路亞, 王鄭, 李毅

(中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 超高壓輸電公司貴陽(yáng)局， 貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

目前，電力培訓(xùn)直接決定了變電站工作人員的日常運(yùn)維和檢修工作的效率，在電力的正常工作過(guò)程中，電力設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)故障，電力設(shè)備的作業(yè)也將出現(xiàn)多種問(wèn)題，通常以知識(shí)庫(kù)的方式存儲(chǔ)各種電力設(shè)備全壽命周期管理數(shù)據(jù)，在這種環(huán)境下，很多人開(kāi)始著重電力設(shè)備知識(shí)據(jù)的研究，以通過(guò)知識(shí)庫(kù)管理的方式研究解決電力檢修的方法，最終使得電力終端管理平臺(tái)得以完善。

文獻(xiàn)[1]用 3DsMax軟件的三維可視化軟件實(shí)現(xiàn)三維建模，這種方法將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備檢修中，這種方式給本研究提供了方向，雖然該方法在一定程度上能夠解決一部分技術(shù)問(wèn)題[1]，更多的是對(duì)三維技術(shù)軟件的應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]雖然也應(yīng)用了AV技術(shù)，但是對(duì)電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)和維護(hù)方面并未提及。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，電力作業(yè)知識(shí)庫(kù)方面出現(xiàn)越來(lái)越多的問(wèn)題[2]，這需要更深層的研究和分析。

1 總體方案設(shè)計(jì)

基于上述技術(shù)的不足，本研究結(jié)合VR技術(shù)構(gòu)建出包括硬件層、平臺(tái)層、數(shù)據(jù)層和功能層的典型電力檢修技術(shù)提升和作業(yè)授權(quán)平臺(tái)，本平臺(tái)以基于VR技術(shù)的電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)作為研究基礎(chǔ)[3]，形成一種對(duì)不同專業(yè)人員電力檢修技能進(jìn)行提升和作業(yè)授權(quán)工作的新培訓(xùn)模式，對(duì)人員的技術(shù)技能水平提升有著積極的意義。其總體架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 典型電力檢修技術(shù)提升和作業(yè)授權(quán)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在圖1的平臺(tái)架構(gòu)中，在硬件層采用HTC VIVE PRO 虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備和高性能圖形工作站實(shí)現(xiàn)電力拉伸的采集。將建設(shè)測(cè)量平面規(guī)劃圖作為場(chǎng)景布局依據(jù)，采用高精度單反相機(jī)對(duì)模型的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝收集，采用智能測(cè)試儀器桿塔、線路以及變電站設(shè)備的大小尺寸進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在大場(chǎng)景收資上面采用高精度全景相機(jī)拍攝收資。同時(shí)依據(jù)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范流程作為檢驗(yàn)人員作業(yè)是否規(guī)范和安全的依據(jù)[4]。

本研究還設(shè)計(jì)出Steam VR平臺(tái)，該平臺(tái)架構(gòu)涉及到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有人員數(shù)據(jù)信息表、電力技術(shù)技能標(biāo)準(zhǔn)VR課件數(shù)據(jù)信息表、角色及課件對(duì)應(yīng)信息表等數(shù)據(jù)內(nèi)容。整體平臺(tái)包含專業(yè)人員管理功能、專業(yè)人員技能培訓(xùn)功能以及電力標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)維護(hù)功能。其中不同角色人員登錄本平臺(tái)展示的內(nèi)容不同，達(dá)到對(duì)不同專業(yè)人員的電力檢修技能提升和作業(yè)授權(quán)工作的目的[5-6]。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 基于VR技術(shù)的電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)

VR電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)是將南方電網(wǎng)有限公司超高壓輸電公司的作業(yè)指導(dǎo)手冊(cè)進(jìn)行細(xì)化，從而形成便于系統(tǒng)化的電力技術(shù)技能標(biāo)準(zhǔn)VR課件，由于南方電網(wǎng)有限公司超高壓輸電公司的作業(yè)指導(dǎo)手冊(cè)內(nèi)容多，涉及到的專業(yè)廣，所以基于VR技術(shù)的電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)的搭建過(guò)程是比較復(fù)雜漫長(zhǎng)的過(guò)程[7]。

