实验内容分析:
按照传统面授实验, 要完成以上实验, 每实验小组需要5台交换设备同时运作, 每个实验班50人计, 共需要50台交换设备, 实验成本昂贵。在此, 我们使用虚拟化技术, 在packet tracet软件里面, 直接虚拟这些交换设备。每学员独立一个实验环境, 互不干扰。
(2) 教学案例2:用虚拟机完成软路由实验
(1) 培训需求与培训环境分析
软路由有利于教师进行上网行为管理, 但由于培训地点只有windows xp操作系统, 并且不可以格式化硬盘。在这个环境下, 是很难用真实的环境做软路由实验的, 只能在虚拟机环境内完成实验, 为此选择以海蜘蛛软路由为例子向老师讲授上网行为管理系统的安装与使用。
(2) 培训过程
A利用vbox虚拟化环境。在Vbox虚拟机新建一台虚拟机作为实验母体, 如图2示;
B安装好海蜘蛛软路由器作为实验主题;
C安装windows pe系统。因为windows xp系统安装比较庞大, 我们这个实验只需要测试网络连通性和带宽使用, 所以用体积相对较小的windows pe就可以胜任。
D亲历网络连通性和下载速度测试实验。
三、基于虚拟教学环境开展网络管理教师培训的绩效分析
从表1可以看出:对比传统面授课程和在虚拟环境下开展培训, 虚拟实验环境的实验覆盖范围与面授情境下实验覆盖范围相同, 实验效果相同。但与此同时, 虚拟教学环境下开展培训具有如下优点:
第一, 培训费用大幅降低, 包括培训差旅支出和设备投入及维护费用都大幅减少。一个培训班以50个学员计, 每位学员来回路费和住宿费每人500元计算, 面授课程共需要25000元经费;而在虚拟教学环境下授课只需派出一位任课老师, 如果任课老师需要助教, 可以增派一人, 两人合计的食宿费就是1000元。相比面授经费大大减少了。就设备投入而言, 每实验小组需要4台试验设备, 每6人为一组;50人培训班共需要36台试验设备。如全新购买需要约150000元, 培训过程中还有设备维护等经费开销。虚拟教学环境因为所选的软件都是免费的、开源的软件, 免维护。所以设备投入为零。
第二, 实验过程分析功能强。实验分析是整个实验的价值所在。传统实验只能直观观看结果, 实验现象一晃而过。教师只能借助第三方分析工具软件分析实验结果。虚拟教学环境下, 虚拟教学软件本身具有基于时间的慢镜播放、逐格重放;基于个体对象属性观察等功能, 对于教师分析实验非常方便和直观。教师也可以利用Packet tracer先通过投影向学生演示实验的操作步骤, 边将作讲解, 突出重点难点[2]。
第三, 可反复回顾复习实验。在面授课程中所有实验只能在课堂上完成, 回家后没有实验环境, 很难进行复习。虚拟环境实验可供学员带走, 他能随时、随地进行学习和研究复习。
但是, 基于虚拟教学环境开展培训, 由于所有设备都是虚拟的, 学员获取的是替代性经验, 因而对学员有一定的抽象思维要求, 要将虚拟环境下的情景还原回真实场景中, 因而如果有条件时要结合真实场景开展培训实验, 增强学员的直观经验。
四、结语
1. 经验与反思
基于虚拟教学环境开展网络管理教师培训是一种有效培训方式, 特别有利于开展农远地区教师培训。当地培训没有实操环境, 路途遥远, 学员知识基础差, 在这种情况下, 使用虚拟化环境进行教学, 往往会取得和真实环境下教学同等或者更优秀的教学效果。但同时要注意两个问题:
第一:做好虚拟化环境实验前的资料准备。课前做好充分的网络实验准备, 包括印发文字讲义, 清楚说明实验步骤, 描述网络环境, 准备拓扑图, 规划Ip地址等。这些资料给学员交代清楚了, 学员一边参考, 一边观看, 也非常容易适应虚拟教学环境的实验培训。
第二:注意虚拟化实验环境的局限性。思科的packet tracer模拟器相对在一个封闭的环境做实验, 外界网络或因素对实验结果影响不大。同时解决了网络概念抽象通信设备工作原理, 网络通信协议等知识难以理解的问题[3]。但是使用virtual box等虚拟机的时候, 因为它模拟的是一台真实的电脑, 对环境依赖比较大, 做实验前要充分准备好实验环境。同时, 虚拟教学环境是一个非常好的有益的补充。有条件的话, 虚拟教学环境的培训要与实体机实验培训紧密结合, 充分发挥各自的优势。
2. 启示与展望
利用虚拟教学环境开展网络管理教师培训, 以较小的投入赢得较高的产出。这一培训方式不仅可以用于网络管理教师培训, 还可拓展到信息技术课程乃至其他面授课程中, 比如操作系统教学、财务知识教学等, 也可拓展到各级各类职业教育领域, 如中等职业教育、成人教育等。它的应用将会大大减少政府培训经费的投入, 而取得同等或者更优的培训效果, 有力推进农远培训工程实施。
摘要：本文以“广州北部山区网络管理教师培训”为例, 论述了基于虚拟教学环境开展网络管理教师培训的优势、环境构建、设计与实施, 对比分析了基于虚拟教学环境开展网络管理教师培训与基于传统情境开展网络管理教师培训的投入与产出, 总结了培训经验与启示, 提出这一培训模式可拓展到其他教育领域的培训。
关键词：虚拟教学环境,网络管理教师,培训
参考文献
[1]肖学华.网络设备管理与维护实训教程—基于Cisco_Packet_Tracer模拟器.科学出版社, 2010
[2]Senya Packet Tracker S.O建构CCNA实验攻略17部合集http://hi.baidu.com/senya/2010
虚拟团队的管理 篇4
虚拟团队是虚拟组织中一种新型的工作组织形式，是一些人由于具有共同理想、共同目标或共同利益，结合在一起所组成的团队。从狭义上说，虚拟团队仅仅存在于虚拟的网络世界中；广义来说，虚拟团队早已应用在真实的团队建设世界里。虚拟团队只要通过电话、网络、传真或可视图文来沟通、协调，甚至共同讨论、交换文档，便可以分工完成一份事先拟定好的工作。
一、虚拟团队与实体团队的区别
由于虚拟团队跨越了时间、空间、组织的界限，成员不再依赖于一个有形的办公场所运作，而是主要依靠现代的信息通信技术实现远程的沟通与协作，因此缺乏传统实体团队成员间相互接触所具备的特点。综合研究，认为虚拟团队与实体团队的区别在于以下几方面： 成员高度分散。实体团队的运作需要面对面的交流互动，一般由相距较近的成员组成。而虚拟团队成员可以来自不同部门、不同地区、不同企业甚至不同国家，空间距离往往会很大，面对面交往的机会较少。成员间异质性高。实体团队成员往往来自同一组织，并且通过了相同的招聘和遴选程序，所以他们一般具有极为相似的或是相互补充的文化及教育背景，因此容易协调与工作有关的活动。而虚拟团队，其成员往往在教育、文化、语言、时间方位及其专业上存在较大差异，所以在个体与个体间，个体目标与组织目标间容易发生冲突。主要依赖电子媒介沟通协调。实体团队成员在同一工作场所或者临近场所工作，因此彼此能够及时、充分地进行交流沟通，有利于及时解决工作中出现的问题，实体团队成员还有机会分享与工作无关的信息，增强彼此之间的感情。而虚拟团队，由于分散在各地，主要通过电子媒介，包括互联网、手机等来完成沟通协调，因此沟通效果可能比不上实体团队，而且交流的大多数是与工作有关的正式信息，成员间很少有工作之外的联系，不利于感情的培养。自我管理为主。实体团队中，成员与管理者在地理上相邻，管理者得以持续地控制成员行为和与工作相关的活动，这种持续控制有利于对团队目标要求及时做出回应。而虚拟团队由于成员的分散性，使其控制力度和及时程度有所减弱，容易造成工作不能及时完成，或不符合相应要求。因此，虚拟团队特别强调成员个体对项目或任务协调者所负的责任，以使项目或任务得以及时并按标准完成。资源的动态调配。实体团队成员一般来自于同一组织，其资源配置范围只限于同一组织内部。虚拟团队成员具有空间和时间上的相对独立性，团队能够迅速整合不同地域的每个团队成员的核心竞争力以实现团队目标。也就是说，团队拥有很大的运作自由度，资源选择的余地比较大、优化程度比较高。可见，虚拟团队具有不同于传统的实体团队的特征和运行机制，相应地，其运作和管理也将面临新的问题和挑战。
与实体团队相比，虚拟团队成员不再依赖于一个有形的办公场所运作，而主要依靠现代的信息通信技术实现远程的沟通与协作。相应地，虚拟团队的人力资源管理面临着成员间信任水平低、文化差异大、孤立感强、绩效评估和激励难等新的挑战。因此，加强虚拟团队的人力资源管理可采取以下措施：选拔有能力的领导和高素质的成员队伍、建立以信任为基础的团队文化、帮助成员克服孤立感、提高沟通效率以及采取相应的激励措施。
二、实现虚拟团队人力资源管理的主要措施 面对新的挑战，虚拟团队的人力资源管理就必须采取新的对策。否则其巨大的优势势必难以发挥，甚至可能因为文化冲突、互不信任、协调沟通不畅而陷入困境。因此，虚拟团队的人力资源管理可以考虑从以下几方面着手: 选拔有相关能力的领导
