一种基于沉浸式虚拟体验的机房实训系统及设计方法

摘要

本发明公开了一种机房实训系统的设计方法，包括以下步骤：使用三维开发工具对服务器、交换机、调度大楼的三维模型进行建模及优化；建立三维虚拟机房场景；对于需要自动漫游的场景，设计交互式手柄漫游和摄像机自动漫游两种方式，并添加语音及字幕；利用计算机动画技术、粒子系统技术和脚本对系统平台的交互模式进行设计；结合公司网络实际分布，对实训项目进行设计；对设计的交互方案进行评价测试；完成系统的优化及多格式发布。通过本发明设计的机房实训系统，能使学员和信息运维人员快速掌握机房布置及交换机设备功能、走向和消防应急演练等，发生断网故障时，便于快速定位并娴熟的解决问题，同时可提高信息班组日常工作效率。

说明书

技术领域

本发明属于交互式虚拟仿真平台，具体涉及一种基于沉浸式虚拟体验的机房实训系统及设计方法。

背景技术

信息机房中包含服务器、交换机、光缆、空调等多类设备，目前机房巡视以人工巡视为主、机房相关工作交接及工作内容的展示、存储形式单一(文本、图片等二维形式)，并且口头训练、ppt展示内容不够丰富、效果不佳，缺乏对新人的培训教育方式的创新。传统的培训形式存在无法确保每个信息运检工迅速对机房布置、设备功能及走向有整体的掌握和应急处置能力的问题。

现有技术中相关仿真机房平台中，未将机房设备各种指标数据实时传输、交换机分布走向、消防实训和信息安全知识宣贯等模块应用其中，娱乐性偏强，交互方式、启发式实训内容匮乏，实效性不足。并且现有技术中仿真在虚拟环境中设计实训测试时，未充分结合工作实际，将日常工作中遇到的故障问题合理应用于实训虚拟训练中，以至于现有研究及应用起不到实训教育的效果。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于沉浸式虚拟体验的机房实训系统，使学员和信息运维人员快速掌握机房布置及交换机设备功能、走向和消防应急演练等，弥补对设备认识方面不足，规范机房巡视及应急处置方案，发生断网故障时，便于快速定位并娴熟的解决问题，同时可提高信息班组日常工作效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于沉浸式虚拟体验的机房实训的设计方法，具体包括以下步骤：

1)使用三维开发工具对服务器、交换机、调度大楼的三维模型进行建模及优化；

2)建立三维虚拟机房场景，并将包含动画的服务器、交换机、调度大楼等比例放置在虚拟场景中，并添加碰撞盒和触发器，进入对应设备范围内，以字幕和语音介绍的方式展示；

3)对于需要自动漫游的场景，设计交互式手柄漫游和摄像机自动漫游两种方式，并添加语音及字幕；

4)利用计算机动画技术、粒子系统技术和脚本对系统平台的交互模式进行设计；

5)结合公司网络实际分布，对实训项目进行设计；

6)对设计的交互方案进行评价测试；

7)完成系统的优化及多格式发布。

其中，步骤4)中交互模式的设计具体步骤包括：41)进入系统简介与交互工具引导使用的引导界面，以动画的形式使用户在虚拟环境中掌握手柄、按键的功能；42)完成认知步骤后，用户进入功能模块选择的系统首页，在用户在使用模式中选择VR体验模式或者2D展示模式；43)进入对应模式的系统首页，在系统中进行内容选择与体验。

系统的交互使用模式分为VR体验和2D展示两种；其中VR体验模式由HMD头盔和手柄的配合实现交互展示体验；2D展示模式主要以鼠标移动、鼠标点击的形式在屏幕上进行虚拟展示交互，弥补了无硬件设备的一种体验方式；

步骤5)中实训项目的设计具体包括：结合公司网络实际分布，在三维环境中通过虚拟虚拟展示和交互式体验技术的沉浸式交互、视频播放和动画演示介绍公司网络拓扑、交换机、服务器、光缆的位置、走向和功能，并进行常见服务器、交换机断网故障处理方式以及消防演练相关内容的任务布置，由体验者处理与解决；并对处理方式和结果根据设定的不同打分方式进行打分，记录至后台数据库。

其中，实训项目设计中的任务布置具体包括服务器、交换机断网与日常工作实训和消防演练实训；

其中服务器、交换机断网与日常工作实训具体包括练前基础学习、交互方式引导使用、设计实训内容、内容测试；

所述练前基础学习：服务器数据不同步、市县通讯录不同步、服务器系统卡顿、服务器备份、磁盘合并、防火墙策略配置与开通、恶意域名处理、补丁分发、IP分配、U盘制作与修复、视频平台调试与故障处理、交换机配置与安装调试、网络安全知识与漏洞挖掘、耗材采购与发放的日常工作；

所述交互方式引导使用：利用手柄触视觉反馈提示、粒子特效、动画介绍形式使体验者熟悉交互工具的引导使用，熟悉常用动作如抓、放、移动、漫游、凝视、UI选择与点击操作方式；

