郭賢敏，杜啟文（通信作者）

（1 廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西 南寧 530200）

（2 廣西遠(yuǎn)擎科技有限公司 廣西 南寧 530200）

0 引言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展讓各行各業(yè)對于電力的需求不斷增加，簡單的電能輸送已經(jīng)無法滿足人們的日常需求。對于電力企業(yè)而言，由于電力事故的不可控性，使得在遭遇安全事故時(shí)，員工的應(yīng)變能力十分重要[1]。因此，安全成為電網(wǎng)企業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)，而安全培訓(xùn)更是預(yù)防各類安全事故的有效方法。當(dāng)前電網(wǎng)企業(yè)的安全培訓(xùn)中存在諸多問題，電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中涉及的設(shè)備數(shù)量龐大，需要花費(fèi)大量的資金在維修和保養(yǎng)上，人員的培訓(xùn)過于理想化，大多數(shù)的安全培訓(xùn)以書本授課為主，缺乏參與性，導(dǎo)致員工的積極性下降，無法取得較好的培訓(xùn)效果[2]?，F(xiàn)階段，電力系統(tǒng)虛擬環(huán)境的概念已經(jīng)逐漸成熟，通過引入計(jì)算機(jī)技術(shù)到虛擬的場景模擬建設(shè)中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的培訓(xùn)系統(tǒng)，不僅可以模擬電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，還解決了員工無法感同身受地體驗(yàn)電力設(shè)備運(yùn)行難題，大大提高了培訓(xùn)效果。因此，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到電力企業(yè)的培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)中已經(jīng)成為社會(huì)的發(fā)展需要。

1 技術(shù)分析

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

所謂虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，主要由計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)與各類接口組成，可以在計(jì)算機(jī)上形成多維環(huán)境，在使用中提供感官體驗(yàn)，讓使用者置身其中，對事物有一個(gè)全新的認(rèn)識[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)自身具備交互性、沉浸感、想象力等特點(diǎn)，可以讓體驗(yàn)者在虛擬的世界中進(jìn)行思考分析，并將信息充分消化后應(yīng)用到實(shí)際。典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、輸入輸出設(shè)備、應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫等四大類內(nèi)容[4]。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建的虛擬電力仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，可以讓用戶實(shí)時(shí)體驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行檢查，并迅速找到潛在的風(fēng)險(xiǎn)隱患，達(dá)到提高效率、降低成本的目的。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣闊，總體分為：電力安全培訓(xùn)的應(yīng)用、電力運(yùn)行中的應(yīng)用以及電力設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，人類的學(xué)習(xí)模式不斷改進(jìn)，電力安全培訓(xùn)模式也得到了升級，在電力安全培訓(xùn)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行安全培訓(xùn)已經(jīng)成為常態(tài)化。電力系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，由于現(xiàn)場操作環(huán)境較差，操作人員無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并做相關(guān)維護(hù)。如果將虛擬技術(shù)運(yùn)用到數(shù)據(jù)采集和設(shè)備監(jiān)控中，就可以避免此類情況的發(fā)生。

1.2 體態(tài)感知技術(shù)

體態(tài)感知技術(shù)通過設(shè)備采用特定的方式對人體的反應(yīng)進(jìn)行識別，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的模式，在機(jī)器端做出反饋后并進(jìn)行人機(jī)交互。體感技術(shù)最重要的組成部件是體感設(shè)備和體感系統(tǒng)，體感設(shè)備主要對動(dòng)作進(jìn)行識別，并以數(shù)據(jù)信息的方式輸入到電腦，利用屏幕與使用者進(jìn)行交互；體感系統(tǒng)則是對體感設(shè)備中的硬件信息進(jìn)行處理，讓機(jī)器端的反饋達(dá)到一定的持續(xù)性[5]。體態(tài)感知技術(shù)注重身體、手勢、語音等與計(jì)算機(jī)的交互，不需要對人機(jī)做特殊研究，降低了對鍵盤和鼠標(biāo)等設(shè)備的依賴，讓使用者可以更加注重任務(wù)本身。