与传统的组织结构相比，虚拟团队成员有更大的自主性，虚拟团队的领导不再是监督人，而是协调人，协调成员间的关系以及团队与外界环境的关系，因此，虚拟团队的领导必须具有相关能力。首先，他们必须能明确阐述对组织抱有的观点，并能创造出鼓舞人心的观念以激发能力和热情。其次，能够帮助团队改进工作，不借助于权威手段，靠原则(指导)而不是靠政策(控制)进行管理。某一个远程经理说过：“赋予人们权利获得佳绩比强迫他们去获得更有意义。但是经理需要催化这些业绩的产生。”第三，能够集中所有的工具、信息、资源辅助团队完成任务。第四，必须能够识别和消除阻碍团队实现目标的障碍，比如成员间的文化冲突、沟通不畅等问题。第五，能够从全局把握客户的需求，从而确定团队的业务。第六，能指导团队成员，并且帮助他们挖掘自身的潜力，同时要保持适当的权威平衡，确定成员应负的责任。第七，自己能做其他人员的角色榜样，展示团队成员和领导应有的行为准则，这些能力将是虚拟团队领导成功的必备能力。
要有高素质的成员队伍
虚拟团队是基于信息技术的联盟，其成员必须具有一定的技术能力，除了专业的技术技能外，还需要精通各种交流工具，如电脑，网络等;跨时间、空间的工作决定了成员必须能及时做出关键决定，即必须有一定的判断能力；成员必须具有良好的人际关系技能，善于同远程的同事打交道，乐于与人分享知识;必须有主动精神，不需要鞭策就能将工作向前推动。拥有具有以上能力的团队成员，团队的管理将变得比较轻松。
建立以“信任”为基础的团队文化
首先，建立以“信任”为基础的文化意味着承认个体。即对个体技能、态度、行为、文化背景的接受、认可和尊重，换言之，虚拟团队文化是以强调个体作用为基础的。其次，培育“知识分享”的氛围。团队成员之间要信任，就要有信息和知识的分享。再次，团队领导应该以身作则，率先在团队中树立可信的形象。
帮助团队成员克服孤立感
为了提高团队的信任感和团队的凝聚力，必须帮助员工克服孤立感，为此，虚拟团队应该利用现有手段采取一些措施。比如可以在公司的企业内部网建立“网络咖啡屋”，让虚拟员工保持无拘束的交谈。这种网上聊天室不仅提供了天天交流的载体，从而减少孤立感，而且可以提供远程学习的途径，培养创造性。还可以创造一个团队的网页，除了提供进行正式业务沟通的场所，以及重要纪录的储藏室外，还可通过网页上团队成员的照片、团队标识等使成员产生某种认同感。提高沟通效率
对虚拟团队来说，信息、知识的有效沟通和共享将大大提高整个团队的效率和创新能力。为实现有效沟通，首先应该利用虚拟团队拥有的技术建立尽可能广泛的沟通渠道，比如电子邮件、视频电视会议、网络会议、网上社区等正式非正式的渠道。其次，解决文化差异所带来的困难。可以通过文化敏感性培训，使成员了解文化差异的状况及可能会带来的相应问题，使成员接受和认可他人的文化背景，尊敬他人的语言风格及行为习惯，以减少因不同的文化带来的冲突。再次，通过标准化解决问题。成员的广泛来源所导致的时区、文化、技术熟练程度的差异，容易引起冲突，而通过与工作有关的程序、方法的标准化，可获得一定范围内的统一性，有利于沟通和实现团队目标。例如，规定成员每天至少接收两次E-mail，就可解决因时区不同而导致信息反馈的延迟。再如，在与工作有关的信件中，尽量使用标准化公函格式，就能够避免因文化差异而造成的误解等问题。另外，由于依靠技术手段的远距离沟通有其脆弱性，所以应交叉运用多种沟通方式，如交叉运用电话、传真、E-mail，依靠网络视听电话及其它软件以防某种技术手段出现突发故障。总之，要建立起知识与信息共享的内部环境，同时注重培养知识与信息共享的文化氛围，最大限度地实现知识和信息共享。采用适合虚拟团队特点的激励方式
根据虚拟团队的特征，可以构建适应虚拟团队的激励模式，主要有以下几方面:首先是高薪。这是因为一方面虚拟团队成员往往是知识型员工，一般具有特殊技能;另一方面因其分散各地，要使其有效投入工作，控制较难，而金钱是其基本需要，高薪可以使成员个体有能力解决后顾之忧，如料理家庭等。其次，提供挑战性工作。知识型员工的显著特征是蔑视权威，忠诚于自己的专业甚于组织目标，成就感强烈，因此应向成员个体提供专业性强的挑战性工作。再次，提供适当的学习机会。由于虚拟团队往往是目标导向的，并且具有明显的动态性，所以成员个体的工作变动性大。为成员提供良好的学习机会，包括沟通技术和相应专门技能的培训和学习，本身就是为员工将来的职业生涯着想，虽然表面上与团队目标不符，但实际上却是一种较好的激励手段。另外，特色团队文化也是一种较好的激励手段。
参考文献:
培训中虚拟技术的选择与应用 篇5
一、虚拟现实技术的培训优势
在人力资源培训中, 引入虚拟现实技术将使其发生深刻的变化, 因为虚拟教育培训环境拥有现实教育培训环境无可比拟的优势。
一是仿真实景。在虚拟现实技术支持下, 虚拟培训设施与真正的培训设施功能相同, 操作方法也一样, 学员通过虚拟培训设施训练技能, 与在现实培训基地里同样方便。理想的虚拟环境应该达到使受训者难以分辩真假的程度 (例如可视场景应随着视点的变化而变化) , 甚至比真的还“真” (如实现比现实更逼真的照明和音响效果) 。在这种情况下, 学员可以感到自己处于虚拟培训环境的体验, 产生一种逼真的现实感, 学员觉得自己真的存在于某训练环境中, 是该环境的一部分, 而不是它的旁观者。学员可自由地在这一环境中与有关的虚拟物体或事件相互作用, 如同在现实世界中一样。此外, 由于这种临场性一方面是使学员进入虚拟环境, 另一方面是运用交互设备把学员的视觉、听觉和其他感觉封闭起来, 使他暂时与真实环境隔离, 因此不会受到虚拟培训环境外的现实环境的干扰, 易于集中学员的注意力, 使他全身心投入到训练中去。
二是开放学习, 实际操作。虚拟教育培训环境能给任何受训者在任何地点任何时间里广泛地提供各种培训的场所。事实上, 虚拟培训环境的内涵是广泛的, 它不同于传统中的培训基地概念, 它除了具备可以进行类似于传统培训项目的环境, 它更擅长于使学员置身于培训项目对象之中的逼真环境。凡是受训者可以通过有关器具操作来学习或训练某种技能的虚拟环境, 都可以归之于虚拟培训环境。比如, 进行飞行器技术培训时, 那么虚拟培训环境就是飞行器及其飞行的模拟环境;做解剖学实习, 虚拟培训环境可以是在虚拟医院甚至虚拟人体中。受训者可通过使用专门设备, 用人类的自然技能实现对虚拟环境 (无论它模拟的是真实环境还是想象环境) 的物体或事件进行操作, 就像在现实环境里一样。譬如, 学员能抓取虚拟环境中的物体, 并让它随手的移动而移动等。可操作性是虚拟培训环境实际运用的必备特性, 它使学员得以在其中学习需要实际操作的培训课程, 也使远程教育培训成为可能。例如, 美国开发的用于培训医生的虚拟现实教学系统, 学习者通过头盔中的左右眼液晶屏获得三维图像, 通过新型的声音系统获得具有强度、深度、方位变化的声音, 通过数据手套、胸、臂等感应器获得触觉和动觉感知。学习者的运动反馈信息则通过头眼及身体各部分的跟踪器、摄像机、数据手套输入计算机, 计算机则根据这些信息调整图像再现内容。在这个系统中, 学习者作为虚拟现实系统中的一员参与整个手术过程, 他可以与系统中的虚拟医生进行交谈, 给他们下达命令, 他可以操作虚拟系统中的手术刀等各种器械, 他的动作变化会导致系统呈现环境与内容的变化, 在这个系统中学习者能够获得真实手术过程中的各种感受。在虚拟现实系统中学习者的认知、动作、反应及交互技能都能够得到良好的训练。
这种现场感强的培训, 可以给受训者带来真实的感受。学员在虚拟环境中接受培训时具有多种感知能力, 如视觉、听觉、力觉、触觉、运动觉、味觉等。理想的虚拟环境让学员具有在现实世界中的一切感知能力。例如, 在虚拟飞行器里, 学员可以看到仪表盘以及蓝天白云, 听到飞机的轰鸣, 触到操纵杆的力度, 感到机身的倾斜等。多感受性使学员得以运用自己所有的感知能力, 在一个极其生动活泼的环境里进行实时的、全方位的学习和训练。由于用虚拟环境代替现实环境, 学习和训练效果更好;而且利用虚拟环境进行技能训练, 也使一些在真实环境下难以实现的项目成为可能, 例如煤矿企业井下事故的模拟与救援培训等。
二、虚拟技术的选择应用
