李鵬

（鄭州電力高等?？茖W校，河南 鄭州 450000）

近年來，隨著計算機、傳感器和控制技術(shù)的發(fā)展，一種依托圖像處理、模式識別、語音識別處理、系統(tǒng)集成等技術(shù)和接口設備所發(fā)展起來的綜合性信息技術(shù)——虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)，以其能提供逼真的視、聽、觸等感覺，大幅提高使用者沉浸感，良好的交互性等突出優(yōu)點，在軍事、醫(yī)療、交通等行業(yè)被廣泛應用，更被業(yè)界證明可在培訓領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。

VR技術(shù)20世紀60年代發(fā)源于美國，隨著各國研究的深入，其應用越來越廣。美國波多黎各大學、日本香川大學、加拿大McGill大學等先后研制了應用于電網(wǎng)或電廠仿真的虛擬培訓系統(tǒng)，并應用于電力教學或電站電廠操作員上崗培訓。國內(nèi)研究雖起步較晚，VR技術(shù)在電力仿真領(lǐng)域也應用到多個方面，目前其在電力系統(tǒng)主要有5個方面的應用：變電站、輸電線路、電力系統(tǒng)仿真培訓、電力系統(tǒng)運行和輸變電工程設計。隨著VR技術(shù)的發(fā)展，其必將在電力行業(yè)各環(huán)節(jié)得到了更廣泛應用。本文主要討論VR技術(shù)在帶電作業(yè)培訓中的應用。

1 VR技術(shù)在配網(wǎng)帶電作業(yè)培訓中的應用分析

配電網(wǎng)直接面向城鎮(zhèn)高低壓用戶，其可靠運行直接影響著電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全。采用不停電作業(yè)對配網(wǎng)設備和線路進行維護、檢修，可大幅度縮短停電時間，提高配電網(wǎng)運行可靠性。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，不間斷供電的需求將越來越高。帶電作業(yè)是電網(wǎng)生產(chǎn)中一種技術(shù)復雜，安全性、可靠性要求極高的特殊工種，對從事帶電作業(yè)人員的專業(yè)知識和技能也提出了較高要求，定期或非定期的培訓成為必然。傳統(tǒng)培訓包括理論強化和現(xiàn)場操作演練兩塊內(nèi)容，存在的問題有：理論學習多基于傳統(tǒng)的灌輸式教學理念，采用多媒體課件、視頻錄像等模式，學員接收知識形式單一，過程枯燥，缺乏操作練習而感受不深?，F(xiàn)場技能操作培訓需要大量場地和設備，教學成本極其高昂，只有少數(shù)單位可以實施。在實際運行設備上開展技能培訓更是存在著較多安全隱患，很難有效滿足教學需要。采用VR技術(shù)建立虛擬仿真培訓系統(tǒng)，其“設備”與“部件”是虛擬的，可根據(jù)需要隨時生成新設備。VR技術(shù)的沉浸性和交互性，使學員能夠在虛擬學習環(huán)境中扮演角色，全身心投入學習環(huán)境中，提高了學習積極性和技能訓練效果。且虛擬訓練系統(tǒng)無危險性，學員只要愿意可以反復操作練習，直到掌握該技能為止。故在帶電技能培訓中引入VR技術(shù)，建設虛擬仿真培訓系統(tǒng)代替或補充傳統(tǒng)培訓方式，可有效解決帶電職業(yè)技能培訓中“高投入、難實施、難再現(xiàn)、效果差”的問題，突破傳統(tǒng)培訓手段局限，降低教學成本，提高教學質(zhì)量和效率，增強學習體驗和激發(fā)學習積極性，促進電力職業(yè)培訓現(xiàn)代化。

2 基于VR技術(shù)的帶電作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)

2.1 仿真培訓系統(tǒng)開發(fā)目標

基于“三維立體顯示、虛擬人機交互與標準化作業(yè)流程相結(jié)合”一體化設計思想，以規(guī)范化操作流程和電力安全規(guī)程為主線，采用VR、計算機仿真和三維建模技術(shù)等，對10kV帶電修補導線進行全過程仿真，開發(fā)配網(wǎng)帶電作業(yè)虛擬仿真培訓系統(tǒng)，構(gòu)建全三維、高仿真、沉浸化、交互式的配電作業(yè)實操模擬環(huán)境，達到多功能沉浸式仿真互動培訓效果，實現(xiàn)場景漫游、模擬操作、知識講解、安全提示、故障效果等功能。

2.2 系統(tǒng)總體設計

總體設計主要包括系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、網(wǎng)絡架構(gòu)、安全架構(gòu)和系統(tǒng)錯誤設計等幾部分。

在系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)上，采用組件化、動態(tài)化的軟件技術(shù)，利用一致可共享的數(shù)據(jù)模型，按照界面層、業(yè)務層、數(shù)據(jù)層、硬件層實現(xiàn)多層技術(shù)體系設計，通過交互式、分布式虛擬仿真支撐平臺的服務集成，實現(xiàn)三維仿真培訓業(yè)務各接口組件能在支撐模塊內(nèi)協(xié)同工作、各層次上集成，實現(xiàn)重用。其他幾部分的實現(xiàn)不再贅述。

2.3 交互式、分布式虛擬仿真支撐平臺的實現(xiàn)

交互式、分布式虛擬仿真支撐平臺位于應用服務與底層虛擬現(xiàn)實設備之間，通過開發(fā)出的功能接口為上層的應用服務提供可調(diào)用的配網(wǎng)帶電作業(yè)培訓項目。交互式、分布式虛擬仿真支撐平臺的核心部分主要包括三維仿真引擎、渲染管理、資源管理、消息管理、特效管理、硬件管理等功能模塊。

2.4 學員培訓系統(tǒng)的實現(xiàn)

包括智能指引、虛擬漫游、虛擬交互、步驟跳轉(zhuǎn)、工器具使用、基于VR交互的學習模式、練習模式、考核模式等功能模塊。部分功能實現(xiàn)場景分別如圖1、圖2所示。

圖1 步驟跳轉(zhuǎn)

圖2 基于VR交互的考核模式

3 系統(tǒng)的應用

系統(tǒng)開發(fā)完后，安裝在學院某實訓室，已穩(wěn)定運行近半年，期間不少學生參加了試用。反饋如下：系統(tǒng)模擬三維虛擬環(huán)境非常逼真，具有很強的體驗感和沉浸感，學習興趣有很大提高，消除了對帶電作業(yè)的恐懼感，不知不覺中熟悉了作業(yè)流程和安全規(guī)定，提高了安全意識等。

此外，采用VR仿真系統(tǒng)輔助教學，對學校最直接的好處是可節(jié)省大量設備投資。據(jù)了解，一臺18m長、10kV絕緣斗臂車報價達到130余萬元，還不包括后期維護保養(yǎng)費用等?？梢奦R技術(shù)在電力職業(yè)培訓中應用潛力是很大的。

4 結(jié)語

VR技術(shù)以能提供逼真感知效果、大幅提高使用者沉浸感、良好交互性等優(yōu)點，在軍事、醫(yī)療、交通、電力等行業(yè)以及電力培訓等領(lǐng)域正發(fā)揮越來越大作用?；赩R技術(shù)開發(fā)的配網(wǎng)帶電作業(yè)仿真培訓系統(tǒng)運行良好，在教學中得到試用，結(jié)果表明，可節(jié)省大量培訓成本，大幅提高培訓效果等。