孫斌, 李維鵬, 余艷穩(wěn), 賈永詳

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 帶電作業(yè)分公司, 云南 昆明 650051)

0 引言

輸電線路巡檢實(shí)操仿真培訓(xùn)具有很多優(yōu)勢(shì)，能提高操作人員的技能水平、預(yù)防事故以及保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)輸電線路進(jìn)行常規(guī)巡檢作業(yè)，實(shí)時(shí)了解和掌握輸電線路的當(dāng)前運(yùn)行狀況、輸電線路周邊環(huán)境情況，是電力作業(yè)人員一項(xiàng)繁瑣的常規(guī)工作。人工巡檢是常規(guī)情況下應(yīng)用比較普遍的輸電線路巡檢方式。通常情況下，輸電線路所架設(shè)區(qū)域，其地形環(huán)境呈現(xiàn)多樣性、復(fù)雜性，在江河或山嶺等條件惡劣的地區(qū)，輸電線路沿線區(qū)段沒有合適的巡檢道路，導(dǎo)致該巡檢方式作業(yè)環(huán)境惡劣、作業(yè)人員工作辛苦，而且輸電線路的運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)反饋性較差。

輸電線路的電力巡檢作業(yè)質(zhì)量對(duì)保障整個(gè)電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行有重大意義。采取有效的培訓(xùn)方法可以提高巡檢人員的技能水平從而保證輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。常規(guī)的巡檢作業(yè)培訓(xùn)是以實(shí)際操作為基礎(chǔ)逐步展開的，但是電力系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜性決定了難以實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員的實(shí)操培訓(xùn)，而且常規(guī)培訓(xùn)模式并不會(huì)對(duì)作業(yè)人員的培訓(xùn)質(zhì)量和培訓(xùn)效率的提升有很大幫助[1]。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的輸電線路巡檢仿真培訓(xùn)系統(tǒng)具有信息涵蓋范圍廣、能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)實(shí)際動(dòng)作的模擬操作、可以進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)點(diǎn)的演示和對(duì)實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行模擬等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)是傳統(tǒng)培訓(xùn)方法不具有的。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬的培訓(xùn)環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的有效還原，電力作業(yè)人員可以在沒有任何危險(xiǎn)的條件下完成相應(yīng)的培訓(xùn)任務(wù)，因此可以在一定程度上避免電力事故的發(fā)生，并且可以降低培訓(xùn)資源消耗，縮短培訓(xùn)周期。

本文提出一種以虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)為核心，進(jìn)行輸電線路“機(jī)巡”+“人巡”實(shí)操仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)對(duì)各種物理工況進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)，以仿真模擬手段復(fù)現(xiàn)一個(gè)以教學(xué)和訓(xùn)練為目的真實(shí)系統(tǒng)行為的培訓(xùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有資源消耗少、培訓(xùn)效果好、安全性高等優(yōu)勢(shì)。

1 實(shí)操仿真培訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)成

輸電線路仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是通過VR技術(shù)支持,在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下利用系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和線路模型建立電力系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)，諸如桿塔、導(dǎo)線以及各種作業(yè)工具，并對(duì)輸電線路的巡視檢查、施工作業(yè)和運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行模擬仿真，從而為電力企業(yè)提供豐富的教學(xué)培訓(xùn)和考核的手段，以達(dá)到提高培訓(xùn)效果和質(zhì)量的目的。

1.1 模型搭建及虛擬場(chǎng)景建立

輸電線路巡檢的仿真操作環(huán)境是通過虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)構(gòu)建的，仿真模擬與實(shí)際場(chǎng)景逼近的虛擬模型是實(shí)現(xiàn)實(shí)操仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的必要前提。輸電線路巡檢虛擬三維場(chǎng)景的構(gòu)建必須要選擇合適的實(shí)現(xiàn)手段來進(jìn)行具體實(shí)施，VRML是基于HTML語言的三維模型，它具有文件占用空間資源少，易于通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳播等特點(diǎn)。VRML定義了很多種類型的模型構(gòu)建手段，通過對(duì)模擬環(huán)境的幾何形狀、物理外觀、接觸反應(yīng)和光線聲音相關(guān)因素等進(jìn)行描述，生成逼近真實(shí)的模擬仿真場(chǎng)景[2]。通過Java開發(fā)環(huán)境編寫上位機(jī)操作軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場(chǎng)景的操控。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖,如圖1所示。