在培训工作中, 培训主管可以根据培训对象、培训内容选择不同的虚拟技术。 (1) 视景仿真技术。是一种在多项技术集成的基础上发展起来的、逼真模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机界面技术, 其基本方法和目标是利用高性能的计算机软、硬件及各类传感器, 创建一个使参与者处于一个身临其境的、具有完善的人机交互功能和启发构思的信息环境。视景仿真涉及的关键技术有四项, 即动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感技术、系统集成技术。利用这些技术开发出的虚拟现实系统具有交互性与实时性, 并使用户具有沉浸其中的真实感。 (2) 实例技术。实例技术在实时场景绘制中是十分重要的。在虚拟现实场景的制作中, 往往有大量几何形状相同但其位置、大小、方向不一样的物体存在。例如, 井下的巷道、采煤工作面中大量存在着几何形状完全一样的各种传感器, 同种传感器之间的差别仅在于所处的位置、方向、大小不一样。如果把每个传感器都放入内存, 将造成极大地浪费。可以采用实例技术的方法, 相同的物体只在内存中存放一份实例, 将这份实例进行平移、旋转、缩放之后得到所有相同结构的物体, 从而大大地节约了内存空间。 (3) 纹理映射技术。该系统除了用到以上的技术外, 纹理是另一个用来简化复杂几何体的有效办法。利用纹理映射, 可以以很低的代价来生成复杂的视觉效果。如在煤矿企业的培训内容中, 需要模拟井下环境, 而在煤矿井下环境中, 存在着大量不规则的物体, 例如采煤机、破碎机、运输机、电气设备等。对于这些环境装饰物, 并不是重点展示的物体, 如果都用实体表示, 所带来的资源耗费将是无法接收的。采取纹理映射技术可以很好地解决这一问题。另外, 采用纹理映射技术还可以使远方的周围环境简化为一幅纹理图像。进一步讲, 纹理还可以用来模拟许多难以制作的光照效果, 如聚光灯、阴影灯等光照效果。因此, 纹理映射技术的使用将极大降低场景的复杂性, 实现逼真度和运行速度的平衡。
三、用虚拟技术强化技能培训
对受训员工而言, 知识的学习与技能的学习是同等重要的, 尤其是对从事操作性工作的员工更为明显。但知识与技能的学习有着重要的区别, 知识带有“有或无”的性质, 可以通过书本学到, 而技能则是随着经验和练习得以培养的。技能的学习主要包括认知技能、动作技能、反应技能和交互技能。现有的教学形式对培养学生的技能而言存在较大的缺陷, 它无法提供事件发生现场的教学环境。即使能够通过电视等媒体再现某些重大事件或事物的发展变化过程, 但学习者只能是被动地看, 而不能在事件过程中扮演任何角色。虚拟现实系统通过构建事物发展变化的虚拟环境, 使受训学员在系统中得到身临其境的感受, 更重要的是, 能够以各种形式参与到事件的发展变化过程中去, 在事件的发展变化过程中扮演角色, 其行为将影响事件的发展方向。
1. 提供仿真性操作实景。
虚拟现实技术为各类学员提供自由、灵活的学习环境。由计算机、头盔、数据手套等设备构成的虚拟现实系统, 可以在企业、学校、家庭、计算机网络系统等各种场合与方式下为学员提供学习知识、提高技能的双重环境。同时。它既适合于个别化学习, 又可进行协作学习及远距离学习。学习可在任何时间进行, 满足于各层次学员的学习需要。网络化、智能化的学习环境为人们进行继续学习、终身学习提供了保证。利用多媒体技术, 将理论知识文本和操作流程转化成用二维、三维图形显示, 利用互动式动画、声音使现场场景重现, 利用现场摄制的视频使操作规程有形化等。例如, 在工具教学中运用三维仿真技术, 就可以更加形象和直观地实现工具外观展示、工具结构展示以及工具原理演示等, 从而使培训系统中最令学员难以接受的内容变得非常直观易学, 另外学员还可以对工具任意地旋转、放缩或者是平移, 实现了从任何角度和方向观察模型, 从而避免文字的枯燥, 提高了学习的趣味性、可见性、互动性。对一些大型设备的操作培训。由于设备内部构造较复杂, 很多零部件无法在剖面图中展示。利用虚拟仿真技术, 可以制作单元三维素材。当鼠标点击设备外壳时, 设备外部逐渐透明, 与此同时, 内部构件逐渐清晰。点击局部隐性部件, 还可以使隐性部件放大, 使该隐性部件的结构、在工作过程中的运行状态以及运行原理得到充分的展示, 从而使受训人员在学习过程中将一些无法展示的小部件通过单元三维素材得到充分的展示, 真正达到可视化。在石油企业, 由于采油生产设备内部结构较复杂, 例如电动潜油泵、井底螺杆泵、射流泵、各种封隔器等设备, 受训人员无法通过肉眼直观地观察到抽油泵内部结构, 尤其在抽油泵运行过程中, 对泵内部构件运行情况及运行状态无法了解。而通过虚拟仿真技术, 可以把各式抽油泵内部各种构件直观、逼真、形象地表现出来。这样, 在抽油泵运行过程中, 可以清楚看到电机转动状态, 上冲程、下冲程过程中泵的活塞运行情况, 井底流体在泵生产过程中的流动等。虚拟仿真技术把内部结构、运行情况通过互动式动画形象地表达出来, 从而达到内部构成剖面化。这对受训人员深入理解和掌握有关设备的内部结构、运行原理、故障处理, 显然是十分必要的。
2. 建立虚拟实验室。
对基础知识而言, 实验室是不可缺少的。由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统, 包括相应实验室环境、有关实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现, 也可以是虚拟构想的实验室。在虚拟实验室中, 实验者有逼真的感觉, 似乎是在真正的现实实验室里近距离进行现场操作。利用虚拟现实技术, 可以建立各种虚拟实验室, 如地理、物理、化学、生物实验室等, 大到宇宙天体, 小至原子粒子, 受训者都可以进入这些物体内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程, 通过虚拟现实技术, 可以在很短时间内呈现给学生。例如, 放射性物质衰变需要很长时间, 而虚拟技术在一堂课内就可以实现。在“实验室”里学生可以自由地做各种实验, 不必考虑危险程度。对一些煤矿企业的实验室, 可以简单地模拟井下回采工作面、掘进工作面在某种环境条件下的瓦斯爆炸、燃烧、烟雾形成等过程, 及瓦斯爆炸现场的虚拟漫游。在这种实验条件下, 可进行灾害应急训练。通过模拟井下事故, 来训练工作人员灾害应急能力。也可以进行事故调查分析。以一系列三维图像在计算机屏幕上再现各种事故发生的过程, 事故调查者可以从各种角度去观测、分析事故发生的过程, 找出事故原因也可以防止其它与此相关的潜在事故的出现。
3. 虚拟实训基地。
虚拟现实技术与神经介入治疗培训 篇6
关键词：虚拟现实,培训,血管内介入技能
神经介入技术的不断改进和新的介入器具的研发, 极大的促进了神经介入放射学的发展, 在国内外已有越来越多的单位和医师正在从事或准备开展这一工作。但目前在神经介入治疗方面经验丰富的医师非常少, 影响着该技术的推广与应用[1]。加强神经介入治疗的规范化培训已经成为重要工作。为此, 国内外学者提出了诸多方案, 其中研究最多的就是应用虚拟现实技术对手术进行仿真, 以提高手术安全性和培训效果[2]。
1 医学技能培训方式的转变
作为解决人类健康问题的医疗行为, 一旦发生错误将可能导致灾害性的结果。但遗憾的是, 无论是在发达国家还是发展中国家, 医学错误的发生率依然较高。在美国, 每年因为医疗错误导致44, 000-94, 000人死亡, 而备受公众和医学专业人士的批评和重视[3]。尽管如此, 大多数先进的医疗技能依然是通过传统的监督指导方法 (apprenticeship) 在临床病人的诊疗实践中所获得, 即受训者在经验丰富老师的指导下进行操作。这一培训体系是非系统的、受病人住院随机性的影响, 而且受训者无法持续接触所有基本的医疗情况。此外, 当前的培训中还无法对受训者的表现进行客观评估反馈。
随着医疗模式和医疗环境的不断改变, 在当今以操作为基础的医学操作技能的学习往往非常困难, 以至于传统的在病人身上学习的培训方法已变得不能接受。手术技能的教学方式正在改变。医学技能培训也逐渐由以病人为中心 (patient-center) 转变为以受训者为中心 (learner-center) 的模式:即远离患者, 以受训者的接受能力和速度进行调整, 有更多机会安全的从错误中学习的模式。这种操作技能培训模式改变的目的就是为了提高医疗质量, 避免对病人造成不必要的伤害。
2 神经介入治疗的特殊性
以经动脉内的栓塞治疗和血管成形术为代表的神经介入治疗, 对病人而言具有与微创外科相近的益处, 如对机体的微侵袭、减轻痛苦、缩短康复时间及患者可更快回到工作中。但与微创外科相似的是, 血管内操作需要医生在二维视频成像系统导引下进行操作, 将不同的设备通过体表的小切口送进体内。虽然因为创伤较小而有益于病人的治疗和恢复, 但它本身却为术者的操作带来较多的困难。因为术者无法直接看见或触摸到组织, 这意味着通过视觉和触觉接收到的信息大打折扣, 想做到操作器械、导管和导丝时的手眼协调配合是很难的。由于体腔壁的支撑作用, 器械运动方向会与个人的直觉相反, 操作长导丝等介入器材的本体觉和视觉相结合的问题;所有这些障碍结合在一起, 对想通过培训掌握神经介入技术的医师是很大的挑战。
3 虚拟现实技术与技能操作培训
3.1 传统操作技能培训方法的缺陷