所述设计实训内容：在三维虚拟机房中设计一台虚拟计算机使用VR手柄、键盘鼠标完成训练与测试；

基础知识训练：根据示例演示和操作指示，完成训练内容，训练内容的基础为基础先验知识。

内容测试：根据基础学习内容动态设计测试日常工作内容和断网的故障处理，测试场景而非完全出自训练内容，同时每次完整测试包含五项内容，最后根据是否完成任务进行分值评估；

其中消防演练包括工具引导使用、设计消防实训、消防知识训练和测试与评估；

所述工具引导使用：利用手柄触视觉反馈提示、粒子特效、动画介绍等形式使体验者熟悉交互工具中手柄、头盔、鼠标键盘的引导使用，熟悉常用动作如抓、放、移动、漫游、凝视、UI选择与点击操作方式，以及常用灭火器的知识与应用场景的先验知识和内容；

所述设计消防实训：根据智能机房消防实训系统模块，结合htc Vive头盔、手柄、定位器模拟不同场景下的火灾训练场景和测试场景；

所述消防知识训练：根据不同灭火器使用方式及场景等先验知识，设计消防实训场景并使用粒子特效动态模拟火势强弱及蔓延效果，按照机房火灾实训流程和打分机制，对体验者完成训练和测试进行得分评估；

测试与评估：结合灭火器使用方法和实训内容场景中的网络设备区、服务器区、空调区，并动态设计新应用场景包括办公区、电源区、耗材区，仍按照体验流程、打分机制，由体验者参与新场景测评。

步骤6)中的评价测试是围绕系统的各项指标设计调查问卷，具体是：通过邀请多名体验者进行系统测试，采取打分制的形式对系统UI美观性、易用性、稳定性、沉浸感、模型精细度、交互性、眩晕感、知识获取和系统流畅程度九大方面进行体验、反馈与统计。

相应的，基于上述设计方法本发明还提供一种基于沉浸式虚拟体验的机房实训系统，包括操作系统层、数据层、中间层和功能层；

所述操作系统层，作为系统平台的开发工具，为系统的开发基础；

所述数据层包含三维模型库、动画库和多媒体资源库，用于根据工作内容进行分类梳理、三维建模加工，可将智能机房实训系统的数据存储在计算机中；

所述中间层由数据库接口、Unity3D支持的VRTK插件和开发资源包组成，用于桥接数据应用和数据存储；

所述功能层包括漫游总介绍模块、设备分布与功能模块和机房实训与测试模块；所述漫游总介绍模块包括自动漫游模块和交互式漫游模块；所述设备分布与功能模块包括服务器介绍与功能模块、机房指标数据传输模块和交换机分布与走向模块；所述机房实训与测试模块断网故障实训模块、服务器故障实训模块和消防实训模块。

本发明具有的有益效果为：

(1)按照平台设计合理将虚拟展示及交互式体验技术应用于国网信息机房中，弥补相关智能仿真机房平台及专利中，未将机房设备各种指标数据实时传输、交换机分布走向、消防实训和信息安全知识宣贯等模块应用其中，且娱乐性偏强，设计内容、交互方式、启发式实训内容匮乏，实效性不足的缺陷。本方法及平台可使学员和信息运维人员快速掌握机房布置及交换机设备功能、走向和消防应急演练等，弥补对设备认识方面不足，规范机房巡视及应急处置方案，发生断网故障时，便于快速定位并娴熟的解决问题，同时可提高信息班组日常工作效率。

(2)在虚拟环境中设计实训测试时，未充分结合工作实际，将日常工作中遇到的故障问题合理应用于实训虚拟训练中，以至于现有研究及应用起不到实训教育的效果。本发明可弥补所述缺陷，充分将以上内容设计并应用其中。

附图说明

图1为本发明的系统构架图；

图2为本发明交互模式的功能结构图；

图3为本发明功能层结构图；

图4为本发明三维虚拟环境下的公司网络拓扑、机房设备分布结构图；

图5为本发明智能机房火灾实训系统结构图；

图6为本发明设计消防实训的结构图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于沉浸式虚拟体验的机房实训的设计方法，包括以下步骤：

1.使用三维开发工具对服务器、交换机、调度大楼的三维模型进行建模及优化。

2.建立三维虚拟机房场景，并将包含动画的服务器、交换机、调度大楼等比例放置在虚拟场景中，并添加碰撞盒和触发器，进入对应设备范围内，以字幕和语音介绍的方式展示。

3.对于需要自动漫游的场景，设计交互式手柄漫游和摄像机自动漫游两种方式，并添加语音及字幕。

4.利用计算机动画技术、粒子系统技术和脚本对系统平台的交互模式进行设计。

如图2-4所示，交互模式的设计具体步骤包括：41)进入系统简介与交互工具引导使用的引导界面，以动画的形式使用户在虚拟环境中掌握手柄、按键的功能；42)完成认知步骤后，用户进入功能模块选择的系统首页，在用户在使用模式中选择VR体验模式或者2D展示模式；43)进入对应模式的系统首页，在系统中进行内容选择与体验。

其中系统的交互使用模式分为VR体验和2D展示两种；其中VR体验模式由HMD头盔和手柄的配合实现交互展示体验；2D展示模式主要以鼠标移动、鼠标点击的形式在屏幕上进行虚拟展示交互，弥补了无硬件设备的一种体验方式。