體感交互中，自然用戶界面中包含了觸摸屏、數(shù)據(jù)筆、可穿戴設(shè)備、實(shí)體傳感裝置等物件，可以完成對圖片、聲音的識別，這種體感交互的方式不需要通過接觸來進(jìn)行界面的控制，自然交互界面中，可以很好地識別出使用者在日常生活中的使用習(xí)慣，讓使用者根據(jù)自身的感知去主導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。體感交互需要通過觸覺和知覺進(jìn)行獲取，觸覺可以將接觸到的動(dòng)作輸入并記錄，將軀體動(dòng)作的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到控制計(jì)算機(jī)的目的；知覺則是使用計(jì)算機(jī)視覺進(jìn)行非實(shí)體觸碰的識別操作。體態(tài)感知技術(shù)被廣泛應(yīng)用于了虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)中，重點(diǎn)突出用戶的體態(tài)，因此在虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)中，交互途徑非常重要。

1.3 三維仿真建模技術(shù)

CAD和3DMax的結(jié)合，可以構(gòu)建物體的三維模型，實(shí)現(xiàn)對物體的精準(zhǔn)控制。CAD在處理圖形方面有較強(qiáng)的優(yōu)勢，具有轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)圖形模式的自由轉(zhuǎn)換[6]。其他的軟件在進(jìn)行三維建模時(shí)，其建模效果和精準(zhǔn)度都無法達(dá)到CAD的效果；3DMax具備充足的地物模型，可以建立直觀的模型。二者結(jié)合所建立的模型，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高還原度的效果。

2 規(guī)劃設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)用到了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、體態(tài)感知技術(shù)以及三維仿真建模技術(shù)等，同時(shí)還引入了多媒體技術(shù)，系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)分為：作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)體驗(yàn)、典型事故體驗(yàn)、應(yīng)急預(yù)案指揮推演培訓(xùn)、低壓作業(yè)體感實(shí)訓(xùn)、高壓作業(yè)體感實(shí)訓(xùn)等子系統(tǒng)。該系統(tǒng)基本覆蓋了電力系統(tǒng)作業(yè)環(huán)節(jié)的全部內(nèi)容，形成了一個(gè)集安全教育、應(yīng)急演練、培訓(xùn)管理于一身的專業(yè)性的電力培訓(xùn)系統(tǒng)。詳見圖1。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)電力安全培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 虛擬場景庫搭建

虛擬場景庫的搭建包含以下步驟：①在建立模型前，要對電力企業(yè)進(jìn)行電網(wǎng)線路、應(yīng)急指揮的實(shí)地調(diào)研。對建模過程中所使用到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，對電力場所的設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)備列表、設(shè)備型號進(jìn)行收集，以獲取建模對象的所有相關(guān)數(shù)據(jù)；②利用3DMax進(jìn)行可視化建模；③對仿真模型進(jìn)行二次渲染；④使用高效靈活的場景組織結(jié)構(gòu)；⑤參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)虛擬場景庫搭建規(guī)劃設(shè)計(jì)圖

2.3 安全培訓(xùn)系統(tǒng)場所規(guī)劃

安全培訓(xùn)系統(tǒng)場所規(guī)劃由多個(gè)不同的功能區(qū)組成，在空間設(shè)計(jì)上需要根據(jù)功能區(qū)進(jìn)行區(qū)分。功能區(qū)的大小、設(shè)備多少都需要根據(jù)現(xiàn)場的面積確定?？梢詫⒄麄€(gè)培訓(xùn)主題分為安全意識、安全理論、安全技能等幾個(gè)方面，每個(gè)方面又由多個(gè)不同的培訓(xùn)版塊組成[7]。除了一些與培訓(xùn)相關(guān)的區(qū)域，還包含了一些配套區(qū)域，在區(qū)域設(shè)置時(shí)，要遵循由淺入深的原則，有節(jié)奏地進(jìn)行培訓(xùn)。

2.4 子系統(tǒng)規(guī)劃

2.4.1 作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)體驗(yàn)