如前所述, 传统的以病人为中心的培训技术已逐渐变得无法接受。可能取代以病人为中心的训练方式是采用不同的模拟手段, 包括体外模型、动物模型和基于计算机模拟的方法。简单可变的解剖模型已被应用于外科手术的训练和评估。此类模型还可应用于在超声引导下的穿刺培训, 或作为管道被应用于导管和导丝操作技术的培训。但此类模型往往价格非常昂贵, 经过多次穿刺后将最终被破坏, 同时所使用的材料往往不易根据不同的解剖结构和病理条件进行改变。当然, 外科医生的技能培训也可以采用动物模型进行操作培训, 后者能够提供真实的生理条件和手感, 但难以复制出与人类病理状态一致的模型, 而且动物的解剖与人体还有不同程度的差别。同样的, 动物模型的制作和维持往往也是非常昂贵的, 而且还存在政治和伦理上的问题[4]。
3.2 虚拟现实技术的优点与应用
虚拟现实技术 (Virtual Reality, VR) 是许多高技术专业培训的最新进展[5]。该技术可以被定义为一个基于交互式3D可视技术的交流界面, 允许使用者与模拟真实世界经验的相互作用, 并整合不同感觉输入。它所涉及的内容包括对医学数据的交互与可视化, 以及对于虚拟人体器官在虚拟手术器械作用下的各种变化的模拟和对操作人员的各种感官反馈 (如视觉反馈和力量反馈等) 的模拟。虚拟三维模型还可以帮助医生做好术前准备, 通过虚拟内镜和虚拟手术, 在真正手术前可以模拟整个手术过程, 并可以选择最安全有效的路径以避免实际手术中的风险。
1991年Satava首次提出将仿真技术应用于外科手术的技能培训。但对该培训方法的接受是很缓慢的, 因为各医学团体的怀疑及缺乏能够证明其效能的有良好对照的临床研究。在最近的双盲随机研究中, Grantcharov及同事[6]报道经VR培训的住院医师在以腹腔镜行胆囊切除术中所犯的错误较经传统标准培训的群体少。该研究与Yale的发现一致, 经VR培训的医师较对照组, 术中错误少6次, 操作快30%[7]。尽管这两个研究的参与者数目都很少, 但在Yale研究中差异的统计学效力却很大 (P<0.001) 。这些研究对国内外关于手术技能的培训体系产生了巨大影响。美国外科医师学会已发表的白皮书中确定在促进患者安全运动中绝对支持VR技术的应用。
4 虚拟现实技术在神经介入治疗培训中的应用
关于医学模拟技术研究的系统评价结果显示, 已有一些证据支持在受训者应用模拟器进行反复训练并且能够提供受训结果反馈的情况下, 运用模拟技术进行医学教育培训将能提高受训者的学习效果[8]。
4.1 血管内介入治疗系统培训模拟器
血管内介入治疗系统培训模拟器 (Vascular Intervention System Training simulator, VIST) 是由一个基于个人电脑的软件界面 (Procedicus) 和允许使用者插入和操作导管、导丝、支架、球囊和血栓保护装置等材料的触觉传动机械装置组成。该装置可以在同步影像显示时, 准确传递触觉反馈 (如硬导丝通过弯曲血管或病变时所遇到的阻力) 。模拟入路是股动脉入路并实现真实器械 (导丝、导管等) 的操作, 还有提供独立控制器以模拟支架释放、球囊扩张和造影剂注射。以脚踏板的方式启动模拟的透视影像, 而通过计算的血流动力学可以模拟血管造影成像。使用者可操作功能包括DSA床的移动、透视C臂位置摆放、导管和导丝的超选、路图、图像回放功能以及血管直径测量功能。通过将病人实际的CT扫描影像导入计算机内进行三维的影像重建形成病例特异性的脑供血动脉解剖模型。诸如动脉狭窄等特殊病变可以通过软件增加到血管模型上。因此, 一次重建主动脉弓和弓上大血管可被用于建立不同部位的多个不同病变。
4.2 虚拟现实技术在神经介入培训应用研究结果
Hsu等[9]在一项关于应用现实虚拟技术进行颈动脉支架成形术培训的研究中, 按照受训前手术经验分为初学者和经验丰富者两组, 92%有经验术者能够成功完成预测验, 而仅有63%的初学者能够完成预测验, 培训前平均操作时间分别为29.9min和48min。在短期培训30-60min后, 无论是新学者还是有经验的术者在手术成功率和安全性方面具有显著的提高, 特别是新学者能够快速达到经验术者的水平 (培训后两组的平均操作时间分别为 (24.5±2.9) min和 (20.2±4.1) min) 。在初学者与有经验的术者间唯一的差别就是完成手术的时间。但作为技术能力评价的替代标准, 手术时间本身并非手术质量的准确评价标准。同时, 与未接受培训者比较, 受训者认为VR模拟培训能够提高其血管内治疗技能并更有志于从事血管外科。
在另一项应用血管内模拟器培训颈动脉支架成形术的对照研究中[10], 5位具有丰富经验的受训对象 (完成300例以上包括颈动脉血管成形和支架成形术的介入手术经验) , 另16位受训者均为初学者 (少于5例的介入治疗经验) 。在初学者组中, 培训前后的评分有明显的升高 (17.8±15.6 vs 69.8±9.8, P<0.01) , 完成操作时间由培训前的 (44±10) min降至 (30±8) min, 而透视时间从 (31±7) min降至 (23±7) min。在经验丰富术者组中, 培训前后各项观察指标没有显著差异。在模拟器的观察结果与现实状况下的介入操作之间的相关性目前还尚未明确。关于培训技能转化的研究对于建立模拟器培训相关性是至关重要的。一项将受训者随机分为未培训和导师指导下的模拟器培训两组的对照研究, 结果显示模拟器受训组的患者治疗中能够很好体现培训技能的转换。应用基于计算机环境下的模拟器模型培训腹腔镜、肠镜和麻醉技术所证实的临床效果, 在应用血管模拟器培训对介入技术的提高效果也同样得到再次证实。
当然, 虚拟医学手术是一种技术难度较大的应用技术, 虚拟手术的成功在很大程度上依赖于其对真实手术过程的仿真程度, 与其它虚拟现实应用相比, 它的特点是:①虚拟场景复杂:需要产生多层次、多种形态、相联关系复杂的三维虚拟人体组织。②人机交互性强, 要求定位和反馈精确度高, 实时性强。③具有任意性、可重复性等优点。
5 问题与展望
VR技术在病人的医疗安全、改进训练效果、新操作的开发以及首次展示等方面的潜力是令人欣喜的。尽管已有10余年的应用历史, 但现在可以明确VR技术在增进操作者表现方面的研究非常少见。VR在医学中的应用尚处于萌芽阶段, 且价格昂贵, 距离临床应用还有一定的距离, 尚有很多问题未能解决, 如:可视化模型精度、物理模型精度、触感装置力反馈精度不足以及仿真实时性与精确性的矛盾等。相信随着计算机、多媒体技术的发展以及各国对虚拟现实技术的日益重视, VR在医学中的应用必将更加广泛。同时也应该看到, 若要实际论证该技术作为一个培训工具的价值, 还需要有更多设计良好的前瞻性对照临床实验。
参考文献
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培训管理虚拟化 篇7
实施有效、系统的安全培训, 提高煤矿工作人员安全技术水平和预防、处理事故的能力, 对于煤矿的安全生产至关重要。传统煤矿安全培训教育方式以学习规章制度为主, 大部分都是文字资料, 培训时枯燥无味。多媒体课件以及煤矿拍摄的生产过程和事故案例再现的视频, 由于很多事故无法真正再现给培训人员, 不能充分展现声音、图像、动画和人机交互相结合的特点。因此, 传统的培训手段过于单一, 培训效果很不理想。
针对目前传统煤矿安全培训中存在的问题和局限, 本文采用现代化煤矿安全培训方法, 将虚拟现实技术[1-2]应用于煤矿安全培训, 运用3D仿真技术, 汇集采矿工程、安全科学与技术、计算机科学、三维造型技术、可视化技术及视频合成技术等, 结合机械、电、光、磁、声等综合技术将煤矿风险预控、事故案例再现和事故应急救援以三维仿真和人机交互的方式展现在培训者眼前, 实现三维的高度仿真效果, 使培训者如亲临煤矿生产或事故现场。
基于虚拟现实技术的煤矿安全培训系统在安全生产教育方面发挥独特的作用, 适合煤矿安全培训部门集中学习和生产部门每天的班前会学习, 并通过三维仿真和交互形式使煤矿员工有如沉浸于真实的现场, 达到良好的学习效果。
1 系统设计
煤矿安全培训系统主要利用虚拟现实技术, 以实现不安全行为及其可能造成的后果、典型安全生产事故案例和煤矿安全事故应急预案的高度仿真和人机交互为目的, 使学习者近于亲身体验不可再现的虚拟环境, 从而产生良好的教育效果。煤矿安全培训系统主要应用3DS MAX进行建模、贴图和渲染, 利用Virtools DEV工具实现人机交互。针对煤矿三维动画仿真度不高的缺点, 本系统设计原理如图1所示。
基于虚拟现实技术的煤矿安全培训系统由煤矿风险预控、事故案例再现、事故应急救援3部分组成, 如图2所示。煤矿风险预控主要实现煤矿地面环境和井下环境 (包含地面、机电设备、巷道、采煤工作面等) 的三维仿真, 同时可以自由漫游于井下, 并且模拟一些基本的井下操作;事故案例再现主要通过三维再现煤矿近些年发生的典型安全事故案例, 并且分析事故原因;事故应急救援主要针对煤矿易发生的水灾、火灾、机电、瓦斯和顶板5类灾害事故制作完整的灾害事故应急救援三维仿真。