圖1 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)總體框圖

1.2 巡檢設(shè)備樹模型搭建

搭建輸電線路虛擬巡檢仿真模型是為了將輸電線路的架構(gòu)及其存在的缺陷形象逼真地表現(xiàn)出來。輸電線路模擬仿真模型是在對(duì)各種不同電壓等級(jí)的輸電線路和各種功能類別的電力作業(yè)設(shè)備的合理分組的基礎(chǔ)上搭建起來的。根據(jù)電力系統(tǒng)的不同等級(jí)、不同功能角色搭建模型，可以有效提高系統(tǒng)仿真模型與實(shí)際環(huán)境的接近程度。本文依據(jù)各種電力作業(yè)工器具類型不同以及輸電線路的電壓等級(jí)的不同進(jìn)行細(xì)致劃分,輸電線路巡檢設(shè)備樹模型，如圖2所示。

圖2 輸電線路巡檢設(shè)備樹

對(duì)輸電線路各種對(duì)象進(jìn)行細(xì)分，有利于仿真模型數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)、復(fù)制和調(diào)用，為虛擬場(chǎng)景的建立奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[3-6]。

1.3 模型建立

模型的建立包括場(chǎng)景模型、工器具庫和人物角色搭建。

場(chǎng)景模型包括輸電線路和周圍虛擬環(huán)境模型，輸電線由不同電壓等級(jí)的輸電網(wǎng)和桿塔構(gòu)成，周圍虛擬環(huán)境包括：巡檢輸電線路附近的建筑、山川、河流、和樹木等模型[7]。

工器具是電力作業(yè)人員在電力作業(yè)過程中必備專業(yè)工具。主要包括：防護(hù)工裝、安全防護(hù)設(shè)備、視覺觀察設(shè)備、絕緣工器具和信息輸入終端等。將工器具模型存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫，以便在使用時(shí)可以實(shí)時(shí)調(diào)用。

輸電線路巡檢模擬培訓(xùn)中，根據(jù)不同的實(shí)際工作需求對(duì)人物角色進(jìn)行區(qū)分，包括工作負(fù)責(zé)人、地面工作人員、塔上工作人員。不同的人物模型的區(qū)分通過角色著裝差異來實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

1.4 仿真培訓(xùn)操作

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，受訓(xùn)人員需要以各種不同的人物角色來實(shí)現(xiàn)輸電線路巡檢模擬培訓(xùn)，例如可以進(jìn)行輸電線路周邊環(huán)境的巡察，操作虛擬電力作業(yè)工具。模擬仿真培訓(xùn)過程中，因?yàn)槿宋餆o法像現(xiàn)實(shí)中那么智能，需要用窮舉法對(duì)實(shí)際作業(yè)動(dòng)作建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫，并把各種操作動(dòng)作分解，通過一個(gè)小動(dòng)畫形式表現(xiàn)出來[8-10]。受訓(xùn)人員要在仿真培訓(xùn)中模擬對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢并查找其缺陷這一操作，需要分解為4個(gè)小動(dòng)畫。

(1) 望遠(yuǎn)鏡的選擇；

(2) 調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的位置；

(3) 仔細(xì)查找輸電線路的缺陷；

(4) 結(jié)束缺陷查找。

在模擬實(shí)際操作培訓(xùn)過程中，需要對(duì)每一步操作進(jìn)行分解和細(xì)化，以達(dá)到與現(xiàn)實(shí)作業(yè)一樣的效果，這樣就可以讓受訓(xùn)人員有一種身臨其境的感覺，從而提高系統(tǒng)體驗(yàn)的真實(shí)性。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

線路模擬實(shí)際操作培訓(xùn)系統(tǒng)采用客戶-服務(wù)器模式，受訓(xùn)員可以通過計(jì)算機(jī)界面進(jìn)行操作，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將現(xiàn)實(shí)中的輸電線路巡檢的操作規(guī)程和計(jì)算機(jī)軟硬件相結(jié)合，通過虛擬仿真、三維動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)交互進(jìn)行巡檢內(nèi)容的培訓(xùn)[11-12]。

軟件結(jié)構(gòu)主要包括：數(shù)據(jù)庫資料查詢、輸電線路巡檢培訓(xùn)、多成員協(xié)同操作、效果考評(píng)、在線監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。其中，數(shù)據(jù)庫資料查詢可以方便受訓(xùn)人員掌握專業(yè)知識(shí)，提高個(gè)人技能；多成員協(xié)同操作可以增強(qiáng)受訓(xùn)人員間的協(xié)同操作能力；現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)方便培訓(xùn)人員對(duì)受訓(xùn)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，解決培訓(xùn)過程中遇到的問題。

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

輸電線路巡檢實(shí)操培訓(xùn)系統(tǒng)包括3個(gè)部分：場(chǎng)景數(shù)據(jù)和培訓(xùn)資料數(shù)據(jù)庫、培訓(xùn)員機(jī)和受訓(xùn)員機(jī)。培訓(xùn)員機(jī)對(duì)受訓(xùn)員機(jī)進(jìn)行考核，考核結(jié)果存到已建立好的數(shù)據(jù)庫中，受訓(xùn)員機(jī)根據(jù)培訓(xùn)員機(jī)進(jìn)行場(chǎng)景選擇，具體數(shù)據(jù)交互,如圖4所示。