該子系統(tǒng)由VR眼鏡、手套、音響、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，集成了各種特效，刺激體驗(yàn)者的各個(gè)器官。通過所呈現(xiàn)的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，降低對人身造成的威脅，從而激發(fā)學(xué)員們的真實(shí)感受。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與體感交互技術(shù)，借助VR眼鏡對輸電線路的高空作業(yè)環(huán)境進(jìn)行感應(yīng)，讓學(xué)員實(shí)時(shí)感受線路的情況，體驗(yàn)高空作業(yè)帶來的沉浸感。通過綜合運(yùn)動(dòng)跟蹤功能，隨著頭部轉(zhuǎn)向隨意改變場景，實(shí)現(xiàn)全方位的環(huán)視。學(xué)員在模擬訓(xùn)練的過程中，與系統(tǒng)完成了交互控制，通過交互手柄上的按鍵發(fā)送交互指令，實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境的實(shí)時(shí)交互。

2.4.2 典型事故體驗(yàn)

在現(xiàn)有的作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)體驗(yàn)子系統(tǒng)設(shè)備基礎(chǔ)上增加了放映系統(tǒng)和特效座椅，結(jié)合各類特效所構(gòu)建的事故體驗(yàn)子系統(tǒng)，讓事故再現(xiàn)，從而激發(fā)使用者在真實(shí)情境內(nèi)的真實(shí)感受。典型事故體驗(yàn)設(shè)備組成如圖3所示。

圖3 典型事故體驗(yàn)設(shè)備組成

典型事故體驗(yàn)流程為：登錄子系統(tǒng)后，選擇任務(wù)開始沉浸式體驗(yàn)，通過投影設(shè)備、輸入輸出設(shè)備構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真作業(yè)場景，根據(jù)流程進(jìn)行演繹，學(xué)員將以第三人稱的身份根據(jù)從事的崗位進(jìn)行體驗(yàn)，系統(tǒng)中每一個(gè)作業(yè)任務(wù)都有一個(gè)隱患情景，學(xué)員發(fā)現(xiàn)隱患后要制止隱患的發(fā)生方可進(jìn)入到下一個(gè)作業(yè)隱患點(diǎn)。如果學(xué)員無法發(fā)現(xiàn)隱患并排除，將進(jìn)行全方位的事故體驗(yàn)。

2.4.3 應(yīng)急預(yù)案指揮推演培訓(xùn)

應(yīng)急演練平臺包含了應(yīng)急演練和電視會(huì)議兩大功能，當(dāng)處于應(yīng)急演練模式下，可以實(shí)現(xiàn)對大屏幕的控制；當(dāng)處于電視會(huì)議模式下，可以直接接入行政電視系統(tǒng)。該子系統(tǒng)通過模擬電力系統(tǒng)的真實(shí)環(huán)境，讓生產(chǎn)管理人員以及應(yīng)急救援人員可以實(shí)時(shí)參與到安全生產(chǎn)培訓(xùn)管理中，并對各級人員進(jìn)行應(yīng)急聯(lián)動(dòng)的模擬，通過反復(fù)的應(yīng)急演練，讓救援人員可以更加熟悉救援流程，增強(qiáng)人員之間的配合，從而降低事故的發(fā)生。

應(yīng)急演練模擬系統(tǒng)所模擬的事件仿佛親身經(jīng)歷一般，借助先進(jìn)的技術(shù)手段，進(jìn)行演練的組織、總結(jié)、歸檔等操作，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)急演練的過程再現(xiàn)，圖4為變電站的爆炸場景圖。同時(shí)，為了提高應(yīng)急演練的互動(dòng)性，系統(tǒng)會(huì)針對不同的角色設(shè)置不同的任務(wù)，如搶修輸電線路、搶修變電站、災(zāi)民安置等，對于應(yīng)急演練任務(wù)場景，采用3D建模的方式進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)對指揮中心場景、現(xiàn)場搶修救援場景的演練。