2 系统实现
首先进行前期调研。根据具体要求, 选择相关危险行为、事故案例和实际应急预案, 详细搜集其资料, 积极联系、询问煤矿技术人员, 了解事故发生前员工进行的操作, 调查、分析事故发生的原因, 制定安全事故应急预案。将所得资料去粗取精, 由表及里地分析研究, 找出原因, 为不安全行为事故的虚拟仿真提供数据依据, 对煤矿安全事故进行准确的分析与定位。咨询相关专家、工程技术人员, 以实现高度仿真为目的, 构思出三维仿真手法。
本系统采用3DS MAX软件来完成煤矿设备模型和场景仿真, 利用Virtools DEV工具实现人机交互。
2.1 基本模型构建
2.1.1 井下设备建模
系统的设备建模主要采用多边形建模技术。简单的小型设备模型只需构建简模, 贴图则利用图片处理软件生成。复杂的大型设备如综采机、液压支架、连采机等, 为达到对其高度仿真的效果, 首先需要收集相关大型设备的技术资料 (图片、外形尺寸、机构运动参数等) , 构建大型设备模型采用先精模后简模[3]的设计方法。井下煤炭的机械化开采是一个相当复杂的生产线。例如上百台液压支架, 再加上刮板输送机、综采机、连采机等复杂的设备模型, 势必会造成场景的数据量膨胀, 导致工作软件的崩溃。目前的模型设计大多采用构建简模和减少模型面数的方法来解决此类问题, 但会使模型的仿真度降低, 达不到真实的效果。因此, 本系统从硬件和制作技术上解决这一问题。硬件上, 需要购置图形工作站级别的高档计算机;制作技术上, 应先做井下设备的精模, 然后在精模的基础上再派生出简模, 在构建大场景中远景采用简模, 近景则使用精模, 以此来解决大场面制作的数据瓶颈问题, 避免了以往三维仿真动画中大型机械模型仿真度不高的缺点。
不一样的设备结构导致所发生的案例也不一样, 大多数煤矿经过整合, 不同种类的机械设备所存在的差异会更多。因此, 设备装置的原始修改堆栈的数据必须保存, 以利于数据资源的再利用, 提高项目完成质量和加快项目完成进度。
采用纹理贴图的制作和处理方法制作逼真度高的贴图, 不仅可以减少模型的面数, 同时可以达到很好的仿真效果。综采机模型如图3所示。
2.1.2 地面和井下巷道建模
地面环境模型主要展现煤矿的外部地貌以及地面各单位和设施的布置情况。井下巷道环境属于有尺度的空间, 所以应依据尺寸参数来构建巷道的三维模型[4]。为使模型更加逼真, 首先通过煤矿地图和实地拍摄实物收集煤矿地面地形的相关数据, 通过巷道和工作面设计图纸来获取井下巷道布置的数据, 然后建立模型。巷道模型如图4所示。
2.1.3 人物仿真
三维仿真动画的主体是人, 人物模型和动作制作是否逼真, 直接反映了整个培训系统的仿真质量。首先对系统中人物的运动特性进行分析来构建基于曲面细分[5]的人体外形建模。曲面细分的建模技术可以使人物运动时产生的效果更加逼真, 在表现人体运动产生的皮肤拉伸和挤压时不会出现失真效果。人体骨骼则采用正向运动和反向运动学技术来进行运动模拟, 使人物模型在模拟动画时更加合理。最后使用蒙皮技术使人物外形模型和骨骼模型进行连接, 形成完整的人物模型。人物仿真的工作量主要集中于模型的动作表现, 应将人物动作分类, 建立人物动作库。为了避免出现人物动作仿真不真实的效果, 首先需要现场请井下工作人员表演容易引起安全事故的动作, 用摄像机拍摄, 然后将动作采集下来作为模型动作表现的分析资料。人物动作可以脱离大场景而单独制作, 但需要一些道具, 如拧螺丝时手中需拿有扳手, 同时还有被操作的对象, 如挡板等, 这些必要的条件应在制作过程中予以满足。因此, 人物动画制作时应该采用“大兵团作战”的方式, 多个人员可以同时完成各种人物动作, 实行程式化制作, 当人物动作完成之后由专门负责的人员来调整人的面部表情、身上配件等。这样就能保证方便快捷、高质量地完成人物动画的制作。人物仿真如图5所示。
2.2 场景构建
基本模型完成后, 需要合成综合的静态场景。把设备和人物模型按照规定的尺寸分别布置在地面场景和井下巷道场景中。布置模型时需要注意模型的大小和距离的比例, 否则会出现不协调现象。合并入支护、电缆、水沟、机电设备及各种管道等设备模型, 使井下环境更加真实。静态场景仿真如图6所示。
由于静态场景仿真无法模仿瓦斯、水灾、火灾等安全事故的场景, 所以采用动态仿真技术十分必要, 本系统采用环境特效编辑器制作爆炸、烟雾等特效。煤矿生产过程中物体下落伤人的事故较多, 如煤块下落、片帮、冒顶等。目前, 大多使用传统的手工方式来描述这类问题, 但感觉不真实, 且费工费时, 在本系统中采用物理模块及反应堆动力学技术, 更真实、自然地反映事故案例的过程。
最后进行灯光的设置, 由于井下环境中物体属性的差异, 使得对井下环境中照明效果的表现难度加大。以往采用普通的标准光照明方法, 其表现力往往不能令人满意。本系统中采用全局光照明, 并使用光线跟踪和光能传递技术, 在后期的特效合成中采用光斑特效和体积光技术。瓦斯爆炸场景仿真如图7所示。
2.3 系统后期合成
前期制作完成后, 要使用Adobe Premiere Pro将前期完成的动画片段和配音等内容进行后期合成, 以形成最终的三维动画[6]。后期将各个片段形成案例素材, 并将生成好的案例素材连接在一起, 同时有一些重要工作需要注意, 例如, 在编辑的同时可能有新的创意产生, 或者需要一些特殊的转场效果和连接技巧, 这时特效的制作就需要与编辑进行协调。最后, 将编成的片段添加背景音效, 采用音效仿真技术将现场中真实的音响效果与画面结合在一起, 给人以身临其境的感觉。
系统的交互式部分使用Virtools DEV[7]进行整合。Virtools DEV可以有效地将3D模型、2D图形和音效等整合在一起, 是具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件, 可以制作出许多不同用途的3D产品。将前期完成的模型导入Virtools DEV进行组合, 以形成完整的场景模型并进行交互式系统的制作。虚拟交互场景如图8所示。
3 关键技术
粒子系统是模拟不规则物体较成熟的一种方法, 该方法充分体现不规则模糊物体的动态性和随机性, 主要用来实现基本模型结构无法实现的运动、形状和动力学效果。粒子系统可以很好地模拟火、水、气体等许多自然景象。本系统使用粒子系统来实现煤流动的动态效果, 把每个煤块都定义为一个有生命周期的、随机运动的、改变运动状态的粒子, 最后动态地控制粒子系统的运动轨迹来实现煤壁片帮、冒顶和煤块沿胶带运动的效果。
碰撞检测是虚拟现实交互的关键技术。碰撞检测问题[8]基于现实世界中一个普遍存在的事实:2个不可穿透的对象不可能在同一时间共享相同的空间区域。为了防止系统中运动的物体发生彼此穿透的现象, 本系统中碰撞、挤压等事故再现和漫游系统均采用碰撞检测技术。由于系统有很强的实时性要求, 同时碰撞检测必须高效、精确, 基于以上要求采用实时碰撞检测技术。
4 系统应用
煤矿安全培训系统由煤矿风险预控、事故案例再现、事故应急救援3个模块组成, 煤矿工作人员可以根据工种的需要选择相关的学习内容。例如, 液压支架工进入煤矿风险预控模块后可以了解到综采工作面中相关的危险源、后果及相关责任。当液压支架工推移、动作支架, 有行人通过或者架前有人作业时, 容易发生顶板垮落、单体支柱倾倒、巷道片帮伤人;支架移动过程中, 支架和溜槽之间容易挤到人。液压支架工还可以控制虚拟矿工模拟操纵综采工作面的液压支架完成降架、移架、升架和推溜的整个操作过程。事故案例再现模块通过三维动画再现国内一些典型的煤矿安全事故案例, 使煤矿工作人员了解到当时事故发生环境、过程及原因。事故应急救援模块模拟几种常见煤矿安全事故和相关人员根据职位的不同做出相应的应急工作, 使煤矿工作人员针对可能发生的事故迅速和有序地开展应急行动, 并实施有效的应急救援工作, 最大程度地减少人员伤亡和财产损失。
5 结语
煤矿安全培训系统从虚拟现实技术出发, 通过煤矿风险预控、事故案例再现和事故应急救援3个方面对煤矿工作人员进行安全培训, 通过高度仿真的三维动画展示和虚拟交互操作使培训人员在学习时有置身于真实环境的感觉, 有效地增强了学习效果, 从而达到提高安全意识、减少安全事故的目的。该系统已经在神东煤炭集团安全监察局得到应用, 取得良好的教育效果。
参考文献
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[2]洪炳镕, 蔡则苏, 唐好选.虚拟现实及其应用[M].北京:国防工业出版社, 2005.