本平臺(tái)的研究人員采取先難后易梯次建設(shè)的策略，優(yōu)先對(duì)中國(guó)南方電網(wǎng)有限公司超高壓輸電公司貴陽(yáng)局電力作業(yè)人員在現(xiàn)階段工作中面臨地重要且困難的作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化，納入基于VR技術(shù)的電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)中，后期再將相對(duì)容易的作業(yè)內(nèi)容融入到知識(shí)庫(kù)中，從而逐步完善VR技術(shù)的電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)[8]。新型的電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 知識(shí)庫(kù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

其在架構(gòu)上包括數(shù)據(jù)層、知識(shí)發(fā)現(xiàn)層、知識(shí)存儲(chǔ)層、知識(shí)分析層和知識(shí)應(yīng)用層。該架構(gòu)利用基于B/S架構(gòu)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速瀏覽。

在數(shù)據(jù)層中，包括了各種數(shù)據(jù)信息，比如電力文檔數(shù)據(jù)信息、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息等電力相關(guān)信息。在知識(shí)發(fā)現(xiàn)層中，包括電力設(shè)備全壽命周期管理數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的各種數(shù)據(jù)信息，這需要進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取和數(shù)據(jù)挖掘、計(jì)算和輸出，進(jìn)而從數(shù)據(jù)信息中挖掘有用的數(shù)據(jù)信息，將AV技術(shù)轉(zhuǎn)換為有用的數(shù)據(jù)信息。在知識(shí)存儲(chǔ)層中，包括存儲(chǔ)、圖像存儲(chǔ)，通過(guò)不同形式的存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的采集[9]。

在知識(shí)發(fā)現(xiàn)層，采用3DMAX建模工具對(duì)收集到的資料快速建模，通過(guò)對(duì)紋理貼圖處理細(xì)膩化還原模型質(zhì)量。通過(guò)Substance Painer、PS等貼圖制作和修改工具處理貼圖通用BPR材質(zhì)，涉及到的人物角色模型通過(guò)ZBrush進(jìn)行雕刻制作，在大場(chǎng)景設(shè)計(jì)上面，降低模型面數(shù)，從而優(yōu)化模型[10]。

本研究利用U3D引擎完成電力設(shè)備及周邊環(huán)境場(chǎng)景真實(shí)還原、根據(jù)實(shí)際設(shè)備進(jìn)行材質(zhì)編輯、完成現(xiàn)實(shí)燈光渲染以及場(chǎng)景烘焙。并利用U3D引擎完成熱點(diǎn)融合工作，真實(shí)反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析及可視化系統(tǒng)適合電力用戶的操作習(xí)慣，能適應(yīng)線路運(yùn)行維護(hù)、綜合分析、狀態(tài)評(píng)價(jià)工作的實(shí)際狀況。在分析數(shù)據(jù)時(shí)，還應(yīng)用了大數(shù)據(jù)融合模型、大數(shù)據(jù)計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的計(jì)算，進(jìn)而挖掘出數(shù)據(jù)之間進(jìn)一步的關(guān)系[11]。

2.2 基于VR技術(shù)的電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)的維護(hù)方法

由于平臺(tái)的電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)的建立是一個(gè)漫長(zhǎng)過(guò)程，所以基于VR技術(shù)的電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)的維護(hù)功能是本平臺(tái)必不可少的一個(gè)功能，但是就本功能的建設(shè)而言，還需要解決不同作業(yè)內(nèi)容的歸類問(wèn)題以及電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)中電力技術(shù)技能標(biāo)準(zhǔn)VR課件的后期修改優(yōu)化等問(wèn)題[12]。

