本文是一篇工程硕士论文，本文针对电气安全教学的现状，通过分析教学资料和研究现状，有的放矢的找到技术与教学的结合点，提出了电气安全虚拟仿真教学系统的设计方案。分析了系统开发涉及的虚拟现实技术、AI技术、心理学行为矫正技术，为提高用户安全意识，减少违规行为提供了理论支撑。
1 绪论
1.1 选题背景
随着社会的发展、经济的增长和国家科技的进步，高速、高能用电设备和产电、输电基础设施已经完全融入到人们的日常生活中。电力系统运行复杂且庞大，涉及到相当多的电能设备，因此安全风险也较大。近年来，电气事故层出不穷，违章违规行为屡禁不止，因安全问题造成的人员死亡案件逐年增加。据国家统计，2016年全国触电死亡8000余人，在180起事故中死亡占比为84.69%[1]，引起了全社会的广泛关注。
电气安全工程是高校的一项重要教学任务，但因传统教学内容多、知识密度高、专业跨度大、场景事故再现难、教学课程时间短、学生人数多等问题，导致教师教学任务繁重，学生积极性不高、知识转化率低等情况。尽管在多方努力下，教学问题得到了改善，比如使用现场操作视频、采用场地实训教学等方式，但是这些措施还是单向的信息转递[2]，远没有实践出真知的效果，且投入资金大、覆盖面积小，在面对日益增长学生数量的问题上，传统教学逐渐乏力，亟需一种新方法来应对教学窘况。
虚拟现实是一种囊括软件、控制、光学、材料等多个学科，使用灵境技术创造生动逼真的虚拟环境，通过显示设备让用户能够感知虚拟环境[3]。虽然虚拟现实这个概念早期就被提出，但由于当时设备处理能力不强，虚拟环境所带来的沉浸感较弱，因而没有普及。2016年是VR元年，此时CPU、GPU和制作引擎的处理性能大大提升，已不可同日而语。虚拟现实具有四个重要特点：沉浸感、交互性、想象性和智能性，广泛用于军事、航天航空、娱乐游戏行业，但在电气安全教学中，尚处于起步阶段。
............................
1.2 虚拟现实在实验教学中的研究现状
1.2.1 国外研究现状 虚拟现实拥有一个丰富漫长的历史，早在1935年，一名外国小说家Stanley G.Weinbaum在其作品《Pygmalios’s Spectacles》中提出了虚拟现实的原始概念，指出了虚拟现实在未来的发展方向。经过1957年三维显示及多感官呈现技术、1961年头戴显示器跟踪技术、1968增强现实头戴显示器设备、1980年微型化的发展，直到1984年Jaron Lanier正式提出虚拟现实的概念。虚拟现实诞生之时就被用于军事、航空航天训练，之后也被用于虚拟社交、家用游戏等[4]。近年来，虚拟现实技术正在广泛用于安全教育教学，取得了显著的效果。
2006年，韩国高丽大学电气工程学院开发了针对现场工作人员的教育训练系统。通过教学训练，用户可以操作配电系统进行实时开关更换和调试工作，虚拟的培训教学系统为小空间提供了重复且低成本的实践操作，还可以保证操作过程中的安全[5]。
2009年，巴西巴拉那联邦大学工程计算学院开发了一种使用桌面虚拟现实技术的水力发电学习系统。该软件可以通过计算机模拟，图形输出和动画来了解UHE物理结构之间的关系。使用基于实践的学习方法，引导学生自主进行知识探索，最后与进行传统教学的学生比较，学生的实践能力和知识转化率都明显提升[6]。
2016年，韩国电气安全研究所开发了基于虚拟现实的电气安全教育系统，用户通过操作电气安全教育系统，并使用触觉设备提供了电击刺激。在实验结束后，根据年龄和性别计算出适当的点击刺激值，构造了用户在家庭环境中体验电气安全的场景，并设置了相关的教育内容。结果表明，该系统的教育效果优于现有的多媒体学习方法。通过实施电刺激的电气安全教育可以提高学习效果，并且这种体验式教育能够有效预防电气事故。
..................................
2 系统需求与关键技术分析
2.1 教学需求分析
在电气安全工程的实验教学课程中，火灾和爆炸往往是重大的人身伤亡和设备损坏事故，不论是发生频率还是所造成的经济损失，在火灾所占的比例都有上升的趋势。电气火灾火势凶猛，如不能及时扑灭，势必迅速蔓延[14]。这就要求学员必须熟练操作步骤和拥有充足的现场操作经验，仅通过课堂教学很难让学生彻底掌握。
在用电安全教学方面，尽管大众从小就被教育远离带电物体、义务教育阶段也学习了安全用电知识，但是由于电的概念较为抽象，很难用直观生动的形式表现出来，而且考虑到安全因素，很难通过实践的方式去理解，这就造成了学习转化率低的问题[15]。
同时，在教学过程中，很多讲师也常常以讲代做，仅通过教材中的图片和文字进行讲解，削弱了与学生的互动性，使学生难以产生兴趣，导致了许多学生很难对电气知识产生感性认识和深入理解。
尽管在多方的努力下，众多的多媒体技术被应用到教学中，也产生了很多积极的作用，比如PPT课件、现场操作视频等，但是这些方法都是单向的信息传递，远远达不到实践出真知的效果。
对于现场学习人员，不论电气火灾还是触电训练，都不可能现场练习，但是一旦出现，很容易造成路断人稀的局面[16]。因此在传统教学中都具有不可实现性，而虚拟现实技术恰好弥补了这方面的缺陷。另一方面，由于电气灭火和电气救援的技能都需要遵循流程式步骤，而这些步骤完全可以通过虚拟现实技术反复训练彻底掌握。
..........................