[3]高红森, 栗继祖.基于3D和Virtools的煤矿安全行为模拟[J].太原理工大学学报, 2010, 41 (1) :106-109.
[4]韩可琦, 苌道方.虚拟现实技术在综采工作面仿真中的应用[J].计算机仿真, 2006, 23 (6) :229-232.
[5]沈学利, 张纪锁, 张红岩.基于虚拟现实大型矿山机械建模研究[J].煤矿机械, 2010, 31 (4) :38-40.
[6]王兵建, 张盛, 张亚伟, 等.虚拟现实技术在煤矿安全培训中的应用[J].煤炭科学技术, 2009, 37 (2) :65-67.
[7]刘惠义, 邱云, 张春红.虚拟视景交互漫游系统的实时碰撞检测方法研究[J].河海大学学报:自然科学版, 2005, 33 (3) :339-342.
培训管理虚拟化 篇8
无论是大型的基础机械装备还是成套的先进技术装备,大多是集机械、电子、液压等系统于一体的复杂设备,各个部件之间层次繁多。这就对零部件生产人员和设备装配人员的技术经验要求很高,特别是装配人员,其操作的规范性、熟练度直接决定了设备的可靠性和生产效率及成本。因此,在施工前需要对新装配人员进行培训以保证装配工作的顺利完成。目前常用的培训方式主要有的两种:课堂授课和现场授课。这两种培训方式都是以师傅讲,学员看和听为主,比较枯燥,学员的实际操作机会很少。有些大型设备的装配受环境限制,不允许学员练习。培训的效率很难提高,即使付出了较高的成本也很难达到理想的效果。
针对以上情况,为弥补现有的两种培训方式中的不足,本文通过运用虚拟现实技术、虚拟手势交互技术等,研究开发了一个通用型面向大型机械设备的虚拟装配培训系统及装置。
1 虚拟装配装置的总体设计架构
根据对大型机械设备装配培训的调研,目前培训急需达到的效果[1]如下:
直观性:无需真实操作设备,无需到装配现场,学员也可以学习掌握实际的操作流程,并能够得到相应设备的反馈;系统性:要求学员对整个装配过程有全面、连贯的了解,清楚各操作环节相应的步骤、功能和相应的安全规范;可重复性:培训质量不会随着系统培训次数的增加而降低,学员可以重复性地操作练习;趣味性:使用带有较强互动性的学习模式代替传统的枯燥的填鸭式教学。
为达到以上效果,对大型机械设备虚拟装配装置的总体构架如图1所示。
首先,根据虚拟成像的需求,选择成像方式,设计成像机构。其次,交互需求,比较不同的交互输入方法,设计交互手势并实现。而后通过有效的排列组合设计各种互不干涉的手势模块,实现虚拟场景中的多样化操作。最后,根据场景的需求,对场景模型进行实时监控,将经过处理的三维数据模型转换成数据,变为虚拟环境中可操作对象。再经过编程对其赋予可交互装配的属性,对模型进行动态跟踪而后通过基础信息的计算来实现动态配准。
通过分析系统构架,在保证系统运行速度和稳定性的前提下,对系统的开发平台的选择如表1所示。
2 装置的成像系统的设计
2.1 装置成像方式及材料的选择
全息投影技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的技术[2,3]。它可以从四周观看影像的不同侧面,真正呈现3D的影像。现在的全息投影还是高新技术的走向,目前使用为时过早[4]。所以,现在使用的大多是中低成本的伪全息技术,并非真正的全息。
本文利用的一种“全息”技术,可实现360度环视,是通过四个面将不同角度的画面衍射并合成一个立体的对象,这个对象可以是静态的,也可以是动态的。如图2所示,分别是“正金字塔型”与“倒金字塔型”的360度“全息”成像示意。由于“正金字塔型”成像方式光源在上方,当设备体积偏大时,不利于安装和搬运。“倒金字塔型”光源在下方,考虑到人的操作高度,可以避免用户看到光源,方便安装、维修调试。所以,最终选定“倒金字塔”成像方式。
由于“正金字塔型”成像方式光源在上方,当设备体积偏大时,不利于安装和搬运。“倒金字塔型”光源在下方,考虑到人的操作高度,可以避免用户看到光源,方便安装、维修调试。所以,最终选定“倒金字塔”成像方式。
2.2 装置成像的原理
运用单面成像原理,选用丙烯酸树脂玻璃进行测试,分别比较了不同反射角度时视角不同的样子。单面成像原理如图3所示。
反射面通常是放置在图像的45度来隐藏源图像的,若使用一个更大或更小的角度将会改变视角的最佳视点,如果视角不改变会线性地扭曲图像,因此选用45度倾斜角。
2.3 显示装置及辅助装置的设计
首先通过虚拟模型的建立确定了当合成四个面与平面都成45度时,组成“金字塔”的各个三角型的顶角的角度为70.5度。按照这一角度,将树脂玻璃切割粘合,就可以得到一个立体的棱镜组合。通过测试可以发现越接近棱镜尖部,成像范围越小,因此可以舍弃尖部,将尖端做成平面,用于整个棱镜组的支撑而不会影响成像效果。如图4所示,需要在每个成像面下方放置相应的成像来源———显示器,并设计定位框来定位显示器。
具体可分为五个部分:
①成像装置:由四个显示面环形拼接,操作者可以调节机器使其自动播放图像
②支撑架:支撑架的四个腿插入立柱上方四个支架的孔内,支撑架上方的平板与成像装置下方的玻璃板依靠螺栓连接,进一步实现对成像装置的固定。
③定位框:固定成像装置。
④显示器承重装置:用于承载四个显示器。
⑤显示器:一共有4个,分别放置在显示器承重装置的凹槽内。
设计装置中部时,中部的立柱内部采用中空的形式,减少了机器的制造成本和重量。立柱上方延伸出来的四个同样为中空的支架,机器的支撑架的四个腿恰好插入立柱中空的支架内,起到对支撑架的定位与固定的作用。同时,显示器电源线、VGA线皆从立柱内部布线,使外观更简洁美观,也避免了因外部线路过多而造成的不安全因素。立柱内部结构俯视图,如图5所示。
装置的底部采用中空设计的底座。其具有两个作用,一方面作为机器的整体支撑装置,另一方面采用中空的方式,可使电脑主机放入其中,还具有保护电脑主机的作用。图6为底座示意图。
最终成像装置总体如图7所示。
3 装置的交互系统的设计
3.1 虚拟装配交互的需求分析
要完成装配的仿真模拟,首先需要对实际装配过程中的基本动作流程进行分析并且归类,比如某些零件可以先进行装配,再一同装配到其他零件上。表2中列举了设备工艺中常见的几种装配动作形式以及实例。
从表1可以看出,实际装配中的交互主要就是对零件实现旋转以及平移操作,零件间的面接触、位置约束、轴线重合、角度约束等都是通过旋转及平移而实现的;在虚拟环境中对零件模型的操控要求即是对虚拟元素进行移动旋转来达到设备组装工艺的要求。
3.2 装配培训交互的实现
(1)交互输入的要求
面向大型设备虚拟装配装置的操作主要是控制场景中模型的移动和旋转。对交互性的具体要求有五点:极高的定位精度、够快的相应速度、较好的沉浸性、可使用双手交互、操作流畅。
(2)交互输入设备的选择
针对现今市面上各种虚拟培训装置来分析,表3列出了常见的交互设备并进行了对比。
综上,最终选择Leap Motion作为交互设备,Leap Motion控制器可追踪全部十根手指,精度高达0.01毫米。用户可以像在真实世界一样随意在三维空间使用双手来抓取虚拟物体进行移动旋转等操作。
(3)基于Leap Motion实现交互的原理
Leap Motion遵循右手坐标法则,坐标系中的单位与世界中一毫米相对应,设备的中心对应坐标原点。XZ轴组成水平的一面,Z轴正方向指向屏幕外。Leap Motion通过获取视野范围内的手、手指或工具来获得实时数据,每一帧都包含一系列基本的绑定数据,如表4所示。当设备检测到范围内有手、手指或类似工具的话,作为标记设备会赋予它一个唯一的ID号码,只要这个实体持续在可视区域内运动,这个ID号就保持不变。一旦设备丢失这个实体之后再次出现了时,会赋予一个新的ID。例如,使用一个手来操作,在经过设备获取后,这个手对象就映射到Hands在手列表中的虚拟对象。如果你绑定了单独的一个物体,比如一个手指头。那么每一帧中都可以通过特有的ID和那个物体关联起来,并且可以在新的帧里面找到它。可使用以下的方法来找到相应的类型物体:Frame.Hand();Frame.Finger();Frame.Tool();Frame.Pointable();Frame.Gesture()。如果在当前的帧里面存在的所定义的对象时,这些方法函数会返回相应的引用对象。如果不存在则会返回一个特殊的无效对象,这样就减少了对空对象的检测工作。