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)電力標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)中的不同作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行編碼命名分類，并通過(guò)程序開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)后續(xù)向電力標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)中增加電力技術(shù)技能標(biāo)準(zhǔn)VR課件時(shí)的分類功能，從而解決不同作業(yè)內(nèi)容的歸類問(wèn)題；在平臺(tái)中通過(guò)程序開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)增加對(duì)電力標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)中的VR課件管理維護(hù)功能，從而解決后期VR課件修改后的優(yōu)化問(wèn)題[13]。

在維護(hù)電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)時(shí)，還采用以下計(jì)算方法。將對(duì)電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)的維護(hù)分為以下幾個(gè)方面。

AV輸入數(shù)據(jù)、AV應(yīng)用數(shù)據(jù)、AV報(bào)廢數(shù)據(jù)以及AV維護(hù)數(shù)據(jù)[14]，并且向量賦值，在對(duì)所有知識(shí)庫(kù)的電力作業(yè)數(shù)據(jù)新型維護(hù)時(shí)，先輸入到似然管理函數(shù)中，假設(shè)AV輸入數(shù)據(jù)時(shí)存在的n個(gè)數(shù)據(jù)管理驗(yàn)證值的似然函數(shù)為式(1)。

(1)

其中，F(xiàn)(n)表示對(duì)所有電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)維護(hù)次數(shù)n的似然驗(yàn)證函數(shù)值；P表示檢驗(yàn)所有電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)內(nèi)執(zhí)行數(shù)據(jù)的匹配概率；k表示對(duì)所有電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行驗(yàn)證的次數(shù)。維護(hù)電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)信息的似然檢驗(yàn)函數(shù)[15]如式(2)。

(2)

(3)

其中，fλ(n)表示AV報(bào)廢數(shù)據(jù)被修訂之后的驗(yàn)證函數(shù)；s表示AV報(bào)廢數(shù)據(jù)被修訂的參數(shù)，當(dāng)發(fā)生AV報(bào)廢數(shù)據(jù)之后，需要對(duì)函數(shù)模型進(jìn)行清理處理，以提高后期知識(shí)庫(kù)維護(hù)的精度[17]；λ表示函數(shù)模型進(jìn)行清理處理被更新后的最新參數(shù)。則函數(shù)模型進(jìn)行清理處理后，整個(gè)知識(shí)庫(kù)的維護(hù)驗(yàn)證如式(4)。

(4)

本研究依據(jù)Unity3D開(kāi)發(fā)引擎參考確定好的設(shè)計(jì)界面，完成人員權(quán)限管理、課件體驗(yàn)權(quán)限、課件維護(hù)、課件體驗(yàn)等功能的開(kāi)發(fā)[18]。

3 試運(yùn)行結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的安全系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，下面將進(jìn)行實(shí)例測(cè)試。關(guān)于實(shí)驗(yàn)環(huán)境可分為硬件環(huán)境和軟件環(huán)境，其中硬件環(huán)境為機(jī)臺(tái)為CentOS6.8(x64)操作系統(tǒng)，Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2640 v2、2.00 GHz主頻、千兆網(wǎng)卡、8核16 G內(nèi)存、512 GB硬盤。NFC手機(jī)為三星Exynos 4 412四核,1.4 GHz，2 G內(nèi)存和64 G存儲(chǔ)器[19]。軟件環(huán)境為Windows系統(tǒng)、Android系統(tǒng)和NFC相關(guān)應(yīng)用程序。

試驗(yàn)選取5種電力設(shè)備全壽命周期管理數(shù)據(jù)檢修類型作為知識(shí)庫(kù)中的試驗(yàn)類型，分別為電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù)信息、設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)信息、電力設(shè)備故障數(shù)據(jù)等，信息表如表1所示。

表1 電力知識(shí)庫(kù)樣本數(shù)據(jù)的種類和數(shù)量

在試驗(yàn)時(shí)，電力知識(shí)庫(kù)為某一時(shí)間時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1) 電力知識(shí)庫(kù)維護(hù)結(jié)果

分別采用文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法與所提方法對(duì)電力知識(shí)庫(kù)管理成效進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法的電力知識(shí)庫(kù)管理成效對(duì)比結(jié)果