2.3 硬件結(jié)構(gòu)

輸電線路巡檢平臺(tái)以電力企業(yè)已有的局域網(wǎng)為基礎(chǔ)，由知識(shí)數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器和培訓(xùn)人、受訓(xùn)人工作站組成。培訓(xùn)人通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)巡檢資料和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行管理，受訓(xùn)人通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行具體的巡檢培訓(xùn)作業(yè)。

圖4 各角色間數(shù)據(jù)交互結(jié)構(gòu)

巡檢平臺(tái)的知識(shí)數(shù)據(jù)庫需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更新，以滿足電力系統(tǒng)培訓(xùn)發(fā)展的需要[13]。輸電線路巡檢平臺(tái)結(jié)構(gòu),如圖5所示。

圖5 輸電線路巡檢平臺(tái)結(jié)構(gòu)

由圖5可知，培訓(xùn)人根據(jù)受訓(xùn)人的培訓(xùn)需要，從巡檢資料數(shù)據(jù)庫調(diào)取相應(yīng)的培訓(xùn)內(nèi)容，通過Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)互聯(lián)，可同時(shí)對(duì)多個(gè)受訓(xùn)人進(jìn)行在線培訓(xùn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

在進(jìn)行線路巡檢實(shí)操仿真培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)過程當(dāng)中，作為核心技術(shù)的引擎是決定系統(tǒng)性能的決定性因素。引擎是一系列預(yù)先規(guī)定好的,與系統(tǒng)初始化、人員控制、圖像處理、三維建模和碰撞檢測(cè)等有關(guān)的函數(shù)，有實(shí)現(xiàn)程序員的開發(fā)工具包的功能，程序員只需要調(diào)用引擎中的相關(guān)函數(shù)即可完成開發(fā)工作。所以在培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)中，通過對(duì)三維圖形引擎的結(jié)構(gòu)和功能的有效借鑒，可以開發(fā)一種用于輸電線路仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的“引擎”。

3.1 光照模型

電力系統(tǒng)的輸電線路的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，環(huán)境多變，因此電力作業(yè)人員觀察物體的反射效果會(huì)因光照強(qiáng)度差異而有所區(qū)別，為確保線路巡檢虛擬環(huán)境最大程度上逼近實(shí)際環(huán)境，實(shí)操培訓(xùn)系統(tǒng)的引擎采用統(tǒng)一光照模型，采用凹凸映射貼圖使引擎計(jì)算出理想的光照效果，因此需要對(duì)引擎的處理性能進(jìn)行提升。

本文所提及的培訓(xùn)系統(tǒng)的引擎采用的算法是基于Blinn-Phong局部光照方法，如式(1)。

I=kaIa+∑Ii[kd(N*Li)+ks(N*Hi)n]

(1)

式中：ka——光反射參量；

kd——漫反射參量；

ks——鏡面反射參量；

Ia——環(huán)境光強(qiáng)參量；

Ii——入射光強(qiáng)參量；

n——鏡面高光參量；

N——任意一點(diǎn)的法矢量；

Li——該點(diǎn)到光源矢量；

Hi——半角矢量。

上述矢量均為進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后的單位矢量。

本文采用的光照模型算法的處理過程包括光照處理和幾何處理兩部分，首先采用虛擬場(chǎng)景的幾何數(shù)據(jù)完成幾何處理，然后用利用Blinn-Phong模型在預(yù)處理過程中降低紋理處理和載入時(shí)間。

3.2 引擎系統(tǒng)

引擎系統(tǒng)的作用主要是用來保證虛擬真實(shí)環(huán)境的準(zhǔn)確性，通過碰撞檢測(cè)模擬物體在不同環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。碰撞檢測(cè)系統(tǒng)要求極高的實(shí)時(shí)性，在進(jìn)行引擎系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，高效的碰撞檢測(cè)算法對(duì)提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性很有效果。

頂點(diǎn)坐標(biāo)向量U的表達(dá),如式(2)。

(2)

協(xié)方差方差矩陣C的解,如式(3)。

1≤j,k≤3

(3)

矩陣C包括P、Q、R三個(gè)向量，這三個(gè)向量是兩兩正交的單位向量，因此對(duì)矩陣C求解就能確定包圍體的3個(gè)軸向坐標(biāo)。較多的實(shí)體碰撞會(huì)導(dǎo)致碰撞檢測(cè)效率降低，進(jìn)而影響系統(tǒng)的執(zhí)行效率，本文采用一種基于動(dòng)態(tài)列表的改進(jìn)算法，該算法可以明顯優(yōu)化現(xiàn)有的碰撞檢測(cè)算法。