本文装置交互目标是实现典型的移动旋转等。如果将两只手同时向左移动,则需要保证设备检测到移动的信息;如果弯曲手部旋转,则需要保证检测到旋转的信息。因此需要实现,如果有一个手在其中的话,那么就基于一个手的因素来分析;如果两个手的话,就基于两个手的因素来分析。表5列举了手势动作合成所需的一些属性,通过自定义添加手势来操作这些物体。
(4)交互手势的行为设计
Leap Motion以手势为单位来分析某一个运动模式,在运动模式中包含了用户的想法或者命令。对于每一个观察到的手势,设备就会在frame中放置一个Gesture对象,在每一帧都更新手势的进度,Circle和Swipe是连续的手势,点击是分离的手势,使用了一个单独的Gesture对象响应点击。基础交互功能如表6所示。
(5)零部件模型拾取的实现
安装好Leap Motion设备后,用其负责捕捉数据并利用部分简单API进行打包以保证其易于使用。这时需要利用指向物数据,来通过移动手指去控制屏幕上某个元素的位置。
第一步,获取指尖的具体位置。下面的代码是用来获取单个指向物的原始坐标:
Leap Motion会以极高的精度检测出学员手部难以察觉的细微活动。获得学员手指的物理坐标后,将其与浏览器窗口内的位置进行关联。这里采用标准化定位机制,即将某个物理点的原始坐标转换成能够代表该点的在互动框中相对位置的等效数值。标准化坐标使用浮点数值格式,具体数值在0到1之间。想要获取浏览器窗口中对应点的相对数值,只需将X与Y值同目标区域的高度与宽度相乘即可,代码如下:
利用标准化定位机制和DOM元素,可以在屏幕上绘制手指的具体位置,只需创建一个具备绝对位置的div,而后将其top与left属性分别设置为对应的X与Y坐标。这样在Leap Motion控制器上方移动自己的手指时,屏幕上的虚拟元素也将随之发生移动。下面的代码利用for Each方法对pointable列表进行了遍历,使用pointables数组中的第一个元素完成了单一手指的动作扑捉,通过逐步探寻数组中第一个元素的方法,可使每根手指都成为可操作对象。
其中,clearRect方法在处理每一帧图像时都会被调用一次,以确保前一帧所绘制的矩形切实得到清除。这样通过对各个手指的实例化,就能在屏幕上出现一双虚拟的手,如图8所示。通过操作虚拟手来拾取虚拟空间中的零部件,被选到的零部件将高亮显示,如图9为零件的拾取效果图。
(6)手势识别逻辑的设计
依据人手在一个人机交互计算周期内位移是否发生变化,可以判断该触点是属于动点还是静点,当人手在感应范围内移动时,根据传来的数据信息依次添加到手指pointable列表中[13,14]。手势识别逻辑如图10所示。
4 虚拟培训场景的设计
4.1 四面成像的实现
为了能够实时地传输出四个面,最好的方式就是一个输出源控制四个输出,并且输出内容正是虚拟环境中渲染的对象。考虑到作为一个培训装置,其对后续内容的可扩展性要求高,本文选择Unity3d作为开发平台[15,16,17]。在Unity里通过将四个摄像头放成90度的间隔,来实现对虚拟场景中的物体实时四面输出。
4.2 装配过程中动态配准的实现
在实际培训过程中不可避免的是通过肉眼来判断虚拟世界中的三维位置而造成的误差,例如面与面的平行度、轴孔配合时的平行度等,这对装配培训的效果有很大的不利因素。如何使学员快速并精确地进行装配,本文使用一种简化的约束关系模型,即根据装配零件和待装配零件的空间位置关系来进行动态对准两模型的位置。
若要对装配过程进行动态配准,实质上是对虚拟场景内的各零部件的六个自由度进行连续实时约束(即实时监测两模型之间的位置关系)。当两个零部件在装配时存在一定的偏移,此时就自动进行动态配准,将该模型的位置向理想位置进行差分匹配接近,以实现该自由度的约束。当六个自由度都被约束时就完成了精确的装配。通过调整移动和旋转的动态配准阈值,就变向改变了整个交互的完成速度。
5 应用于太阳能单晶炉的装配培训
太阳能单晶炉是一种大型精密机械设备,生产线自动化程度较低,组装基本只靠人工,因此组装人员的技术直接影响了单晶炉的生产率和质量[18,19,20]。其装配人员的培训要求主要包括:熟悉主要组成结构;了解主要工艺流程;掌握工艺中关键知识点。针对单晶炉培训系统主要利用数据库建立相应的存储结构,构建了包括装配模块、演示讲解模块、用户管理模块等。其中,使用3Ds Max进行建模、Photoshop处理贴图,完成三维模型的构建,使用NGUI设计了交互界面,可用特定手势“打开”“关闭”界面相应菜单。操作过程的界面如图11-12为学员进行实际操作。
6 结束语
培训管理虚拟化 篇9
关键词：三维,仿真,OSG,虚拟现实,集控站,碰撞检测,定位
0 引言
集控站仿真培训是提高集控站运行操作人员素质、保证电力系统安全稳定运行的重要手段之一, 要求能够实现变电站人员的常规操作培训和故障处理演练。目前集控站仿真培训系统通过采用3D虚拟技术, 基本实现了一次设备场景和监控的仿真, 在功能上能够满足培训要求, 其低培训成本和模拟现实的效果, 都被业内人士所看好。但是经过与用户的沟通后发现, 培训系统实际投运后的使用效果却不尽人意, 一般只限于技能考核, 甚至当做摆设, 没有获得其应有的经济效益。经过调查, 发现一次设备培训部分存在操作方便性的不足、数值量的显示缺乏以及故障体现不够灵活等缺陷, 影响了用户将其当做主要培训手段的决心。PCS-9000集控站仿真培训系统覆盖监控系统、二次屏柜和一次设备的全部培训环节, 本系统在满足基本培训功能的基础上改进了场景巡视的方便性, 并且丰富了温度、档位等数值量的显示, 故障表现形式多样化, 且可以在一次场景内的任何位置设置, 提高了系统的实用性。主要介绍这些功能的技术实现。
1 系统结构
本系统基于Sophic分布式实时库平台开发, 在平台基础上开发了监控仿真、二次屏柜仿真和三维一次设备仿真, 并以教员和学员2种节点类型进行分布式部署。教员和学员节点之间通过Sophic平台共享SCADA仿真数据和传送消息。教员在教员节点上设置仿真数据和教案, 并控制培训的进程, 记录培训数据, 最后对培训结果进行评分。学员在学员机上的3D仿真工具上完成监控、二次设备以及一次设备的操作培训 (见图1) 。着重介绍一次设备仿真部分的几个重要功能的实现。
2 一次设备仿真程序结构
一次设备仿真程序主要实现一次设备和故障展示, 提供鼠标和方向键漫游, 提供鹰眼图和设备定位功能, 为教员提供故障点设置功能, 为学员提供一次设备的巡视、倒闸、挂牌、验电等操作。教员和学员节点都部署一次设备仿真程序, 不同之处在于, 教员节点上的一次设备仿真程序可以配置教案中一次场景的故障, 学员节点则不能。一次设备仿真程序采用三层结构设计:人机交互接口层采用QT4编写, 提供操作的主界面。采用OSG 2.8.2开发包来负责三维场景的管理、天气、漫游控制以及优化处理等, 采用Sophic平台来完成设备信息的获取以及操作的执行和记录 (见图2) 。
根据投运和使用过程中用户的反馈可以看出, 在一次场景仿真方面的需求、满足完整的故障模拟培训和倒闸操作过程之外, 主要优点集中在:漫游方便, 可以灵活定位、可灵活模拟故障, 可灵活设置缺陷。
3 漫游与碰撞检测
在一次设备场景中的漫游, 是通过键盘和鼠标的操作来实现的, 通过控制摄像机的视点和方向, 模拟在真实的场景中的行走。控制摄像机需要从osg GA::Matrix Manipulator派生类MOnline Cruise, 并将该派生类的一个对象加入到场景的视口osg::Viewer的摄像机控制器中。在派生类MOnline Cruise中, 对键盘和鼠标事件进行处理, 改变摄像机的视点和方向。