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可知，所提方法的AV輸入數(shù)據(jù)合格數(shù)量、AV輸入數(shù)據(jù)保養(yǎng)合格數(shù)量、AV輸入數(shù)據(jù)保存完整數(shù)量均高于文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法，所提方法的知識(shí)庫(kù)缺失數(shù)量低于文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法，文獻(xiàn)[1]方法的電力設(shè)備全壽命周期管理數(shù)據(jù)缺失率為0.7%，文獻(xiàn)[2]方法的電力設(shè)備全壽命周期管理數(shù)據(jù)缺失率為1.2%，而所提方法的電力設(shè)備全壽命周期管理數(shù)據(jù)缺失率為0.3%，由此可知，所提方法的電力設(shè)備全壽命周期管理數(shù)據(jù)缺失率較低。

(2) 知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)中的AV數(shù)據(jù)維護(hù)率

為了核對(duì)知識(shí)庫(kù)工作效率，從數(shù)據(jù)調(diào)用方面進(jìn)行試驗(yàn)，在具體試驗(yàn)中，選取47位工作人員作為研究對(duì)象，分別采用文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法與所提方法對(duì)電力知識(shí)庫(kù)進(jìn)行調(diào)用，知識(shí)庫(kù)維護(hù)結(jié)果包括AV輸入數(shù)據(jù)正常使用和AV輸入數(shù)據(jù)恢復(fù)數(shù)據(jù)以及AV輸入數(shù)據(jù)更新數(shù)據(jù)，對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 不同方法的電力知識(shí)庫(kù)調(diào)用對(duì)比結(jié)果

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)可知，文獻(xiàn)[1]方法的電力設(shè)備全壽命周期管理數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)維護(hù)率為78.7%，文獻(xiàn)[2]方法的電力設(shè)備全壽命周期管理數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)維護(hù)率為59.6%，而所提方法電力設(shè)備全壽命周期管理數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)維護(hù)率高達(dá)91.5%，由此可知，所提方法的電力設(shè)備全壽命周期管理數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)維護(hù)率較高，說(shuō)明本研究方法通過(guò)利用應(yīng)用層通過(guò)數(shù)據(jù)公鑰戶密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用，從而提高了電力知識(shí)庫(kù)維護(hù)率。

(3) 電力知識(shí)庫(kù)監(jiān)管時(shí)間

為了驗(yàn)證所提方法的電力知識(shí)庫(kù)監(jiān)管時(shí)間，分別采用文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法與所提方法對(duì)電力知識(shí)庫(kù)的監(jiān)管時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法的電力知識(shí)庫(kù)監(jiān)管時(shí)間對(duì)比結(jié)果

根據(jù)圖3可知，當(dāng)電力知識(shí)庫(kù)內(nèi)管理的電力設(shè)備數(shù)據(jù)信息的數(shù)量達(dá)到700個(gè)時(shí)，文獻(xiàn)[1]方法的電力知識(shí)庫(kù)監(jiān)管時(shí)間為21.5 s，文獻(xiàn)[2]方法的電力知識(shí)庫(kù)監(jiān)管時(shí)間為24 s，而所提方法的電力知識(shí)庫(kù)監(jiān)管時(shí)間僅為15 s，由此可知，所提方法的電力知識(shí)庫(kù)監(jiān)管時(shí)間較短，能夠有效提高電力知識(shí)庫(kù)監(jiān)管效率。

4 總結(jié)

本平臺(tái)已經(jīng)在中國(guó)南方電網(wǎng)有限公司超高壓輸電公司貴陽(yáng)局進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，獲得了培訓(xùn)管理工作人員的認(rèn)可，對(duì)中國(guó)南方電網(wǎng)有限公司超高壓輸電公司貴陽(yáng)局后期開(kāi)展電力作業(yè)人員的技術(shù)技能提升工作有著積極的意義。但是本研究在工作過(guò)程中仍舊存在一些技術(shù)不足，這需要后期更進(jìn)一步地努力。