為了把場(chǎng)景中實(shí)體投影到X、Y、Z坐標(biāo)軸上，該算法可以降低矩陣的維度，并生成3張用來存放包圍體在各軸投影端點(diǎn)的動(dòng)態(tài)排序列表，然后根據(jù)此表計(jì)算相鄰的實(shí)體位置，最終確定相交的包圍體，實(shí)體位置的計(jì)算方程,如式(4)。

MpA(t)=pAs+vAst+aAst2,s∈{x,y,z}

(4)

式中，pAs表示實(shí)體的位置；vAs表示速度；aAs表示加速度；MpAs表示實(shí)體A在不同時(shí)間的位置。實(shí)體A、B發(fā)生位置相同的碰撞時(shí)表達(dá)式,如式(5)。

MpAs(Ti,j)-MpBs(Ti,j)=0

(5)

動(dòng)態(tài)排序列表可以生成一張相鄰元素碰撞時(shí)間的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，這樣相鄰元素之間就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過求解實(shí)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以預(yù)測(cè)是否發(fā)生碰撞，如式(6)、式(7)。

pAs+vAsTi,j=pBs+vBsTi,j

(6)

(7)

式中，Δps=pAs-pBs,Δvs=vAs-vBs。

碰撞時(shí)間Ti,j求解方程,如式(8)、式(9)。

Δps+ΔvsTi,j+Δas(Ti,j)2=0

(8)

(9)

式中，Δas=aAs-aBs。

4 實(shí)操仿真培訓(xùn)實(shí)例

4.1 系統(tǒng)功能

輸電線路實(shí)操仿真培訓(xùn)具有現(xiàn)場(chǎng)漫游的功能，讓受訓(xùn)人員從不同的角度了解作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，可以規(guī)范電力操作人員的工器具操作流程。具有實(shí)際操作、維護(hù)檢修的功能，同時(shí)能對(duì)具體案例進(jìn)行復(fù)現(xiàn)模擬和教學(xué)，有利于培訓(xùn)人員和受訓(xùn)人員之間的互動(dòng)交流，培訓(xùn)結(jié)束后系統(tǒng)可以對(duì)學(xué)員進(jìn)行考核，學(xué)員也可以通過該系統(tǒng)提供的功能進(jìn)行自我評(píng)價(jià)[14]。系統(tǒng)交互界面示例,如圖6所示。

圖6 實(shí)操仿真培訓(xùn)交互界面示例

系統(tǒng)引擎采用Blinn-Phong局部光照算法，并采用較多凹凸映射貼圖，在幾何框架的屬性定義中對(duì)色彩紋理貼圖、法向量貼圖、鏡面反射和高光貼圖進(jìn)行指定，引擎通過運(yùn)算得出正確的光照效果。

4.2 虛擬線路巡檢培訓(xùn)實(shí)例

使用本系統(tǒng)時(shí)，首先培訓(xùn)員登錄系統(tǒng)，然后根據(jù)培訓(xùn)具體內(nèi)容建立場(chǎng)景，最后受訓(xùn)員進(jìn)入對(duì)應(yīng)的主機(jī)培訓(xùn)任務(wù)，以對(duì)應(yīng)的人物角色來實(shí)現(xiàn)輸電線路巡檢模擬培訓(xùn)，并對(duì)本次培訓(xùn)進(jìn)行評(píng)估和記錄。虛擬線路巡檢示意圖,如圖7所示。

圖7 虛擬線路巡檢示意圖

虛擬線路巡檢培訓(xùn)克服了傳統(tǒng)培訓(xùn)效果差和對(duì)條件要求高的缺點(diǎn)，具有明顯的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。虛擬輸電線路巡檢培訓(xùn)能讓受訓(xùn)人員高效、熟練地掌握線路巡檢技能，并迅速查出線路缺陷。

5 總結(jié)

基于VR技術(shù)的輸電線路“機(jī)巡”+“人巡”實(shí)操仿真培訓(xùn)系統(tǒng)以教學(xué)和培訓(xùn)為目的，可滿足輸電線路巡檢人員的培訓(xùn)需求。該系統(tǒng)通過模擬仿真來再現(xiàn)一個(gè)真實(shí)的場(chǎng)景模式，培訓(xùn)人員可以對(duì)受訓(xùn)人員的受訓(xùn)過程在線監(jiān)測(cè)，在實(shí)操仿真培訓(xùn)的過程中實(shí)時(shí)反饋信息。該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能夠讓學(xué)員的培訓(xùn)過程不受時(shí)間和地點(diǎn)的約束，具有很強(qiáng)的靈活性，從而打破了傳統(tǒng)培訓(xùn)對(duì)空間和時(shí)間的限制，有利于降低成本并且提高效率，輸電線路巡檢實(shí)操仿真培訓(xùn)能夠有效提升電力企業(yè)從業(yè)人員業(yè)務(wù)培訓(xùn)水平和電力作業(yè)質(zhì)量，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。