碰撞检测涉及到2种情况:判断角色是否与前面的物体 (设备或建筑物) 碰撞;保证角色按照地形 (地面和楼梯) 漫游。在建模时通过配置将物体和地形分别管理, 碰撞检测时也分别处理。对于第1种情况, 遇到与物体的碰撞, 则停止移动。通常采用的方法是用单线检测 (当前视点与目的视点的连线, 与物体是否相交) 的方式, 这种方式检测速度较快, 但是准确性太低, 容易造成从设备的缝隙穿过的现象。如果采用物理引擎来进行碰撞检测, 精确度很高, 但是影响效率。从实际要求出发, 采用双线检测的方法, 既保证了速度, 也提高了准确性。双线检测的方法是建立2条视线, 一条是视点与目的点的连线, 一条是视线下方与目的点下方 (如50cm) 的连线, 一旦遇到碰撞, 则停止或沿地面改变高度和方向。有了2条线的检测, 可以保证基本准确的碰撞检测, 避免穿洞而过的现象。对于第2种情况, 稍微复杂一些, 可以选取视点下方与地面接近的某个点以及目的点下方相同位置的点, 形成检测线, 与前方地形进行检测。如果前方地形是升高, 能检测到碰撞, 从而改变新视点的高度, 以适应地形;如果前方地形是降低的, 则检测不到碰撞, 视点处于悬空状态, 需要再次垂直向下与地面碰撞, 找到地面的碰撞点, 从而得到新的视点位置。在集控站的一次设备仿真中, 为了简化, 假设地形都是水平或楼梯, 不带斜面, 否则地形的碰撞还需要计算碰撞点的法线来确定视点的新位置 (见图3) 。
4 数值显示
一次设备有很多数值量的指示, 比如压力、温度、档位等。作为仿真培训系统, 如果要达到全面的培训效果, 这些数值的显示不可或缺。对于数值量的显示, 可以采用弹出2D画面的方式来实现, 但是真实性比较差, 因此, 本系统采用了动态纹理的方式实现对数值量的显示。以档位为例, 在场景配置时, 在变压器档位的位置建立一个档位节点, 定义其对应的档位对象。运行时从实时库获取档位数值, 根据数值实时生成动态的纹理图片, 将新纹理图片更新档位节点的纹理, 这样就可以显示出档位效果。代码如下所示。
根据数值生成动态纹理图片的方法是创建一个空白QImage, 然后在QImage上绘制, 对于表盘类的数值, 可以在QImage上绘制表盘和指针;对于直接显示数据的, 可以在QImage上绘制数值字符串, 然后再将QImage图片转换为OSG纹理图片osg::Image。
5 挂牌实现
挂牌是变电站运行人员常见的操作, 可以在任何位置挂牌。在配置文件中配置好可挂设的标识牌信息, 包括牌的编号、名称、图片和大小。挂牌的实现方法是通过场景中鼠标的点选, 获取点击的坐标pos和法线vert, 根据牌的参数、坐标pos和法线vert, 创建中心在为点pos, 并垂直与法线vert的牌节点nd。
创建标识牌过程的伪代码如下:
1) 创建一个叶节点geode
Create (osg::Geode*geode) ;
2) 根据法线, 计算牌平面与各个轴的夹角Ax, Ay, Az
Caculate (Ax, Ay, Az)
3) 创造一个原点的长方体, 长宽高分别在XYZ轴
Box=Create Box (zero, x, y, z) ;
4) 将其加入到节点中
geode->add Drawable (box) ;
5) 根据牌号创建牌的纹理图片
img=Get Tag Image (tagno) ;
6) 启用单元自动生成纹理和纹理坐标
stateset=geode->get Or Create State Set () ;
7) 将纹理图片应用于纹理
tex=osg::Texture2D (img.get () ;
stateset->set Texture Attribute And Modes (0, tex) ;
8) 创建矩阵变换节点nd, 并将mt旋转和平移
nd.make Rotate (Ax, Ay, Az, 1.0, 1.0, 1.0) ;
nd.make Translate (pos) ;
9.将叶节点geode加入旋转矩阵变换节点
nd->add Child (geode) ;
6 一次场景的故障和缺陷设置
一次场景中需要灵活体现故障和故障的位置。一般来说, 一个设备相关的故障比较容易实现, 只需预先在设备建模时定制, 在故障仿真时显示即可。但是对于设备间故障和线路上的故障就不太方便预先定制, 而且预先定制的内存和显示开销大, 且无法灵活放置故障点的位置。为了减少开销, 本系统采用由教员机在一次场景中自己设置故障点的方式实现, 它不仅能灵活地设置故障点的位置和表现, 还能实现用3D无法或很难虚拟出真实效果的一些缺陷或故障。实现的方法是通过点选, 获取点击的坐标, 在该坐标按照输入的故障参数 (大小和效果) 创建一个故障节点, 同时将此故障的参数和位置信息存入教案库中。故障仿真时, 从教案库中获取故障参数和位置, 重现该故障。
7 鹰眼图和设备定位
鹰眼图是一个常用功能, 通过鹰眼图可以快速定位到场景中的某个位置, 提高其方便性。本系统采用一种简单方式实现了比较准确的鹰眼图功能。在3dsmax中绘制场景时, 在顶视图用鼠标察看并记录有效区域的坐标范围, 记录为X0, X1, Y0, Y1, 并将顶视图渲染到一张图片中, 改变顶视图的渲染参数, 保证图片清晰, 并用画图工具将有效区域剪切出来, 形成新的图片保存为e a g l e.p n g。鹰眼窗口显示图片eagle.png, 图片铺满鹰眼窗口并随鹰眼窗口的大小而缩放, 鹰眼窗口的宽度和高度为w和h, 由于窗口坐标右上角为原点, 而场景坐标以中心为原点, 那么场景坐标Sx, Sy与鹰眼图中坐标Ex, Ey之间的相互转换如下公式所示:
有了以上的坐标转换关系, 当场景中视点位置变化时, 可以计算出在鹰眼图对应的坐标, 并以光点在鹰眼图上显示;当用户点击鹰眼图的某个位置时, 可以计算出对应场景中视点的坐标, 将视点定位到新坐标。这样就形成了鹰眼图与场景漫游的跟随和定位功能。鹰眼如图4所示。
设备定位常规方法是找到设备, 计算其包围盒, 以包围盒外的某一个点为新的视点, 以包围盒的中心为方向来定位。这是一种很通用的方法, 但缺点就是定位不准确, 无法定位到用户想要的位置和视线, 因此, 本系统采用了预设位置的方法。在仿真开始前, 教员在一次设备虚拟场景漫游到一个设备 (如开关2801) 前, 确定合适的位置和方向, 然后将当前位置、方向和设备信息保存入库。仿真开始后, 需要定位到该设备 (如开关2801) 时就可以直接跳到指定的位置和方向。这种方法虽然多了一个预设位置的步骤, 但却能达到最佳定位效果。
8 分布式的实现
分布式是仿真培训系统的必备功能之一, 教员在培训中必要时需要监视学员在场景中的操作。教员机上的一次设备仿真软件具有2种模式:操作模式和观察模式。操作模式时教员可以在场景中设置故障、缺陷等教案内容;观察模式时, 可以选择观察某个学员的场景, 学员在场景内的所有操作, 如挂牌、挂地线、设围栏、开关门、行走、空开操作、开关刀闸操作等, 均同步在教员机上显示。实现的方法是学员机作为RTI的服务端, 教员机的观察模式作为R T I的客户端, 采用Sophic图形的多节点的分布式功能, 从服务端将设备属性、故障设置信息、场景操作信息同步到教员机。设备属性定时发送, 故障设置信息和场景操作信息即时发送, 发送时带学员ID, 教员机收到信息后, 更新设备属性, 显示故障和执行学员的操作。这样基本上保证了教员机与学员机的同步。
9 结语
介绍了PCS-9000集控站仿真培训系统在一次设备三维仿真中的几个关键技术实现。包括漫游和碰撞检测、数值量的显示、挂牌、灵活设置故障点和设备缺陷、鹰眼图和设备定位以及分布式场景等。通过这些技术的实现, 大大提高了培训系统一次设备虚拟场景的可用性, 使得培训内容更加完整, 操作更加方便快捷。通过现场实践证明, 该系统能很好地满足用户的需求。
参考文献
[1]王锐, 王学雷.OpenSceneGraph三维渲染引擎设计与实践[M].北京清华大学出版社, 2009.
[2]刘秀玲, 杜欢平.分布式多交互虚拟场景渲染的协同控制[J].计算机工程与应用, 2009.45 (29) .