圖4 變電站爆炸場景圖

2.4.4 低壓作業(yè)體感

低壓作業(yè)體感子系統(tǒng)包括設(shè)備漏電、跨步電壓和配網(wǎng)不停電等操作。

設(shè)備漏電體感：以電動(dòng)機(jī)作為對象，演示斷路器的漏電情況，讓學(xué)員可以加強(qiáng)漏電危害意識，主動(dòng)學(xué)習(xí)關(guān)于設(shè)備漏電的相關(guān)知識。設(shè)備漏電體感設(shè)備中包括體感臺、電動(dòng)機(jī)、觸控一體機(jī)、控制電源、電源保護(hù)模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、漏保裝置、驗(yàn)電筆、展示牌、安全防護(hù)圍欄以及其他配件等。

跨步電壓體感：當(dāng)學(xué)員在跨步電壓區(qū)域中行走時(shí)，通過親身感受跨步電壓觸點(diǎn)，讓學(xué)員可以認(rèn)識到跨步電壓的危害，并掌握避免的方法?？绮诫妷翰捎萌梭w仿真學(xué)，為了方便學(xué)員可以快速體驗(yàn)，讓學(xué)員保持正常行走時(shí)進(jìn)入到跨步電壓區(qū)域，保持單腳著地、雙腳并攏等不同的方式進(jìn)入到跨步電壓區(qū)域中[7-8]。跨步電壓體感設(shè)備中包括控制電源、電源保護(hù)模塊、數(shù)據(jù)采集、測試傳感、行走測試平臺、感應(yīng)模塊、電氣控制柜、模擬桿塔、觸摸一體機(jī)、測試顯示模塊、電擊模塊、柱式音響、安全防護(hù)欄、展示牌以及各種備件等。

配網(wǎng)不停電：利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，直觀地展現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)方式，通過虛擬互動(dòng)的方式進(jìn)行作業(yè)的實(shí)操模擬，以幫助學(xué)員可以快速掌握配網(wǎng)不停電的作業(yè)要領(lǐng)。通過仿真操作模塊、巡視作業(yè)仿真、測量作業(yè)仿真以及資料查詢模塊等，了解配網(wǎng)不停電的相關(guān)操作。

2.4.5 高壓作業(yè)體感

帶電掛（合）接地線：通過模擬10kV線路所產(chǎn)生的現(xiàn)象，讓學(xué)員可以充分認(rèn)識到該接地線對于設(shè)備所帶來的弊端。當(dāng)發(fā)生接地線故障后，如果操作錯(cuò)誤將會(huì)造成對地短路，顯示儀表可以實(shí)時(shí)記錄線路的電壓和電流，并在電腦屏上進(jìn)行顯示。如圖5所示。

圖5 帶點(diǎn)掛（合）接地線

開關(guān)柜檢修：學(xué)員通過進(jìn)行開關(guān)柜倒閘、停電等操作，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)操作過程，并真實(shí)模擬違規(guī)操作后的后果。通過觀察窗查看開關(guān)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)開關(guān)柜不通電時(shí)，觀察開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)，逆向體驗(yàn)?zāi)M事故發(fā)生的效果，并真實(shí)還原事故現(xiàn)象。

高處作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)：高空作業(yè)通過高空墜物打擊、急速墜落、安全帶吊掛等，讓學(xué)員真實(shí)體驗(yàn)在配電時(shí)發(fā)生高空墜物和高空墜落所造成的極大沖擊。通過控制裝置擊打?qū)W員的安全帽，讓學(xué)員親身體驗(yàn)被擊打后所帶來的真實(shí)感，加強(qiáng)使用安全帽的意識。

3 結(jié)語

“安全至上”是供電企業(yè)在運(yùn)行中必須遵守的規(guī)章制度，并且要時(shí)刻謹(jǐn)記電力安全培訓(xùn)對于企業(yè)和員工的重要性?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行電力行業(yè)的安全培訓(xùn)，讓員工可以得到沉浸式的安全體驗(yàn)，通過實(shí)際的電力系統(tǒng)應(yīng)用場景和藍(lán)圖的可視化方式，讓員工可以獲得良好的互動(dòng)效果，解決學(xué)員無法感同身受的難題。在安全培訓(xùn)的過程中，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展的需求。因此，建立虛擬仿真系統(tǒng)來進(jìn)行安全培訓(xùn)工作，對于電網(wǎng)企業(yè)而言十分有必要。