2.2 系统需求分析
根据教学需求分析，仿真系统的功能应包含以下几点：
（1）仿真系统应具有教学指导模块，比如对触电的原理和触电后的急救措施进行演示和讲解。 经过学习后，一方面可以使参与者深入了解触电的机制，强化自身对电的安全意识，另一方面可以使用户改变对电的认知，纠正恐惧情绪网络，减轻精神压力负担[17]。
（2）模拟电气灭火事故。由于火灾发生后，电气设备和线路可能带电，可能引起触电事故。 仿真系统应该模拟触电危险和断电操作步骤，使用户充分了解带电灭火的安全要求，学会对充油电气设备的灭火。
（3）由于电的概念较为抽象且具有危险因素，同时学习过程中枯燥无味，难以产生感性认识，应在虚拟环境中以三维视频的形式表现。
比如常见的触电情况、触电反应，使参与者对触电产生直观的理解，提高警惕心理，远离危险。
（4）仿真系统应具满足的交互性的需要，需要设置足够的碰撞器、触发事件以及粒子特效，添加足够多的光源，提高虚拟环境的沉浸感，满足参与者的需要，使参与者所见即所得。
（5）仿真系统应具有知识测试模块，以便在体验仿真系统后，检查在虚拟世界获得知识的迁移程度。
（6）仿真系统应加入立体音效模块。除可以立体化指导用户按照流程操作外，还可以提高操作中的体验感。
................................
3 模型开发 ......................... 25
3.1 三维建模 ........................ 25
3.1.1 建模路线 ...................... 25
3.1.2 简化模型 ................. 26
4 仿真系统开发 ........................... 37
4.1 UI界面 ............................... 37
4.1.1 UI色彩搭配 ......................... 37
4.1.2 UI框架 ....................... 37
5 系统功能测试 ............................. 73
5.1 系统测试环境 ....................... 73
5.2 仿真系统效果展示 .................... 73
5 系统功能测试
5.2 仿真系统效果展示
5.2.1 登录界面效果
打开系统后，首先进入仿真教学登陆注册界面，当用户正确输入注册的账号密码才能进入主界面，登陆界面如图5-1所示。
工程硕士论文参考
5.2.2 主界面
登陆成功后进入主界面，主界面融合了VR元素，以立体舞台展现，旨在带给用户简洁方便的操作体验。主界面包含场景选择、答题测试、视频教学和系统设置模块，鼠标点击即可进入。与传统交互习惯一致，退出系统图标放置在右上角，主界面如图5-2所示。
工程硕士论文怎么写
.....................................
6 总结与展望
6.1 研究总结
本文基于虚拟现实技术、建模技术、人体动力学仿真技术、非线性编辑技术、AI技术、图像处理技术、心理学行为矫正技术、数据库等技术，开发了电气安全虚拟仿真教学系统，该系统具有课堂教学、视频教学、场景操作和知识测试等功能，为传统教学增添了新的篇章。主要内容如下：
（1）针对电气安全教学的现状，通过分析教学资料和研究现状，有的放矢的找到技术与教学的结合点，提出了电气安全虚拟仿真教学系统的设计方案。分析了系统开发涉及的虚拟现实技术、AI技术、心理学行为矫正技术，为提高用户安全意识，减少违规行为提供了理论支撑。
（2）针对系统的需求分析，详细阐述了仿真系统的设计方案，同时对开发所涉及的建模技术、渲染技术、引擎技术、着色技术、AI技术和数据库等关键技术进行分析，论证了系统的可行性。
（3）分析研究了三维模型、骨骼动画、三维视频的制作流程，详细阐述了模型简化和蒙太奇手法，使用三维建模技术、人体动力学仿真技术、非线性编辑技术完成了底层资源的开发。
（4）基于VS开发环境和C#语言设计了胶囊控制器、UI界面框架、AI模块，同时根据视觉-前庭理论，推出了减缓晕动症的功能。探讨了系统界面的最佳色彩选择，基于图像处理技术设计了界面方案。基于C#高级语言开发了多种漫游方式，可选低廉的漫游方式实现场景教学，提高了教学灵活度。
（5）基于Unity3d引擎实现了课堂教学、视频播放、知识测试等模块，基于有限状态机开发了角色的行为层，基于光线渲染技术烘托了场景，使用TimeLine工作流模拟了真实现场，使用粒子系统实现了多种特效，基于数据库技术完成了登录模块和考核模块的开发。
参考文献（略）