本发明是在虚拟现实及三维建模技术的基础上，构建沉浸式虚拟现实场景，实现智能机房的模拟与实训，并可使用2D展示和HMD交互式体验两种模式进行漫游及交互。两种使用模式下的交互方式对比如表1所示。

表1两种使用模式下的交互方式对比分析

5.结合公司网络实际分布，对实训项目进行设计。

实训项目的设计具体包括：结合公司网络实际分布，在三维环境中通过虚拟虚拟展示和交互式体验技术的沉浸式交互、视频播放和动画演示介绍公司网络拓扑、交换机、服务器、光缆的位置、走向和功能，并进行常见服务器、交换机断网故障处理方式以及消防演练相关内容的任务布置，由体验者处理与解决；并对处理方式和结果根据设定的不同打分方式进行打分，记录至后台数据库。

其中，实训项目设计中的任务布置具体包括服务器、交换机断网与日常工作实训和消防演练实训。

具体的，服务器、交换机断网与日常工作实训具体包括：练前基础学习、交互方式引导使用、设计实训内容、内容测试；

练前基础学习：服务器数据不同步、市县通讯录不同步、服务器系统卡顿、服务器备份、磁盘合并、防火墙策略配置与开通、恶意域名处理、补丁分发、IP分配、U盘制作与修复、视频平台调试与故障处理、交换机配置与安装调试、网络安全知识与漏洞挖掘、耗材采购与发放的日常工作；

交互方式引导使用：利用手柄触视觉反馈提示、粒子特效、动画介绍形式使体验者熟悉交互工具(手柄、头盔、鼠标键盘)的引导使用，熟悉常用动作如抓、放、移动、漫游、凝视、UI选择与点击等操作方式；

设计实训内容：在三维虚拟机房中设计一台虚拟计算机使用VR手柄、键盘鼠标完成训练与测试；

基础知识训练：根据示例演示和操作指示，完成训练内容，训练内容的基础为基础先验知识。

内容测试：根据基础学习内容动态设计测试日常工作内容和断网的故障处理，测试场景而非完全出自训练内容，同时每次完整测试包含五项内容，最后根据是否完成任务进行分值评估；

另外，消防演练包括：工具引导使用、设计消防实训、消防知识训练和测试与评估。

工具引导使用：利用手柄触视觉反馈提示、粒子特效、动画介绍等形式使体验者熟悉交互工具(手柄、头盔、鼠标键盘)的引导使用，熟悉常用动作如抓、放、移动、漫游、凝视、UI选择与点击等操作方式，以及常用灭火器的知识与应用场景的先验知识和内容。

如图5所示，设计消防实训：根据智能机房消防实训系统模块，结合htc Vive头盔、手柄、定位器模拟不同场景下的火灾训练场景和测试场景。

如图6所示，消防知识训练：根据不同灭火器使用方式及场景等先验知识，设计消防实训场景并使用粒子特效动态模拟火势强弱及蔓延效果，按照机房火灾实训流程和打分机制，对体验者完成训练和测试进行得分评估。体验者的消防实训得分评估标准的计算如表2所示。

表2得分评估计算表

测试与评估：结合灭火器使用方法和实训内容场景中的网络设备区、服务器区、空调区，并动态设计新应用场景包括办公区、电源区、耗材区，仍按照体验流程、打分机制，由体验者参与新场景测评。

6.对设计的交互方案进行评价测试；围绕系统的各项指标设计调查问卷，具体是：通过邀请多名体验者进行系统测试，采取打分制的形式(0-10)对系统UI美观性、易用性、稳定性、沉浸感、模型精细度、交互性、眩晕感、知识获取和系统流畅程度九大方面进行体验、反馈与统计。

7.完成系统的优化及多格式发布。

相应的，如图1所示本发明基于上述设计方法还提供一种基于沉浸式虚拟体验的机房实训系统，包括操作系统层、数据层、中间层和功能层。

其中操作系统层，作为系统平台的开发工具，其在Windows操作系统基础上开发，可支持Windows、HTML和WebGL等多平台发布。采用Unity3D具有丰富的开发资源包、强大的多平台发布功能和逼真的渲染特效，选择其为平台开发工具，并使用简单高效的C#脚本语言进行系统开发。

数据层综合使用三维模型、语音、文字和视频等资源以多样的形式丰富展示形式和交互内容；其包含三维模型库、动画库和多媒体资源库，用于根据工作内容进行分类梳理、三维建模加工，可将智能机房实训系统的数据存储在计算机中。

中间层由数据库接口、Unity3D支持的VRTK插件和开发资源包组成，用于桥接数据应用和数据存储。

功能层是在中间层的基础上构建的，其包括漫游总介绍模块、设备分布与功能模块和机房实训与测试模块；漫游总介绍模块包括自动漫游模块和交互式漫游模块；设备分布与功能模块包括服务器介绍与功能模块、机房指标数据传输模块和交换机分布与走向模块；机房实训与测试模块断网故障实训模块、服务器故障实训模块和消防实训模块。